ZESPÓŁ SZKÓŁ Nr 9 im. Romualda Traugutta

W KOSZALINIE

Przygotowanie teoretyczne

Temat ćwiczenia:

Badanie układów OB, OC, OE

Koszalin rok szk. 2004/2005

Tranzystory bipolarne jako elementy trójkońcówkowe mogą być stosowane w trzech podstawowych konfiguracjach:

• wspólnego emitera OE

• wspólnego kolektora OC

• wspólnej bazy OB

Przez elektrodę wspólną płyną prądu (składowe zmienne) oczka (obwodu) wejściowego i wyjściowego, jak to symbolicznie zostało pokazane na rysunku poniżej.

Rys. 1. Ilustracja prądów oczek wejściowego i wyjściowego

Zazwyczaj elektroda wspólna ma zerowy potencjał zmienny względem masy układu.

Konfiguracje OC i OE zapewniają duże wzmocnienie prądowe (rzędu β_o fazy), a konfiguracje OC i OB - duże (zbliżone co do wartości) wzmocnienie napięciowe. Wzmocnienie napięciowe układu OC i wzmocnienie prądowe układu OB - są mniejsze od jedności. Z powyższych rozważań wynika, że konfiguracja OE może jednocześnie zapewnić znaczne wzmocnienie prądowe i napięciowe - a więc również największe wzmocnienie mocy.

Parametr	Konfiguracja tranzystora
		OE	OC	OB
Ku	duże	<1	duże
Ki	duże	duże	<1
Kp	b. duże	niewielkie	niewielkie
Zwe	średnia	Duża zależna od Zobc	mała
Zwy	średnia	Duża zależna od Zg	b. duża

Tabela 1. Właściwości tranzystorów bipolarnych w różnych konfiguracjach

Duże wzmocnienie mocy w konfiguracji OE osiąga się przy przybliżonych impedancjach źródła i obciążenia. Dzięki temu uzyskuje się bardzo duże wzmocnienia przy kaskadowym łączeniu stopni OE, nawet przy ich niedopasowaniu (gdy jeden stopień obciążony jest bezpośrednio impedancją wejściowa stopnia następnego).

Konfiguracja OC charakteryzuje się dużą zależnością impedancji wejściowej od obciążenia i impedancji wyjściowej od Z_g.

1. Układy pracy tranzystorów we wzmacniaczach

1. Układ ze wspólnym emiterem OE

Układ ze wspólnym emiterem OE jest najpowszechniej stosowaną konfiguracją tranzystora bipolarnego we wzmacniaczu małej częstotliwości. W układzie tym źródła napięć stałych E_C i E_B służą do spolaryzowania złączy emiterowego i kolektorowego tranzystora tak, aby znajdował się on w stanie aktywnym. Sygnał wejściowy doprowadza się miedzy bezę a emiter tranzystora. Sygnał wyjściowy pobiera się z kolektora.

Rys. 2. Wzmacniacz w ukadzie OE

Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza wynosi:

K_u =

Jeżeli uwzględni się pominiętą dotychczas zależność prądu I_c od napięcia U_ce to powyższy wzór przyjmuje postać:

K_u = - β_o

Znak minus w tym wzorze oznacza, że układ odwraca fazę sygnału wejściowego.

Rezystancja wejściowa r_we wzmacniacza w układzie OE składa się z równolegle połączonej rezystancji baza-emiter r_be tranzystora (rezystancji wejściowej tranzystora) i rezystancji obwodu polaryzacji bazy R_b

r_we = r_be

Podobnie rezystancja wyjściowa wzmacniacza w tym układzie składa się z równolegle połączonej rezystancji kolektor-emiter r_ce tranzystora (rezystancji wyjściowej tranzystora) i rezystancji R_c.

r_wy = r_ce

Wzmocnienie prądowe natomiast zależy od rezystancji obciążenia R_o

K_i = -

Gdy R_o dąży do 0 to K_i dąży do -β_o

Sygnał wejściowy może być również zmienny w czasie. W takim przypadku prądy i napięcia tranzystora zawierają składowe stałe związane z polaryzacją i nałożono na nie dużo mniejsze składowe zmienne, związane z przenoszeniem sygnału. Podane w zależności obowiązują również dla wartości skutecznych i na maksymalnych składowych zmiennych.

Sygnały zmienne często doprowadza się do wzmacniacza prze kondensator C_B, a obciążenie dołącza się poprzez kondensator C_c. Kondensatory sprzęgające C_B i C_C pozwalają odseparować składowe zmienne od składowych stałych. Reaktancje tych kondensatorów w paśmie przenoszenia wzmacniacza są bardzo małe; dla sygnałów zmiennych stanowią one zatem „zwarcie”.

Właściwości układu:

• w zakresie małych i średnich częstotliwości, przy obciążeniu rezystancyjnym, układ odwraca fazę o 180⁰

• układ zapewnia dość duże wzmocnienie napięciowe i prądowe oraz duże wzmocnienie mocy

• rezystancja wejściowa układu jest umiarkowanie mała, zaś wyjściowa umiarkowanie duża

Właściwości układu OE są zestawione i porównane z układami OC i OB w tabeli 1.

1. Układ ze wspólnym kolektorem OC

Układ OC ze wspólnym kolektorem nazywa się tez wtórnikiem emiterowym. Napięcie wejściowe jest przyłożone między bazę a emiter. Wskutek doprowadzenia tego napięcia zmienia się prąd kolektora I_C, a więc i emitera I_E tranzystora. W wyniku tego zmienia się spadek napięcia na rezystorze R_E. będący sygnałem wyjściowym.

Rys. 3. Wzmacniacz w układzie OC

Ponieważ napięcie U_BE baza-emiter tranzystora zniemia się tylko nieznacznie przy zmianach prącu kolektora, to napięcie wyjściowe jedwse prawie takie samo jak napięcie wejściowe

ΔU_RE = U_wy ≈ U_we

Wynika z tego, że wzmocnienie napięciowe

K_u =

Potencjał emitera tranzystora nadąża za potencjałem bazy (stąd nazwa układu - wtórnik emiterowy).

Właściwości układu:

• w zakresie małych częstotliwości przy obciążeniu rezystancyjnym nie odwraca fazy sygnału wejściowego,

• wzmocnienie prądowe jest tego samego rzędu co wzmocnienie układu OE,

• wzmocnienie napięciowe jest bliskie jedności, stąd nazw wtórnik,

• rezystancja wyjściowa jest małe, a wejściowa może być duża. Rezystancję wejściową zmniejsza znacznie bocznikujące działanie rezystorów polaryzujących bazę

• układ transformuje rezystancję z obwodu emitera do obwodu bazy jako rezystancję (β₀ +1) razy większą, natomiast każda rezystancję z obwodu bazy przenosi do obwodu emitera jako rezystancję (β₀ +1) razy mniejszą.

Dlatego często nazywa się go transformatorem rezystancji.

Właściwości układu OC są zestawione i porównane z układami OE i OB w tabeli.

1. Układ OB ze wspólna bazą

Układ ze wspólną bazą był często stosowany w początkach rozwoju układów tranzystorowych, ze względu na stabilność pracy i korzystne właściwości w zakresie wielkich częstotliwości. Obecnie jest on wykorzystywany we wzmacniaczach wielkiej częstotliwości.

Rys. 4. Schemat wzmacniacza w układzie OB

Układ OB ma następujące właściwości:

• w zakresie małych częstotliwości, przy obciążeniu rezystancyjnym nie odwraca fazy sygnału wejściowego,

• wzmocnienie napięciowe jest zbliżone do wzmocnienia w układzie OE,

• wzmocnienie prądowe jest mniejsze od jedności,

• Rezystancja wejściowa jest bardzo mała (
  razy większa niż w układzie OE), rezystancja wyjściowa zaś bardzo duża (
  razy większa niż w układzie OE). Główną wadą tego układu są niekorzystne wartości rezystancji wejściowej.

Właściwości układu OB. Są zestawione i porównane z układami OE i OC w tabeli 1.

Do tej pory rozpatrywane były właściwości wzmacniaczy w zakresie średnich częstotliwości, gdyż elementy reaktancyjne można było ominąć. W rzeczywistości występują ograniczenia częstotliwościowe w pracy wzmacniacza, a charakterystyka amplitudowa ma postać jak na rysunku.

Rys. 5. a) charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza z tranzystorem bipolarnym w układzie OE; b) uproszczony schemat do wyjaśnienie zjawiska Millera.

1. Wzmocnienie w zakresie małych częstotliwości

Na wzmocnienie w zakresie małych częstotliwości wpływają pojemności sprzęgające i blikujące układy zasilania tranzystora. Reaktancje tych elementów są wtedy znaczne, co ogranicza wzmocnienia. Przykładowo, dla wzmacniacza w układzie OE dolne częstotliwości graniczne (3 dB) wynikające z obwodów sprzęgających mają wartości:

f_d1 =

dla obwodu wejściowego

f_d2 =

dla obwodu wyjściowego.

Wzmacniacz dobrze przenosi małe częstotliwości wówczas, gdy stałe czasowe obwodu wejściowego τ_we = (r_we + R_g ) C_B i obwodu wyjściowego τ_wy = (r_wy + R₀ )C_C są duże, a wiec przy doborze dużych wartości pojemności sprzęgających.

2. Wzmocnienie w zakresie dużych częstotliwości

W zakresie dużych częstotliwości najistotniejszym ograniczeniem jest zależność od częstotliwości współczynników wzmocnienia prądowego
i 
. Współczynniki te ze wzrostem częstotliwości maleją. O górnej częstotliwości granicznej układu OE decyduje częstotliwość f_β tranzystora, natomiast układu OB częstotliwość f
_. Ponieważ f_β = < f
 to układ OB przenosi znacznie większe pasmo częstotliwości niż układ OE.

Częstotliwość górną pasma przenoszenia wzmacniacza ograniczają również pojemności tranzystora baza - kolektor C_bc i baza - emiter C_be oraz pojemności montażowe.

W Układzie OE pojemność wejściowa pokazana na rysunku 5 b) składa się z połączonych równolegle pojemności C_be tranzystora i przeniesionej pojemności baza-kolektor

C_we = C_be + C_bc (1+
)

Ta przeniesiona pojemność wejściowa tłumi sygnał, a wiec zmniejsza wzmocnienie i impedancję wejściową. Zmniejszanie wzmocnienia jest tym większe, im większa jest częstotliwość sygnału. Ograniczenie pasma częstotliwości przez pojemność wejściową jest istotne zwłaszcza w układzie OE, ze względu na efekt Millera.

Reasumując, można stwierdzić, że układy OE i OC mają duże wzmocnienie prądowe, układy OE i OB., przewyższają pod tym względem pozostałe dwa układy. Najlepsze właściwości częstotliwościowe ma układ OB., a najkorzystniejsze wartości impedancji wejściowej i wyjściowej układ OC, często z tego powodu stosowany w praktyce jest układ dopasowujący.

4

Badanie układów OB, OC, OE

3

Przygotowanie teoretyczne.

2

Badanie układów OB, OC, OE

---