Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
część 13
Tranzystory
dla początkujących
Układ ze wspólnym kolektorem
W tym odcinku podam Ci garść dalszych istotnych informacji na temat wzmacniacza ze wspólnym kolektorem.
Skrajności W naszych rozważaniach upraszczaliś- napięcia wejściowego do (zmiennego)
my co się da, by wyciągnąć ogólne prądu wejściowego i gdyby (zmienne) na-
Teraz już wiesz bardzo dużo o wtórni- wnioski. Pominęliśmy na przykład wszel- pięcie na emiterze było idealnie takie sa-
ku emiterowym, czyli układzie ze wspól- kie pojemności wewnętrzne tranzystora. mo jak na bazie, układ miałby oporność
nym kolektorem. Tymczasem te pominięte czynniki spo- wejściową nieskończenie wielką. Wyko-
Czy jednak uda się uzyskać oporność wodowałyby, że przy wysokich częstotli- rzystuje się tu sposób, nazywany boot-
wejściową rzędu kilku megaomów? Czy wościach i dużych rezystancjach nasz strap. Słowo bootstrap nie ma dobrego
na przykład starannie dobrany układ z ry- układ mógłby w pewnych warunkach polskiego odpowiednika - znaczy mniej
sunku 7 (w poprzednim numerze EdW), z stać się... generatorem  wzbudziłby się więcej tyle, co podciąganie się do góry
selekcjonowanym tranzystorem o na wysokich częstotliwościach. Zapomnij przez ciągnięcie za własne sznurówki lub
wzmocnieniu 1000, indywidualnie dobra- więc o wtórniku emiterowym, mającym za włosy. W praktyce układ z rysunku 12
nymi rezystorami RB=1,2M&!, RE=6,0k&! jednocześnie wielką oporność wejściową może przysparzać kłopotów w zakresie
nie będzie miał rezystancji wejściowej ró- i przenoszącym szerokie pasmo częstotli- wyższych częstotliwości i należałoby
wnej 1M&!, i czy tym samym nie będzie wości. Możesz spełnić tylko jeden z tych ograniczyć pasmo przenoszenia. To oczy-
się nadawał na wejście kanału oscylosko- warunków . Przy niewielkich wartościach wiście jest zadanie dla bardziej zaawan-
pu, który planujesz zbudować? Niestety, rezystancji RE pasmo przenoszenia wtór- sowanych, którzy nie zdziwią się, usły-
muszę cię rozczarować! nika sięgnie kilkuset megaherców! Ale za szawszy, że układ z rysunku 12 może
to oporność wejściowa będzie sto- mieć w pewnych warunkach ujemną (!)
sunkowo mała rezystancję wejściową.
r
y
s
u
n
k
u
1
2
Z kolei układ z rysunku 12 ma bardzo
Problemy, problemy,
dużą oporność wejściową - przez zasto-
sowanie kondensatora C1 napięcie problemy
zmienne w punkcie połączenia R1, R2 i Przy okazji leciutko  potrącę pewien
RB jest praktycznie równe napięciu wej- ważny, a bardzo trudny temat. Z powyż-
ściowemu i dzięki temu oporność wej- szych rozważań wynika, iż pomijane
ściowa jest wielokrotnie większa niż war- w obliczeniach subtelne właściwości
tość rezystora RB. Może ci się to wyda tranzystora mogą stać się powodem
dziwne, ale tak jest  jeśli cały czas za ogromnych kłopotów, polegających naj-
mną nadążasz, sam spróbuj zrozumieć częściej na wzbudzaniu się układów na
dlaczego. Podpowiem tylko: wypadkowa wysokich częstotliwościach. Przyczyny
Rys. 12
R
y
s
.
1
2
oporność jest stosunkiem (zmiennego) samowzbudzenia układu mogą być
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99 63
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
cyjność, a zbyt mały odstęp między o zniekształceniach rzędu tysięcznych
ścieżkami to znacząca pojemność. Przy części procenta, nie stosuj takich zwyk-
takich częstotliwościach najzwyklejszy łych wtórników.
rezystor może zachowywać się jak induk- Wspomniane dwie wady zwykłego
cyjność, albo jak pojemność! Tak! A kon- wtórnika można wyeliminować pracując
densator może zachowywać się jak in- ze stałym prądem bazy (i stałym prądem
dukcyjność albo rezystancja, choćby ze emitera). Jak?
względu na indukcyjność wyprowadzeń Wystarczy zastosować obciążenie
Rys. 13
R
y
s
.
1
3
czy straty dielektryka. w postaci z
ródła prądowego, jak na
r
y
s
u
n
k
u
1
3
a
r
y
s
u
n
k
u
1
3
b
Co z tego wynika? rysunku 13a. Na rysunku 13b możesz zo-
różne, na przykład błędnie zaprojektowa- Żeby nie natknąć się na bardzo przykre baczyć praktyczną realizację takiego bar-
na płytka drukowana, czy niewłaściwe niespodzianki, z którymi sobie nie pora- dziej precyzyjnego wtórnika. Dziś rzadko
prowadzenie przewodów połączenio- dzisz, nie zaczynaj od prób zaprojektowa- stosujemy takie rozwiązania, bo w zakre-
wych. Ale niektóre problemy mają z
ródło nia jakichś wyrafinowanych wzmacniaczy sie niskich częstotliwości do, powie-
w tych pomijanych parametrach tranzy- tranzystorowych. Pozostaw to ludziom, dzmy, 100kHz, stosuje się precyzyjne
stora, głównie pojemnościach. którzy mają duże doświadczenie w tym wtórniki zbudowane w oparciu o jakikol-
Albo już spotkałeś, albo spotkasz ukła- zakresie. Ty na razie zdobywaj takie do- wiek wzmacniacz operacyjny. Jeśli ci się
dy, gdzie na wyprowadzenie bazy nakła- świadczenie, zaczynając od układów naj- chce, zastanów się, jak na parametry
dany jest mały koralik ferrytowy. To nie prostszych, nie stosując elementów o wtórnika wpływa obecność z
ródła prądo-
żaden talizman  w ten sposób wprowa- ekstremalnych wartościach i nie wego, które dla przebiegów zmiennych
dza się w obwód bazy bardzo, bardzo próbując wydusić z tranzystora wszy- ma bardzo dużą oporność  co oznacza, iż
małą indukcyjność, i właśnie to chroni w stkiego, co wydaje ci się możliwe. Wtedy rezystancja RE z rysunku 4 ma dla prze-
pewnych warunkach przed oscylacjami. nie napotkasz tych koszmarnych proble- biegów zmiennych pomijalnie dużą war-
W innych układach spotkasz niewielki re- mów i pomału, ale bezstresowo będziesz
zystor (10...100&!) włączony szeregowo wgryzał się w ten temat.
w obwód bazy. Na pierwszy rzut oka tak
mała rezystancja nie ma żadnego znacze- Tylko dla ciekawskich
nia. Istotnie, dla prądu stałego i przebie-
gów małej częstotliwości nie ma, ale Podane informacje, dotyczące układu
chroni przez samowzbudzeniem na wy- OC w zupełności wystarczą na początek
sokich częstotliwościach. elektronicznej kariery. Dla ciekawskich i
W uproszczeniu możesz to sobie wy- bardziej zaawansowanych mam jeszcze
obrazić, że dla wysokich częstotliwości kilka szczegółów. Zupełnie początkujący
wyprowadzenie bazy jest nie tylko wej- mogą spokojnie pominąć ten śródtytuł.
ściem, ale w pewnym sensie wyjściem, Omawiając działanie wtórnika założy-
dlatego zachowanie tranzystora zależy liśmy w uproszczeniu, że spadek napięcia
R
y
s
.
1
5
wtedy od oporności obwodów bazy. Nie baza-emiter tranzystora jest stały i wyno- Rys. 15
jest o żadna przesada  odszukaj w EdW si około 0,6V. W rzeczywistości ten spa-
r
y
s
u
n
e
k
4
11/98 rysunek 4 na stronie 65 i przekonaj dek napięcia zależy od prądu bazy  poró- tość, rzędu co najmniej kilkudziesięciu
się, że jedną z przyczyn są pojemności, wnaj rysunek 6 w EdW 11/98 str. 66. kiloomów. Jak to wpłynie na transfor-
przez które sygnał z wyjścia wraca na Prąd bazy zależy z kolei od prądu emitera, mację impedancji?
wejście, czyli właśnie na bazę. a ten w sumie od napięcia, zarówno sta- To jeden szczegół dla ciekawskich.
Początkujący zazwyczaj uważają, że łego, jak i od wielkości przebiegu zmien- Teraz drugi.
skuteczną metodą na problemy z samo- nego. Czym większy sygnał zmienny, Dowiedziałeś się, że napięcie stałe na
wzbudzaniem jest ograniczenie od góry tym większe zmiany napięcia baza-emiter wyjściu (emiterze) różni się od napięcia
pasma przenoszenia przez dodanie nie- tranzystora. na bazie o około 0,6V. A jak to jest przy
wielkich pojemności zwierających sygna- I co z tego? zmianach temperatury? Oczywiście na-
ły w.cz. do masy. Czasem to rzeczywiście Po pierwsze spowoduje to, że zmien- pięcie to zmienia się, i to znacznie, ze
pomaga, ale niekiedy jeszcze pogarsza ne napięcie na wyjściu (emiterze) będzie współczynnikiem około  2,2mV/�C. Tym-
sprawę, właśnie ze względu na omówio- nieco mniejsze niż napięcie wejściowe czasem w pewnych sytuacjach, gdy
ne zjawiska. Dlatego nie ma uniwersal- (na bazie). To znaczy, że wtórnik emitero- wtórnik ma przenosić nie tylko sygnały
nych, prostych recept na wszystkie pro- wy ma wzmocnienie nieco mniejsze od zmienne, ale także stałe, powinien być
blemy z samowzbudzeniem wzmacnia- jedności. Nie jest to problemem, bo w stabilny pod względem termicznym.
czy. Przecież na- praktyce wynosi ono zwykle około 0,99 - Czy to możliwe?
wet tak zwane czym mniejszy sygnał, tym jest bliższe je- Rozwiązanie jest proste: zastosowa-
r
y
s
u
n
k
u
1
4
tranzystory małej dności. nie układu z rysunku 14 zapewnia, że na-
częstotliwości Po drugie, napięcie baza-emiter nie pięcie wyjściowe jest równe napięciu
mają częstotli- jest liniowo zależne od prądu bazy  jak wejściowemu, a wpływ zmian tempera-
wość graniczną wiesz, jest to zależność logarytmiczna. tury radykalnie się zmniejsza, zwłaszcza
rzędu 150 Powoduje to pewne niewielkie zniek- gdy tranzystory są podobnego typu, po-
...500MHz. Przy ształcenia nieliniowe sygnału, tym mniej- zostają w jednakowej temperaturze,
tak dużych sze, im mniejszy jest sygnał zmienny. a prądy emiterów są równe.
częst ot l i woś- W ogromnej większości przypadków ta- Teraz trzeci szczegół.
ciach zwykły ka- kie zniekształcenia spokojnie pomijamy, Poprzednie wyliczenia pokazały czarno
wałek drutu to ale gdybyś budował jakiś superprecyzyj- na białym, że oporność wyjściowa wtór-
Rys. 14
R
y
s
.
1
4
znacząca induk- ny wzmacniacz czy przedwzmacniacz nika jest znacznie mniejsza niż oporność
64 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
wa wtórnika dla dużych sygnałów jest ró-
99�A * 1k&! = 99mV wna rezystancji RE.
Wynika z tego, że Ściślej biorąc, przedstawiony wtórnik
wtórnik z rysunku 16a ma małą oporność wyjściową dla prze-
może prawidłowo pra- biegów dodatnich, a dużą (równą RE) tyl-
cować, ale tylko z syg- ko dla dużych sygnałów ujemnych.
nałami o amplitudzie Jakie to ma konsekwencje prakty-
nie większej niż 99mV czne? Przy niewielkich opornościach ob-
(198mVpp). Przy wię- ciążenia RL musisz stosować odpowie-
kszych amplitudach dnio małe wartości RE, czyli zwiększać
przebieg wyjściowy (je- prąd spoczynkowy. Często jest to niepo-
go ujemna część) żądane, bo chcemy utrzymać mały pobór
będzie koszmarnie prądu, nie rezygnując z małej rezystancji
Rys. 16
R
y
s
.
1
6
zniekształcony, jak po- wyjściowej także przy dużych sygnałach.
wyjściowa z
ródła sygnału. Czy zauważy- kazuje to rysunek 16b. Czy jest na to rada?
łeś, że zwiększenie rezystancji RE wydaje Jak temu zaradzić? Oczywiście wy- Dobrym, często stosowanym w prak-
się korzystne? Przy okazji zmniejszymy starczy zmniejszyć RE. Ściślej biorąc, tyce rozwiązaniem jest wykorzystanie
radykalnie pobór prądu i straty mocy. wszystko zależy od dwóch czynników: wtórnika komplementarnego. Oczy-
y
s
u
n
k
u
1
7
a
Przemyśl to! wymaganej wartości zmiennego napięcia wiście nie takiego z rysunku 17a, bo ten
Czy przykład ze z
ródłem prądowym w wyjściowego oraz maksymalnego prądu wprowadzałby ogromne zniekształcenia
obwodzie emitera (rysunek 13) przeko-  ujemnego , wyznaczonego przez szere-  w strefie przejściowej . Praktyczny
nał cię, że zwiększanie RE jest uzasadnio- gowe połączenie RE i RL. Moglibyśmy tu przykład wypróbowanego wtórnika kom-
r
y
s
u
n
k
u
ne? wyprowadzić od- plementarnego znajdziesz na rysunku
r
y
s
u
n
e
k
1
5
1
7
b
Jeśli tak, popatrz na rysunek 15. W powiednie wzory, 17b. Taki układ stosowany był w genera-
układzie z rysunku 4 zwiększyliśmy rezy- ale nie są one ko- torze o częstotliwości do 1MHz, za-
stancje RB i RE do 60k&!. Niby wszystko nieczne. Powróć pewniał stałą rezystancję wyjściową
jest w porządku. Jaka będzie rezystancja do rysunku 15 i równą 50&!. Zamiast tranzystorów BC211
wejściowa całego wtórnika dla przebie- zrozum istotę i BC313 można użyć jakichkolwiek innych
gów zmiennych? Z podanych wyliczeń problemu  aby o mocy strat 1W i wzmocnieniu powyżej
wynikałoby, że wynosi około 30k&!, bo nie było zniek- 100. Mogą to być popularne tranzystory
tym razem wpływ RE jest niewielki i decy- ształceń, wyma- rodziny BD135...140, lub podobne śre-
dujący wpływ ma rezystancja RL. Ale czy gana maksymal- dniej mocy, ale należy się upewnić, czy
nie wydaje ci się podejrzane, że rezystan- na (szczytowa) mają wzmocnienie prądowe większe niż
R
y
s
.
1
7
a
cja emiterowa jest tak duża, a rezystancja Rys. 17 a wartość zmienne- 60...70. Jeśli nie jest potrzebna tak mała
obciążenia tak mała? Jeśli cię to trochę go prądu płynące- rezystancja wyjściowa (50&!) i układ
niepokoi, masz rację! go przez obciążenie musi być mniejsza będzie obciążany większą rezystancją,
Żeby pokazać ci problem i nie mącić od połowy (stałego) spoczynkowego nie trzeba montować wyjściowego dziel-
obrazu obecnością kondensatora wy- prądu, płynącego przez RE. Sam zasta- nika i zamiast tranzystorów BC211 i
jściowego, przeanalizujmy wtórnik z ry- nów się, dlaczego  od połowy  przy o- BC313 grupy 10 zastosować jakiekolwiek
sunku 16a. Załóżmy, że zmienne napięcie kazji zrozumiesz, dlaczego w podręczni- tranzystory komplementarne małej mo-
r
y
s
u
n
k
u
1
6
wyjściowe w układzie z rysunku 16 po- kach jest napisane, że oporność wyjścio- cy, np. BC548B, BC558B.
winno wynosić 12Vpp, a konkretnie w
dodatnich szczytach +6V, w ujemnych
 dolinach  6V. Przy oporności RL równej
1k&!, w tych szczytach przez obciążenie
powinien płynąć prąd o chwilowej war-
tości równej 6mA.
Przy sygnałach dodatnich względem
masy tranzystor się otwiera i to on do-
starcza potrzebnego prądu. Nie ma tu
ograniczeń  tranzystor dostarczy tyle
prądu, ile trzeba, by napięcie na emiterze
nadążało za napięciem bazy. Jasne?
Gorzej jest, gdy napięcie wejściowe
spada poniżej napięcia masy. Wtedy tran-
zystor się przytyka a może nawet całko-
wicie zatyka, a  ujemny prąd obcią-
żenia płynie przez rezystor RE. I tu zaczy-
na się problem. Przy podanych napię-
ciach nawet gdy tranzystor zupełnie nie
przewodzi, maksymalny  ujemny prąd
obciążenia jest ograniczony wartościami
RE i napięcia zasilającego do około 99�A.
Większy być nie może (Imax = -Uzas / (RE
+ RL)), wobec tego największe ujemne
Rys. 17 b
R
y
s
.
1
7
b
napięcie na obciążeniu RL wyniesie tylko:
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99 65
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
Na koniec roz- W praktyce pojemność wejściowa nie Jeśli chodzi o górę pasma, to teorety-
ważań o wzmac- może być mniejsza niż: cznie wtórnik mógłby pracować aż do
niaczu OC podam C = 160 / f R częstotliwości granicznej tranzystora
ci jeszcze kilka gdzie R - całkowita rezystancja wej- (tranzystorów), wynoszącej ponad sto
R
y
s
u
wyjaśnień. Rysu- ściowa (tranzystora i rezystorów polary- megaherców. W praktyce przy wię-
nek 18 pokazuje zujących) w kiloomach, f - częstotliwość kszych amplitudach pasmo ogranicza od
n
e
k
1
8
przykład wykorzy- graniczna w hercach, pojemność C wy- góry pojemność obciążenia, dołączona
r
y
s
u
n
k
u
1
9
stania go w pro- chodzi w mikrofaradach. równolegle do RL, na rysunku 19 ozna-
ściutkim stabiliza- W praktyce pojemność C powinna być czona CL. Składają się na nią pojemności
torze przynajmniej 3-krotnie większa, bo wzór montażowe i pojemność samego obcią-
Rys. 18
R
y
s
.
1
8
Jeśli wez
miesz dotyczy spadku poziomu o 3dB. żenia. Konieczność przeładowania po-
schemat wzmacniacza mocy audio na To samo dotyczy pojemności wyjścio- jemności prądem płynącym przez RE po-
tranzystorach bipolarnych, to najprawdo- wej, oddzielającej RE od RL. Wymaganą woduje takie same ograniczenia, jak przy
podobniej tranzystory wyjściowe również pojemność oblicza się z ostatniego wzo- małej wartości RL (porównaj rysunki 15 i
pracują tam w układzie OC. ru, podstawiając wartość RL. Te dwie po- 16). Zresztą pojemność CL można trakto-
jemności ograniczają pasmo od dołu. Ale wać jako dodatkową oporność (reak-
Jak widzisz, wzmacniacz OC jest wy- często wtórniki przenoszą też przebiegi tancję) malejącą ze wzrostem częstotli-
korzystywany nie tylko w obwodach ma- stałe, jak układ z rysunku 17b. wości. Inaczej mówiąc, przy bardzo du-
łych sygnałów stałych i zmiennych. żych częstotliwościach oporność (impe-
I jeszcze sprawa częstotliwości grani- dancja) obciążenia maleje ze względu na
cznych. obecność pasożytniczych pojemności ob-
W układach z kondensatorem na wej- ciążających wyjście.
ściu (np. rysunki 1, 4, 15) pasmo przeno- I tyle informacji mam dla ciebie na te-
szenia jest ograniczone od dołu przez po- mat układu OC.
jemność tego kondensatora wejściowe- W następnym odcinku przyjrzymy się
go. Pojemność ta tworzy z całkowitą re- wzmacniaczowi tranzystorowemu w
zystancją wejściową filtr górnoprzepusto- układzie wspólnego emitera.
wy o częstotliwości granicznej
Piotr Górecki
P
i
o
t
r
G
ó
r
e
c
k
i
f(-3dB) = 1 / 2ĄRC
Rys. 19
R
y
s
.
1
9
66 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99