Tranzystorowe wzmacniacze

OE OB OC

na tranzystorach bipolarnych

Wzmacniacz jest to urządzenie elektroniczne, którego zadaniem

jest :proporcjonalne zwiększenie amplitudy wszystkich

składowych widma sygnału wejściowego, bez zmiany ich wzajemnych proporcji.

Do podstawowych parametrów wzmacniaczy należą:

- wzmocnienie: napięciowe , prądowe i mocy

- dolna i górna częstotliwość graniczna- rezystancja wejściowa i wyjściowa- zniekształcenia liniowe i nieliniowe

Wzmocnienie określane jest jako stosunek wartości skutecznej sygnału wyjściowego do wartości skutecznej sygnału wejściowego.Wzmocnienie napięciowe wyraża się wzorem:

Ku = Uwy/Uwe[V/V] lub Ku = 20log(Uwy/Uwe )[dB]

Wzmocnienie prądowe jest równe:Ki = Iwy/Iwe[A/A] lub Ki = 20log(Iwy/Iwe )[dB]

Wzmocnienie mocy:Kp =Pwy/Pwe[W/W] lub Kp = 10log(Pwy/Pwe)[dB]

Wzmocnienie wzmacniacza jest zależne od częstotliwości sygnału wejściowego.

Oznacza to, że jeśli :na wejście wzmacniacza będzie podany sygnał o stałej amplitudzie , ale zmiennej częstotliwości, to na jego wyjściu wraz ze zmianączęstotliwości, będzie zmieniała sięamplituda sygnału wyjściowego.

Właściwości wzmacniacza w zależności od częstotliwości sygnału wejściowego określają dwie zależne od siebie charakterystyki:

- Amplitudowa – ku=f(f)

- Fazowa φ= f(f)

• Klasy pracy wzmacniaczy:

• Klasa A – kąt przepływu prądu mniejszy od 360o• (moc tracona w tranzystorze jest największa w tej

klasie)

• Klasa B – kąt przepływu prądu jest bliski 180o

• Klasa AB – kąt przepływu prąd zawiera się• między 180oa 360o(180o<Θ<360o)

• Klasa C – kąt przeplywu prądu mniejszy od 180o

Wartość napięcia wyjściowego w zależności od wartości napięcia wejściowego opisuje się za pomocącharakterystyki przejściowej wzmacniacza

( charakterystyki dynamicznej).

Zniekształcenia nieliniowe są to zniekształcenia wynikające z nieliniowości charakterystyki przenoszenia wzmacniacza.

Współczynnik zniekształceń nieliniowych wyznacza się ze wzoru:

gdzie :

jest to stosunek wartości skutecznej wyższych harmonicznych do wartości skutecznej pełnego napięcia wyjściowego.

Czyli jest to stosunek wartości skutecznej wyższych harmonicznych do wartości skutecznej pełnego napięcia wyjściowego.

%100UUU

hO

23

22

C

22

21O UUU

Schemat zastępczy wzmacniacza

Rezystancja wejściowa jest to rezystancja „widziana” z zacisków wejściowych układu, przy rozwartym wyjściu.

Rezystancja wyjściowa Rwy – jest to rezystancja „widziana” z zacisków wyjściowych układu przy zwartym wejściu.

Owe

wewe Rprzy

IUR

0Uprzy IU

R wewy

wywy

Charakterystyki

tranzystora

bipolarnego

w układzie OE

Wzmacniacz klasy A

IC

UCE

IB

0 uA

10 uA

20 uA

30 uA

40 uA

50 uA

60 uA

70 uA80 uA90 uA

Nasycenie

Odcięcie

Punkt pracy

IC

UCE

IB

0 uA

10 uA

20 uA

30 uA

40 uA

50 uA

60 uA

70 uA

80 uA

90 uA

Nasycenie

Odcięcie

Punkt pracy

Wzmacniacz klasy B

OB OE OC C E E C B B uWY uWY uWE uWY uWE uWE

B E C

Podstawowe konfiguracje pracytranzystora bipolarnego

jako wzmacniacza

Parametry wzmacniacza w układzie OE

Podstawowa funkcja wzmacniacza – zwiększenie mocy sygnałów może być realizowana przez zastosowanie w układzie wzmacniacza elementów czynnych.

Obecnie stosuje się głównie tranzystory bipolarne w trzech podstawowych konfiguracjach: OE, OB., OC.

We wzmacniaczach małej częstotliwości najczęściej stosowana jest konfiguracja OE.

Schemat takiego wzmacniacza przedstawia poniższy rysunek:

Parametry wzmacniacza zbudowanego na tranzystorze oblicza się na podstawie schematu zastępczego dla sygnałów zmiennych ( małych,

średnich lub wielkich częstotliwości) Poniższy rysunek przedstawia schemat zastępczy dla średnich

częstotliwości.

W schemacie tym kondensatory traktuje się jako zwarcie, ponieważ:

ECEOC2we R X oraz R X R CX

Rezystancja wejściowa dla tego układu „widziana” z zacisków wejściowych jest to równoległe połączenie RB i RT.

TBwe R RR

gdzie : RT= rbb’ +rb’e = h11e 21B R RR

Rezystancja wyjściowa „widziana“ z zacisków wyjściowych:

Oe22

wy R h

1R

Wzmocnienie prądowe:

TB

B

OC

C

we

wyi RR

RRR

RII

k

Wzmocnienie napięciowe:

TOC

OCu R

1RRRRk

e11T hR

Pasmo przenoszenia wzmacniacza

o paśmie przenoszenia wzmacniacza decydują

częstotliwości górna i dolna częstotliwość graniczna.

Na wartość częstotliwości górnej mają wpływ pojemności pasożytnicze wzmacniacza (pojemności tranzystora oraz pojemność montażowa).

Pojemności te tworzą z rezystancją źródła sygnału filtry górno-zaporowe ograniczające częstotliwość od góry.

Pojemność baza-kolektor ( CT) jest elementem ujemnego sprzężenia zwrotnego (napięciowego równoległego) i jest powodem wystąpienia tzw. efektu Millera.

Polega on na tym, że pojemność CBC nie mająca połączenia z masą przekazywana jest na wejście układu zwielokrotniona wzmocnieniem wzmacniacza ( Ku –krotnie).

Schemat zastępczy układu OE dla częstotliwości górnych

o częstotliwości górnej fg będzie decydować Cwe, a ściślej filtr górnozaporowy stworzony przez rezystancję źródła sygnału i Cwe.

BCuBEmwe CKCCC

wegg CR2

1f

Schemat zastępczy układu OE dla częstotliwości dolnych

o częstotliwości dolnej wzmacniacza decydują pojemności kondensatorów znajdujących się w układzie. Każdy z tych kondensatorów tworzy z rezystorami filtry

Pierwszy filtr stanowi obwód wejściowy to CS1,Rg,RB i RT

Drugi filtr to obwód emitera tzn. kondensator CEi rezystancje Rg, RB, RT, RO i RE,

Trzeci filtr stanowi obwód wyjściowy tzn. CS2 i rezystory RC RO

częstotliwość graniczna każdego z tych filtrów to: Gdzie τ = stała czasowa poszczególnych filtrów

21fd

O częstotliwości dolnej wzmacniacza decyduje największa z trzech częstotliwości

UCC=URc+ UCE

UCC=IC· RC+ UCE

Zmiana punktu pracy spowodowana zmianą RC lub UCC

Punkt pracy wzmacniacza

Wzmacniacz w układzie OC

W układzie tym rezystancja kolektora jest zwykle równa zero, a sygnał wyjściowy pobierany jest z emitera.

Napięcie wyjściowe , będące spadkiem napięcia rezystorze RE jest w całości przekazywane do obwodu wejściowego ( rezystor RE jest elementem wspólnym obwodu wejściowego i wyjściowego).

Rezystor RE wprowadza do obwodu wejściowego spadek napięcia skierowany przeciwnie do napięcia sterującego.

Spadek napięcia na RE jest wytworzony przez prąd wyjściowy, czyli prąd emitera. Prąd ten jest h21e razy większy od prądu bazy. Zatem prąd wejściowy płynący pod wpływem wypadkowe napięcia w obwodzie wejściowym ( Ug – URE) jest zmniejszony tak , jak gdyby w obwodzie występował rezystor h21eRE.

Schemat zastępczy układu OC

Rezystancja wyjściowa określana jest wzorem:

Wzmocnienie napięciowe w tym układzie jest bliskie jedności ( zawsze nieco mniejsze) :

Wzmocnienie prądowe wynosi

Napięcie wyjściowe jest w fazie z napięciem wejściowym, a wzmocnienie napięciowe bliskie jedności.

Dlatego układ OC określa się mianem wtórnika napięcia.

W układzie tym także nie występuje efekt Millera , wobec czego częstotliwośćgraniczna jest większa niż w układzie OE.

e21

ge11wy h1

RhR

1Rhh

RhkEe21e11

Ee21u

e21i h1k

Układ podstawowy badanego wzmacniacza OE

Charakterystyka amplitudowa dla podstawowego układu OE

0

5

10

15

20

25

30

35

40

10 100 1000 10000 100000

F[Hz]

Ku[d

B]

Fd Fg

Wpływ Rc na charakterystykę wzmacniacza OE

0

5

10

15

20

25

30

35

40

10 1000 100000

F[Hz]

Ku[d

B]

Rc<Rco

RC>Rco

Rc=Rco

Wpływ Ce na charakterystykę wzmacniacza OE

0

5

10

15

20

25

30

35

40

10 1000 100000

F[Hz]

Ku[d

B]

Ce=Ceo

Ce<Ceo

Wpływ Cs1 i Cs2 na charakterystykę wzmacniacza OE

0

5

10

15

20

25

30

35

40

10 100 1000 10000 100000

F[Hz}

Ku[d

B]

Cs1,Cs2=Cs1o,Cs2o

Cs1,Cs2 < Cs1o,Cs2o

Podstawowy układ OC

Charakterystyka amplitudowa dla układu OC

-6

-5

-4

-3

-2

-1

010 100 1000 10000 100000

F[Hz]

Ku[d

B]

Fd

Fg

Podstawowy układ pracy OB

RE >> RIT >> Rg RL>> RE RI = RIT ≈

C

T

E

T

IU

IU

ki = α ≤ 1

T

ccu U

IRk

0onajwiększanajmniejszadużemałe α ≤ 1największe

Przesunięcie fazyRezystancja wyjściowa RO

Rezystancja wejściowe RI

Wzmocnienie mocy kp

Wzmocnienie prądowe ki

Wzmocnienie napięciowe ku

Praktyczny układ OB

Podsumowanie

Mała poniżej 500

Duża kilkadziesiąt k

Średnia kilka k

rezystancja wyjściowa Rwyj

duża Mała poniżej 500

Średnia kilka k

rezystancja wejściowa Rwej

Dużeok.100

Małe 1 Dużeok.100

wzmocnienie prądowe Ki

Małe 1 Dużeok. 60

Duże ok. 60

wzmocnienie napięciowe Ku

OCOBOE