Tranzystorowe wzmacniacze

OE OB OC

na tranzystorach bipolarnych

Wzmacniacz jest to urz

ądzenie

elektroniczne, którego zadaniem

jest :

proporcjonalne zwi

ększenie

amplitudy wszystkich

sk

ładowych widma sygnału

wej

ściowego, bez zmiany ich

wzajemnych proporcji

.

Do podstawowych parametrów

wzmacniaczy nale

żą:

- wzmocnienie: napi

ęciowe , prądowe i

mocy

- dolna i górna cz

ęstotliwość graniczna

- rezystancja wej

ściowa i wyjściowa

- zniekszta

łcenia liniowe i nieliniowe

Wzmocnienie okre

ślane jest jako stosunek

warto

ści skutecznej sygnału wyjściowego

do warto

ści skutecznej sygnału

wej

ściowego.

Wzmocnienie napi

ęciowe wyraża się wzorem:

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

Wzmocnienie pr

ądowe 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 zale

żne

od cz

ęstotliwości sygnału wejściowego.

Oznacza to,

że jeśli :

na wej

ście wzmacniacza będzie podany

sygna

ł o stałej amplitudzie , ale zmiennej

cz

ęstotliwości,

to na jego wyj

ściu wraz ze zmianą

cz

ęstotliwości, będzie zmieniała się

amplituda sygna

łu wyjściowego.

W

łaściwości wzmacniacza w zależności od

cz

ęstotliwości sygnału wejściowego

okre

ślają dwie zależne od siebie

charakterystyki:

- Amplitudowa – ku=f(f)

- Fazowa

φ= f(f)

• Klasy pracy wzmacniaczy:

• Klasa A – k

ąt przepływu prądu mniejszy od 360o

•

(moc tracona w tranzystorze jest najwi

ększa w tej

klasie)

• Klasa B – k

ąt przepływu prądu jest bliski 180o

• Klasa AB – k

ąt przepływu prąd zawiera się

• mi

ędzy 180o a 360o (180o<Θ<360o)

• Klasa C – k

ąt przeplywu prądu mniejszy od 180o

Warto

ść napięcia wyjściowego w zależności od wartości

napi

ęcia wejściowego opisuje się za pomocą

charakterystyki przej

ściowej wzmacniacza

( charakterystyki dynamicznej).

Zniekszta

łcenia nieliniowe

s

ą to zniekształcenia wynikające z nieliniowości charakterystyki

przenoszenia wzmacniacza.

Wspó

łczynnik zniekształceń nieliniowych wyznacza się ze wzoru:

gdzie :

jest to stosunek warto

ści skutecznej wyższych harmonicznych do

warto

ści skutecznej pełnego napięcia wyjściowego.

Czyli jest to stosunek warto

ści skutecznej wyższych harmonicznych do

warto

ści skutecznej pełnego napięcia wyjściowego.

%

100

U

U

U

h

O

2
3

2
2

C





























2
2

2

1

O

U

U

U

Schemat zast

ępczy

wzmacniacza

Rezystancja wej

ściowa jest to rezystancja

„widziana” z zacisków wej

ściowych

uk

ładu, przy rozwartym wyjściu.

Rezystancja wyj

ściowa Rwy – jest to

rezystancja „widziana” z zacisków
wyj

ściowych układu przy zwartym wejściu.







O

we

we

we

R

przy

I

U

R

0

U

przy

I

U

R

we

wy

wy

wy





Charakterystyk

i

tranzystora

bipolarnego

w uk

ładzie OE

Wzmacniacz klasy A

I

C

U

CE

I

B

0 uA

10 uA

20 uA

30 uA

40 uA

50 uA

60 uA

70 uA

80 uA

90 uA

Nasycenie

Odcięcie

Punkt pracy

I

C

U

CE

I

B

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

u

WY

u

WY

u

WE

u

WY

u

WE

u

WE

B E C

Podstawowe konfiguracje pracy

tranzystora bipolarnego

jako wzmacniacza

Parametry wzmacniacza w

uk

ładzie OE

Podstawowa funkcja wzmacniacza – zwi

ększenie mocy

sygna

łów może być realizowana przez zastosowanie w

uk

ładzie wzmacniacza elementów czynnych.

Obecnie stosuje si

ę głównie tranzystory bipolarne w trzech

podstawowych konfiguracjach: OE, OB., OC.

We wzmacniaczach ma

łej częstotliwości najczęściej

stosowana jest konfiguracja OE.

Schemat takiego wzmacniacza przedstawia poni

ższy

rysunek:

Parametry wzmacniacza zbudowanego na tranzystorze oblicza si

ę na

podstawie schematu zast

ępczego dla sygnałów zmiennych ( małych,

średnich lub wielkich częstotliwości)

Poni

ższy rysunek przedstawia schemat zastępczy dla średnich

cz

ęstotliwości.

W schemacie tym kondensatory traktuje się jako zwarcie, ponieważ:

E

CE

O

C2

we

R

X

oraz

R

X

R







C

X

Rezystancja wej

ściowa dla tego układu „widziana” z zacisków

wej

ściowych jest to równoległe połączenie R

B

i R

T

.

T

B

we

R

R

R



gdzie : R

T

= r

bb’

+r

b

’

e

= h

11e

2

1

B

R

R

R 

Rezystancja wyj

ściowa „widziana“ z zacisków wyjściowych:

O

e

22

wy

R

h

1

R



Wzmocnienie pr

ądowe:

T

B

B

O

C

C

we

wy

i

R

R

R

R

R

R

I

I

k















Wzmocnienie napi

ęciowe:

T

O

C

O

C

u

R

1

R

R

R

R

k













e

11

T

h

R 

Pasmo

przenoszenia wzmacniacza

o pa

śmie przenoszenia

wzmacniacza decyduj

ą

cz

ęstotliwości górna i dolna

cz

ęstotliwość graniczna.

Na warto

ść częstotliwości górnej mają wpływ pojemności

paso

żytnicze wzmacniacza (pojemności tranzystora oraz

pojemno

ść montażowa).

Pojemno

ści te tworzą z rezystancją źródła sygnału filtry

górno-zaporowe ograniczaj

ące częstotliwość od góry.

Pojemno

ść baza-kolektor ( C

T

) jest elementem ujemnego

sprz

ężenia zwrotnego (napięciowego równoległego) i

jest powodem wyst

ąpienia tzw. efektu Millera.

Polega on na tym,

że pojemność C

BC

nie maj

ąca

po

łączenia z masą przekazywana jest na wejście układu

zwielokrotniona wzmocnieniem wzmacniacza

( Ku –krotnie).

Schemat zast

ępczy układu OE dla

cz

ęstotliwości górnych

o cz

ęstotliwości górnej fg będzie decydować Cwe, a ściślej

filtr górnozaporowy stworzony przez rezystancj

ę źródła sygnału i Cwe.

BC

u

BE

m

we

C

K

C

C

C









we

g

g

C

R

2

1

f









Schemat zast

ępczy układu OE dla

cz

ęstotliwości dolnych

o częstotliwości dolnej wzmacniacza decydują pojemności
kondensatorów znajdujących się w układzie.
Ka

żdy z tych kondensatorów tworzy z rezystorami filtry

Pierwszy filtr stanowi obwód wej

ściowy to C

S1

,R

g

,R

B

i R

T

Drugi filtr to obwód emitera tzn. kondensator C

E

i rezystancje R

g

, R

B

, R

T

, R

O

i R

E

,

Trzeci filtr stanowi obwód wyj

ściowy tzn. C

S2

i

rezystory R

C

R

O

cz

ęstotliwość graniczna każdego z tych filtrów to:

Gdzie

τ = stała czasowa poszczególnych filtrów









2

1

f

d

O cz

ęstotliwości dolnej wzmacniacza decyduje największa z trzech częstotliwości

U

CC

=U

Rc

+ U

CE

U

CC

=I

C

· R

C

+ U

CE

Zmiana punktu pracy spowodowana zmian

ą R

C

lub U

CC

Punkt pracy wzmacniacza

Wzmacniacz w uk

ładzie OC

W uk

ładzie tym rezystancja kolektora jest zwykle równa

zero, a sygna

ł wyjściowy pobierany jest z emitera.

Napi

ęcie wyjściowe , będące spadkiem napięcia

rezystorze R

E

jest w ca

łości przekazywane do obwodu

wej

ściowego ( rezystor R

E

jest elementem wspólnym

obwodu wej

ściowego i wyjściowego).

Rezystor R

E

wprowadza do obwodu wej

ściowego spadek

napi

ęcia skierowany przeciwnie do napięcia sterującego.

Spadek napi

ęcia na R

E

jest wytworzony przez pr

ąd

wyj

ściowy, czyli prąd emitera. Prąd ten jest h

21e

razy

wi

ększy od prądu bazy. Zatem prąd wejściowy płynący

pod wp

ływem wypadkowe napięcia w obwodzie

wej

ściowym ( Ug – U

RE

) jest zmniejszony tak , jak gdyby

w obwodzie wyst

ępował rezystor h

21e

R

E

.

Schemat zast

ępczy układu OC

Rezystancja wyj

ściowa określana jest wzorem:

Wzmocnienie napi

ęciowe w tym układzie jest bliskie jedności

( zawsze nieco mniejsze) :

Wzmocnienie pr

ądowe wynosi

Napi

ęcie wyjściowe jest w fazie z napięciem wejściowym, a wzmocnienie

napi

ęciowe bliskie jedności.

Dlatego uk

ład OC określa się mianem wtórnika napięcia.

W uk

ładzie tym także nie występuje efekt Millera , wobec czego częstotliwość

graniczna jest wi

ększa niż w układzie OE.

e

21

g

e

11

wy

h

1

R

h

R







1

R

h

h

R

h

k

E

e

21

e

11

E

e

21

u











e

21

i

h

1

k





Uk

ład podstawowy badanego wzmacniacza OE

Charakterystyka amplitudowa dla podstawowego uk

ładu OE

0

5

10

15

20

25

30

35

40

10

100

1000

10000

100000

F[Hz]

K

u

[d

B

]

Fd

Fg

Wp

ływ Rc na charakterystykę wzmacniacza OE

0

5

10

15

20

25

30

35

40

10

1000

100000

F[Hz]

K

u

[d

B

]

Rc<Rco

RC>Rco

Rc=Rco

Wp

ływ Ce na charakterystykę wzmacniacza OE

0

5

10

15

20

25

30

35

40

10

1000

100000

F[Hz]

K

u

[d

B

]

Ce=Ceo

Ce<Ceo

Wp

ływ Cs

1

i Cs

2

na charakterystyk

ę wzmacniacza OE

0

5

10

15

20

25

30

35

40

10

100

1000

10000

100000

F[Hz}

K

u

[d

B

]

Cs

1

,Cs

2

=Cs

1

o,Cs

2

o

Cs

1

,Cs

2

< Cs

1

o,Cs

2

o

Podstawowy uk

ład OC

Charakterystyka amplitudowa dla uk

ładu OC

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

10

100

1000

10000

100000

F[Hz]

K

u

[d

B

]

Fd

Fg

Podstawowy układ pracy OB

R

E

>> R

IT

>> R

g

R

L

>> R

E

R

I

= R

IT

≈

C

T

E

T

I

U

I

U



k

i

= α ≤ 1

T

c

c

u

U

I

R

k





0

o

największa

najmniejsza

duże

małe α ≤ 1

największe

Przesunięcie fazy

Rezystancja

wyjściowa R

O

Rezystancja

wejściowe R

I

Wzmocnienie mocy

k

p

Wzmocnienie

prądowe k

i

Wzmocnienie

napięciowe k

u

Praktyczny uk

ład OB

Podsumowanie

Ma

ła poniżej

500

Du

ża

kilkadziesi

ąt

k

Średnia
kilka k

rezystancja

wyj

ściowa

Rwyj

du

ża

Ma

ła poniżej

500

Średnia
kilka k

rezystancja

wej

ściowa

Rwej

Du

że

ok.100

Ma

łe  1

Du

że

ok.100

wzmocnienie

pr

ądowe

Ki

Ma

łe  1

Du

że

ok. 60

Du

że

ok. 60

wzmocnienie

napi

ęciowe

Ku

OC

OB

OE