PODSTAWY ELEKTRONIKI (CZ. 4)

Opracowała: Małgorzata Trojanowska

Wzmacniacze tranzystorowe

Wzmacniaczem tranzystorowym jest urządzenie elektroniczne zwiększające energię sygnałów kosztem energii źródła zasilania, przy czym przepływem tej energii steruje tranzystor.

Wykorzystując tranzystor jako element wzmacniający można stosować trzy zasadnicze sposoby połączenia tranzystora ze źródłem napięcia i obciążeniem: układ o wspólnej bazie (WB), o wspólnym emiterze (WE) lub o wspólnym kolektorze (WC). Najczęściej stosuje się układ ze wspólnym emiterem, który umożliwia uzyskanie dużego wzmocnienia prądu i napięcia.

Wiele informacji dotyczących właściwości tranzystorów, możliwości ich zastosowania w układach elektronicznych, dostarczają dane dotyczące wzajemnych zależności między prądami i napięciami doprowadzonymi do elektrod tranzystora. Zależności te w stanach ustalonych przedstawiają w sposób graficzny charakterystyki statyczne tranzystora. Na rysunku 1 przedstawiono charakterystykę wyjściową tranzystora w układzie WE I_C = f(U_CE) przy I_B = const, która jest najważniejszą charakterystyką tranzystora bipolarnego, ze względu na największą przydatność do analizy graficznej pracy tranzystora w układzie wzmacniacza. Działanie wzmacniające tranzystora jest możliwe tylko wtedy, kiedy w wyniku sterowania zasilanie tranzystora (polaryzacja spoczynkowa) umożliwia zarówno wzrost, jak i spadek prądu kolektora. Polaryzacja spoczynkowa we wzmacniaczu, czyli punkt pracy tranzystora P (I_C , U_CE) nie może być zatem ustalona ani w obszarze nasycenia, w którym zmiany prądu bazy nie powodują zmian prądu kolektora, ani w obszarze zablokowania (odcięcia), w którym praktycznie tranzystor nie przewodzi (rys. 12). A zatem na charakterystykach wyjściowych można wyróżnić kilka zakresów (obszarów) związanych z polaryzacją złączy emiter-baza i baza-kolektor: zakres aktywny (obszar pracy dopuszczalnej), w którym tranzystor ma właściwości wzmacniające, zakres nasycenia (obydwa złącza spolaryzowane w kierunku przewodzenia) i zakres odcięcia (obydwa złącza spolaryzowane w kierunku zaporowym). Zakres aktywny ograniczony jest ponadto przez hiperbolę mocy maksymalnej P_a, jaka może wydzielić się na tranzystorze, maksymalnym prądem kolektora I_Cdop (od kilkudziesięciu mA do kilkudziesięciu A) i dopuszczalnym napięciem kolektor-emiter U_CEdop (wynika ze zjawiska powielania lub przebicia lawinowego w złączu kolektorowym, wartość od kilkunastu do kilku tysięcy V).

Rys. 1. Charakterystyka wyjściowa tranzystora w układzie WE

A - obszar nasycenia, B - obszar odcięcia, C, D, E - obszary pracy niedopuszczalnej

Wzmacniacz tranzystorowy składa się z tranzystora, obwodu wejściowego (wejścia), do którego doprowadzana jest energia ze źródła wzmacnianego sygnału oraz obwodu wyjściowego (wyjścia), do którego dołącza się odbiornik wzmocnionego sygnału (obciążenie).

Oprócz głównego źródła zasilającego, we wzmacniaczu mogą występować też inne źródła zasilania konieczne do odpowiedniego spolaryzowania tranzystora, lecz nie będące źródłem wzmacnianej energii.

We wzmacniaczu jest zawsze zwiększana moc sygnału wejściowego, czyli iloczyn I i U, chociaż można to osiągnąć przez zwiększenie tylko jednego z czynników tego iloczynu, a więc przez wzmocnienie prądu lub napięcia. Mówi się wtedy o wzmacniaczu prądowym lub napięciowym. Gdy celem wzmocnienia sygnału jest uzyskanie jego dużej mocy, to wzmacniacz taki nazywa się wzmacniaczem mocy.

Do podstawowych parametrów charakteryzujących właściwości wzmacniacza należą: wzmocnienie (współczynnik wzmocnienia), sprawność, impedancja wejściowa i wyjściowa, wejściowe i wyjściowe napięcie znamionowe, zakres częstotliwości wzmacnianych sygnałów (pasmo przenoszenia).

Najważniejszym parametrem każdego wzmacniacza jest współczynnik wzmocnienia k, definiowany jako stosunek wartości sygnału wyjściowego do sygnału wejściowego. W zależności od tego czy sygnałem wzmacnianym jest prąd, napięcie względnie moc współczynnik k oznaczamy k_i, k_u albo k_p i nazywamy odpowiednio współczynnikiem wzmocnienia prądowego, napięciowego lub mocy. Wartości tych współczynników zależą od zastosowanego układu połączeń tranzystora ze źródłem napięcia zasilającego i obciążeniem.

Najprostsze układy wzmacniające przedstawia rysunek 2.

a) b) c)

Rys. 2. Schematy układów prostych wzmacniaczy tranzystorowych: a) w układzie wspólnego emitera WE, b) w układzie wspólnego kolektora WC, c) w układzie wspólnej bazy WB

Każdy z tych układów składa się z tranzystora bipolarnego, dwóch źródeł napięcia stałego, służących do polaryzacji tranzystora oraz źródła sygnału sinusoidalnego wejściowego i rezystora, będącego odbiornikiem sygnału wejściowego. Rozpatrzmy dla tych układów, jaką wartość osiągają współczynniki wzmocnienia prądowego k_i, przy założeniu, że I_B = 0,01I_C, a I_E = I_C (w rzeczywistości I_C = (0,9-0,98)I_E).

W układzie WE przedstawionym na rysunku 2a

w układzie WC pokazanym na rysunku 2b

zaś w układzie WB (rys. 2c)

W stosowanych układach wzmacniających wartości współczynników wzmocnienia przedstawiają się następująco:

w układzie wspólnego emitera (WE) - k_u = 100-1000, k_i = 1-200;

w układzie wspólnej bazy (WB) - k_u = 100-1000, k_i =0,95-0,99;

w układzie wspólnego kolektora (WC) - k_u = 0,95-0,99, k_i =100-1000,

zaś współczynnik wzmocnienia mocy k_p = k_i∙k_u i dla układu WE może osiągać wartości rzędu kilkuset tysięcy.

Zasada działania wzmacniacza zostanie przedstawiona na przykładzie wzmacniacza tranzystorowego pracującego w układzie WE (rys. 3).

We wzmacniaczu baza oraz kolektor są zasilane z baterii o napięciach U_B oraz U_C. W obwód kolektora jest włączona rezystancja R_O. Dla obwodu wyjściowego obowiązuje zależność: U_CE = U_C - R_OI_C, a zatem
. Zależność tę nazywamy charakterystyką roboczą układu lub inaczej prostą pracy. Obrazuje ona zależność prądu i napięcia na rezystancji R_O. Przecięcie tej prostej z charakterystyką wyjściową dla początkowego prądu bazy I_BO odpowiada początkowemu punktowi pracy P (przy u₁=0). Doprowadzenie do obwodu wejściowego wzmacniacza napięcia sinusoidalnie zmiennego powoduje przepływ prądu bazy o przebiegu identycznym z napięciem wejściowym i przesuwanie się punktu pracy tranzystora wzdłuż charakterystyki roboczej między punktami P' i P''. Spowoduje to zmiany prądu kolektora oraz spadku napięcia na rezystancji odbiornika. Dodatnim przyrostom prądu bazy towarzyszą dodatnie zmiany prądu kolektora i ujemne zmiany napięcia wyjściowego tranzystora U_CE. Zatem napięcie wejściowe i wyjściowe wzmacniacza mają takie same przebiegi i są przesunięte względem siebie w fazie o kąt Л.

Do zasilania tranzystora w zasadzie potrzebne są dwa źródła napięcia stałego. Jednak w praktyce liczbę źródeł zasilających tranzystor ogranicza się do jednego. Najczęściej stosowany układ zasilania tranzystorów, składający się z jednej baterii i dzielnika napięcia, przedstawia rysunek 4. Jest on tak zaprojektowany aby zapewniał stabilizację punktu pracy.

a) b)

Rys.3. Graficzna analiza działania wzmacniacza tranzystorowego w układzie WE: a) schemat układu, b) wpływ parametrów wzmacniacza na położenie punktu pracy

Punkt pracy wzmacniacza zależy od parametrów tranzystora, które zmieniają swoje wartości wraz ze zmianą temperatury. Jeżeli nastąpi wzrost temperatury rośnie prąd i wszystkie krzywe na charakterystyce wyjściowej przesuwają się ku górze, a punkt pracy w lewo po prostej obciążenia. Może się więc zdarzyć, że przesunie się poza obszar aktywny. Niestałość punktu pracy jest nie tylko przyczyną niewłaściwej pracy układu, lecz może prowadzić do zniszczenia tranzystora. Aby temu zapobiec stosuje się różne układy zasilania zapewniające stabilizację temperaturową punktu pracy tranzystora, tzn. przeciwdziałające przesuwaniu się punktu pracy tranzystora, spowodowanego wzrostem temperatury.

W zaprezentowanym na rysunku 4 układzie w obwód emitera włączony jest opornik stabilizacyjny R_E. Rezystory R₁ i R₂ tworzą dzielnik napięcia zasilający bazę, dostarczający napięcia do bazy o określonej i niezmiennej wielkości.

Rys. 4. Schemat wzmacniacza tranzystorowego prądu przemiennego

Zasada stabilizacji: Jeśli temperatura wzrośnie, wzrośnie prąd I_C, a zatem i I_E, to wywoła wzrost spadku napięcia na rezystancji R_E, co przy stałym napięciu U_B, spowoduje zmniejszenie U_BE i prądu I_C, a zatem powrót do poprzedniego punktu pracy.

Im większe R_E we wzmacniaczach, tym skuteczniej działa stabilizacja temperaturowa, ale na R_E tworzy się spadek napięcia stałego redukując użyteczne napięcie, co jest szczególnie niepożądane we wzmacniaczach dużych sygnałów, bo ogranicza zakres sterowania tranzystorów. W przedstawionym układzie mamy do czynienia ze sprzężeniem zwrotnym, które polega na wprowadzeniu na wejście układu sygnału proporcjonalnego (zwrotnego) do sygnału wyjściowego. Sprzężenie zwrotne może być dodatnie (wprowadzenie sygnału zwrotnego na wejście powoduje wzrost sygnału wyjściowego) lub ujemne (zmniejszenie sygnału wyjściowego).

Wzmacniacze operacyjne

W technice układów przetwarzających sygnały analogowe, w miejsce elementów i układów o konkretnych wyspecjalizowanych cechach i przeznaczeniu wprowadzono układy uniwersalne, utworzone ze złożonych struktur scalonych umożliwiających ich zastosowanie do różnych skomplikowanych operacji liniowych i nieliniowych. Układem takim jest wzmacniacz operacyjny (WO).

Wzmacniacz operacyjny jest wzmacniaczem prądu stałego o bardzo dużym wzmocnieniu. Jego nazwa wywodzi się od pierwotnego zastosowania do wykonywania operacji matematycznych (np. sumowania, logarytmowania, różniczkowania, całkowania itp.) w maszynach analogowych.

Na świecie produkuje się kilkadziesiąt podstawowych typów wzmacniaczy operacyjnych
o parametrach dobranych do konkretnych celów. Wzmacniacze operacyjne dzieli się na kilka grup: ogólnego przeznaczenia, szerokopasmowe o szybkiej odpowiedzi, do zastosowań dokładnych i do zastosowań specjalnych. Schemat ideowy najbardziej obecnie rozpowszechnionego uniwersalnego wzmacniacza operacyjnego przedstawiono na rysunku 5.

Rys. 5. Schemat ideowy uniwersalnego wzmacniacza operacyjnego μA 741

Na rysunku 6 przedstawiono symbol wzmacniacza operacyjnego. Ma on ma dwa wejścia symetryczne i jedno wyjście niesymetryczne. Wejście, któremu odpowiada przesunięcie fazy sygnału wyjściowego o kąt Π rad, nazywa się odwracającym i oznaczone jest (-), drugie, nie zmieniające sygnału wyjściowego - nieodwracającym i oznaczone jest (+). Wzmacniacz operacyjne zasila się z dwóch źródeł napięcia o przeciwnych znakach +U_Z i -U_Z połączonych ze wspólnym punktem odniesienia zwanym masą.

Rys. 6. Symbol oraz sposób zasilania wzmacniacza operacyjnego

Wzmacniacze operacyjne w przeważającej większości zastosowań pracują z pętlą napięciowego ujemnego sprzężenia zwrotnego. W tym celu część napięcia wyjściowego jest podawana zwrotnie na wejście odwracające. Właściwości obwodu sprzężenia zwrotnego decydują w głównej mierze o właściwościach całego układu ze wzmacniaczem operacyjnym. Zależnie od tego, które z wejść wzmacniacza jest wejściem odniesienia, a do którego doprowadzany jest sygnał, rozróżnia się dwa podstawowe układy pracy: układ odwracający (fazę sygnału wyjściowego) oraz układ nieodwracający.

---