Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
Tranzystory
dla poczÄ…tkujÄ…cych
część 17
Wzmacniacz OB i inne cegiełki
W poprzednich odcinkach wgłębialiśmy się w zawiłości wzmacniaczy tranzystorowych ze wspólnym kolektorem
i wspólnym emiterem. Wiesz bardzo dużo na ten temat i niewątpliwie ta wiedza przyda się w praktyce.
W najbliższych odcinkach przestawione zostaną nie tylko wzmacniacze ze wspólną bazą,
ale też kilka innych ważnych i potrzebnych układów.
Wzmacniacz U1 wyznacza napięcie na RE, a tym sa- Gdy zmienimy napięcie w punkcie
mym prąd płynący przez RE [IE=(U1- A o 0,5V w stronę napięć ujemnych, na-
ze wspólną bazą - OB
0,6)/RE]. Zakładając duże wzmocnienie pięcie na RE zwiększy się. Wzrośnie też
Prosty przykład wzmacniacza OB znaj- prądowe tranzystora możemy przyjąć, iż prąd IE, a tym samym IC i napięcie wyj-
r
y
s
u
n
k
u
1
dziesz na rysunku 1. Choć układ wygląda prąd kolektora jest równy prądowi emite- ściowe. Sytuację w układzie pokazuje ry-
trochę dziwnie, bo sygnał wejściowy po- ra (pomijamy niewielki prąd bazy). Napię- sunek 2b.
dawany jest na emiter, tym razem analiza cie na kolektorze to napięcie zasilania U2, Gdy z kolei zmienimy napięcie w punk-
pójdzie szybko. Zaczniemy ją jednak od pomniejszone o spadek napięcia na RC cie A o 0,5V w stronę napięć dodatnich,
rysunku 2. (równy IC*RC, w przybliżeniu IE*RC). napięcie na RE zmniejszy się, i odpowie-
r
y
s
u
n
k
u
2
Zauważ, że o wszystkim decyduje dnio zmaleje prąd emitera (i kolektora).
prąd emitera (i równy mu prąd kolektora). Sytuację pokazuje rysunek 2c.
Rys. 1
R
y
s
.
1
Niech na poczÄ…tku sytuacja wyglÄ…da
jak na rysunku 2a. Najpierw dla upro-
szczenia załóżmy, że napięcie UBE w cza-
sie pracy zawsze wynosi 0,6V. Napięcie Rys. 2
R
y
s
.
2
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99 37
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
Zmiany napięcia na kolektorze są dzie- zwarta z masą. Możemy i powinniśmy dziemy się w to wgłębiać, bo okazałoby
sięć razy większe niż w punkcie A - sto- przyjąć, że napięcie na bazie się nie zmie- się, że przy większych częstotliwościach
pień ma wzmocnienie równe 10. To nia - mówiąc slangiem - jest sztywne jak trzeba uwzględniać także wewnętrzne
znów nie jest przypadek - wartość drut. pojemności, i oporność wejściowa nie
wzmocnienia napięciowego wyznaczona Przez tranzystor płynie spoczynkowy jest wtedy czystą rezystancją.
jest przez stosunek rezystorów RC/RE. prąd stały wyznaczony najpierw przez na-
Natomiast wzmocnienie prądowe jest pięcie bazy (ustala to dzielnik RB1, RB2),
praktycznie równe 1 - prąd wyjściowy a dalej przez napięcie emitera i wartość
(kolektora) jest równy prądowi wejścio- rezystora RE. Oczywiście prąd kolektora
wemu (emitera). jest praktycznie równy prądowi emitera
Zwróć uwagę, że z
ródło U1 musi do- (pomijamy niewielki prąd bazy).
starczyć cały prąd emitera. Musi to więc A teraz odpowiedz: jaka będzie rezy-
być z
ródło o znacznej wydajności prądo- stancja wejściowa wzmacniacza z rysun-
wej. Inaczej mówiąc, wzmacniacz ze ku 1 dla przebiegów zmiennych? Czy bę-
wspólną bazą ma bardzo małą oporność dzie równa RE czy raczej re? A może su-
wejściową - jaką? W układzie z rysunku 2 mie RE+re?
jest to rezystancja RE. Możesz to spraw- Masz problem?
dzić, obliczając rezystancję dynamiczną, Nie czytaj na razie dalszego ciągu -
czyli stosunek zmian napięcia do zmian spróbuj samodzielnie znalez
ć odpowiedz
.
prądu (Rwe = "Uwe/"Iwe= "U1/"IE). Będzie to mały teścik, na ile naprawdę
Nietrudno się domyślić, że oporność czujesz zależności w układach tranzysto-
wyjściowa jest równa oporności kolekto- rowych.
Rys. 5
R
y
s
.
5
rowej RC, podobnie jak w układzie OE. ...
Jasne? No i do czego doszedłeś? Po drugie, ze względów, o których
Jeśli tak, to chyba nie będziesz miał Na podstawie rysunku 1 powinieneś opowiem Ci za chwilę, wzmacniacz OB
kłopotów z określeniem rezystancji wej- narysować schemat zastępczy dla prze- pozwala na pracę przy częstotliwościach
r
y
ściowej oraz wzmocnienia układu z ry- biegów zmiennych - celowo nie zamieści- zdecydowanie wyższych, niż układ OE.
sunku 3a. łem tego rysunku na tej stronie, żeby Ci Stąd układ OB stosowany jest tam, gdzie
s
u
n
k
u
3
a
nie ułatwiać zadania. Punktem trzeba uzyskać dużą szybkość stopnia,
odniesienia - masÄ…, jest baza czyli szerokie pasmo przenoszonych czÄ™-
tranzystora (w końcu jest to stotliwości. Dotyczy to zarówno typo-
układ OB). Ponieważ dla przebie- wych wzmacniaczy w.cz., jak i wszelkich
gów zmiennych kondensator CB szybkich wzmacniaczy.
zawiera bazÄ™ z minusem zasila- I to w zasadzie wszystko, co powinie-
nia, więc... ostatecznie rezystan- neś wiedzieć o układzie OB. Wzmacnia-
cja wejściowa jest równa równo- czy w układzie OB praktycznie nie bę-
ległemu połączeniu RE i re - prze- dziesz stosował. Chyba, że chcesz budo-
r
y
s
u
n
k
i
analizuj starannie rysunki wać wzmacniacze na zakres wysokiej
4a i 4b zamieszczone na końcu częstotliwości. Ale to jest dość trudne za-
4
a
4
b
artykułu. Ponieważ jednak danie, więc będziesz się musiał jeszcze
w praktyce RE ma wartość dużo sporo nauczyć.
większą od re, więc bez sporego
Rys. 3
R
y
s
.
3
Gdzie te wzmacniacze?
błędu możemy mówić, że rezy-
Trzeba tu pamiętać o omówionej we stancja wejściowa układu z rysunku 1 dla Czy po zapoznaniu się z podstawowy-
wcześniejszych odcinkach wewnętrznej przebiegów zmiennych jest równa re. Pa- mi konfiguracjami wzmacniaczy tranzy-
rezystancji emiterowej re, którą na rysun- miętaj, że rezystancja ta zależy od prądu storowych nie masz przypadkiem uczucia
ku 2 pominęliśmy, zakładając stałe napię- (re=26mV/Ic) i jej wartość wynosi kilka do niedosytu? Zarówno w szkole, jak i w na-
cie UBE równe 0,6V. Rysunek 3b uzasa- kilkunastu omów. szym cyklu wałkujemy szczegółowo te
dnia, że wzmocnienie napięciowe stop- Tak jest - wzmacniacz OB ma bardzo nieszczęsne wzmacniacze OE, OC, OB.
nia jest równe RC/re, przy czym rezystan- małą rezystancję wejściową (dla porów- I co?
cja wejściowa jest bardzo mała, równa re. nania przypominam, że układ OE ma rezy- Gdy wez
miesz do ręki schemat jakie-
O "wewnÄ™trznej rezystancji emiterowej" stancjÄ™ ²*re). Wbrew pozorom nie jest to goÅ› "prawdziwego" wzmacniacza, na
re szeroko mówiliśmy w jednym z po- dyskwalifikującą wadą. Po pierwsze układ przykład Giganta 2000 (przedruk z Elekto-
przednich odcinków. OB wykorzystywany jest przede wszyst- ra w poprzednim numerze EdW str. 14),
W praktyce zazwyczaj nie stosujemy kim w układach w.cz., a tam oporności ro- to nie doszukasz się poznanych właśnie
zasilania podwójnym napięciem, tylko bocze są rzędu 50 czy 75&! i stosunkowo elementarnych stopni OC, OE, OB. No,
stosujemy układ podobny do tego z ry- łatwo można dopasować oporność wej- może uda Ci się zidentyfikować parę
sunku 1 (na początku artykułu). Wróćmy ściową tranzystora do typowej oporności tranzystorów w układzie OC, ale... w ob-
do niego. Dzielnik RB1, RB2 ustala napięcie roboczej 50 czy 75&!. Można to robić na wodach stabilizatorów napięcia. Może
na bazie. Obecność kondensatora CB kilka sposobów, między innymi dodając rozpoznasz jeszcze jakieś z
ródła prądo-
r
y
s
u
n
k
u
5
gwarantuje, że na bazie nie ma żadnych rezystor RE1 wg rysunku 5. Co prawda we... I chyba nic poza tym!
napięć zmiennych (gdyby nawet pojawiły zmniejsza to wzmocnienie, ale zwiększa Czarna rozpacz!? Dziesiątki tranzysto-
się niewielkie zmiany wynikające ze zmian rezystancję wejściową i liniowość stop- rów są połączone w jakiś pokrętny spo-
prądu bazy, kondensator je odfiltruje). nia. Można też dopasować oporności ina- sób, a Ty prawie nic z tego nie rozumiesz.
Dla przebiegów zmiennych baza jest czej, za pomocą elementów L, C. Nie bę-
38 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
Tak to jest w życiu. Choć znajomość tora przenoszą się przez nią z powrotem niacza OB. Można powiedzieć, że dolny
wzmacniaczy OC, OE, OB jest wręcz nie- na bazę, zmniejszając wzmocnienie. Czy tranzystor wzmacnia prąd, a górny napię-
zbędna, jest to dopiero wstęp do wiedzy zawsze? cie. Dzięki takiemu połączeniu, kaskoda
o wzmacniaczach. Właśnie artykuł z Elek- Na pewno zjawisko to najsilniej wystę- łączy zalety układów OB i OE i jest stoso-
tora i zamieszczone tam rozważania pro- puje właśnie w układzie OE, bo sygnały wana zwłaszcza we wzmacniaczach wy-
jektowe znakomicie to udowadniają. Aby użyteczne występują tam na kolektorze sokiej częstotliwości i szerokopasmo-
samodzielnie zaprojektować tranzystoro- i na bazie. W układzie OC na kolektorze wych. Kaskoda pozwala na uzyskanie du-
wy wzmacniacz mocy do domowego ze- tranzystora sygnały zmienne nie wystę- żych napięć wyjściowych dzięki zastoso-
stawu audio lub do dyskoteki, nie wystar- pują, więc nie powinno być tego proble- waniu wysokonapięciowego górnego
czy poznać konfiguracje OC, OE, OB. Wy- mu. Podobnie... no właśnie... w układzie tranzystora (nawet o niezbyt dobrych pa-
magana jest bardzo rozległa wiedza, i to OB też nie ma problemu, bowiem na ba- rametrach) i dobrego dolnego tranzysto-
nie tylko o podstawowych układach, blo- zie nie występują sygnały zmienne. Dla ra, który w dużym stopniu decyduje
kach i "chwytach". Tranzystor tranzystoro- przebiegów zmiennych baza jest zwarta o właściwościach całego stopnia. Tyle
wi nie równy. W ekstremalnych warun- do masy i to, co ewentualnie przeniesie powinieneś wiedzieć o kaskodzie.
kach pracy, przy dużych mocach, napię- się z kolekto-
ciach i prądach, dają o sobie znać dodat- ra przez po-
kowe cechy zarówno zastosowanych roz- jemność, zo-
wiązań układowych, jak i użytych podze- staje zwarte
społów. Dlatego niełatwo zaprojektować do masy.
dobry wzmacniacz tranzystorowy. Po za- Rzeczywi-
projektowaniu własnego wzmacniacza, ście, wzmac-
a nawet po skopiowaniu jakiegoÅ› znane- niacz OE ma
go z literatury, zazwyczaj pojawiajÄ… siÄ™ w zakresie
przykre niespodzianki w postaci samo- wy s ok i c h
wzbudzenia, nadmiernych zniekształceń częstotliwo-
i podwyższonych szumów. I dopiero wte- ści właściwo-
dy zaczyna się problem - co zrobić, by zli- ści znacznie
kwidować te wady? Niektórzy próbują gorsze, niż
znalez
ć rozwiązanie "na macanego", me- wzmacniacz
todą ślepca, inaczej mówiąc metodą prób z tym samym
i błędów. Tylko nieliczni doświadczeni tranzystorem
konstruktorzy mają na tyle dużą wiedzę, w układzie
żeby przeanalizować zagadnienie "od ko- OC lub OB.
rzeni" i od razu obliczyć oraz zapropono- A wszystko
wać sensowny układ. W ramach niniej- ze względu
Rys. 6
R
y
s
.
6
szego cyklu nie sposób przekazać całej na tę szkodli-
Darlington
wiedzy o wzmacniaczach, zwłaszcza że wą pojemność między kolektorem a bazą
w dużej mierze opiera się ona na indywi- i szkodliwy sygnał ujemnego sprzężenia Z określeniem tranzystor Darlingtona,
dualnych doświadczeniach. Nie znaczy to zwrotnego przenoszący się z kolektora na albo krócej (i nieprecyzyjnie) Darlington
jednak, iż nie warto próbować, zaczyna- bazę. Jednak wzmacniacz OE ma cenne lub darlington, na pewno się już spotka-
jąc od prostszych konstrukcji, o mniejszej zalety. Szkoda z nich rezygnować. Aby łeś. Może uważasz, że ten "darlington" to
mocy. Eksperymentować trzeba! Nawet wyeliminować szkodliwy wpływ wspo- rodzaj tranzystora o bardzo dużym
nieudane próby czegoś uczą. Wcześniej mnianej pojemności, należałoby wyna- wzmocnieniu. Sugeruje to wiele dzisiej-
trzeba jednak poznać kolejne elementar- lez
ć taki wzmacniacz OE, w którym zmia- szych katalogów. Tymczasem gość o na-
ne cegiełki, stosowane do budowy ny napięcia na kolektorze są jak najmniej- zwisku Darlington nie wynalazł nowego
"prawdziwych" wzmacniaczy. Zajmijmy sze. Niemożliwe? Wzmacniacz taki typu tranzystora, tylko wykombinował
się kilkoma takimi cegiełkami. (w wersji bardzo uproszczonej) pokazany genialnie prosty układ. Połączył mianowi-
r
y
s
u
n
k
u
6
a
d
w
a
t
r
a
n
z
y
s
t
o
r
y
jest na rysunku 6a. Taki dwutranzystoro- cie dwa tranzystory. Uzyskał element,
Kaskoda
wy układ nazywamy kaskodą (nie pomyl który zachowuje się jak zwykły tranzy-
Czy słyszałeś o zjawisku (lub pojemno- z kaskadą). Zauważ, że dolny tranzystor stor, ale ma bardzo duże wzmocnienie
u
k
Å‚
a
d
D
a
r
l
i
n
g
t
o
n
a
ści) Millera? Informacje na ten temat (T1) pracuje w układzie OE, a górny (T2) - prądowe. Typowy układ Darlingtona
r
y
znajdziesz w każdym podręczniku elek- OB. Co najważniejsze, choć prąd kolekto- w wersjach NPN i PNP zobaczysz na ry-
s
u
n
k
u
7
troniki. Nie będę Ci tłumaczył szcze- rów obu tranzystorów zmienia się w takt sunku 7.
gółów. Omówimy problem w sposób sygnału, napięcie na kolektorze dolnego Zauważ, że ten twór zachowuje się tak
uproszczony. Odszukaj w EdW 11/98 na tranzystora jest praktycznie niezmienne, jak zwykły tranzystor. Znaczącą różnicą
stronie 65 rysunek 3 przedstawiający cały czas o około 0,6V mniejsze od napię- jest tylko większe napięcie UBE wymaga-
schemat - model tranzystora (Ebersa- cia U1. A jeśli zmiany napięcia na kolekto- ne do jego otwarcia (dwukrotnie większe
Molla). Możesz także zerknąć na zamie- rze są bardzo małe, to szkodliwy wpływ niż w zwykłym tranzystorze). Co bardzo
szczony tam rysunek 4. Nietrudno się do- pojemności kolektor-baza tego dolnego ważne, wynalazek ten ma bardzo duże
myÅ›lić, że obecność pojemnoÅ›ci miÄ™dzy tranzystora jest znaczÄ…co zredukowany. wzmocnienie prÄ…dowe: ² = ²1 * ²2.
kolektorem a emiterem ma niekorzystny Czyli dolny tranzystor pracuje w układzie Sprawdz
- już przy wzmocnieniu każdego
wpływ na właściwości wzmacniacza. OE, ale zmiany napięcia na jego kolekto- z tranzystorów równym 50, wypadkowe
Wraz ze wzrostem częstotliwości opor- rze są minimalne, bo pracuje on na nie- wzmocnienie prądowe wyniesie 2500!
ność (reaktancja pojemnoÅ›ciowa) kon- wielkie obciążenie re górnego tranzystora A przy ²1=²2=200 wzmocnienie wynosi
r
y
s
u
n
e
k
6
b
densatora maleje - a więc przy większych - porównaj rysunek 6b. Górny tranzystor 40 tysięcy!
częstotliwościach zmiany napięcia kolek- to najprostszy przykład realizacji wzmac- Rewelacja!
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99 39
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
prądu stałego i przy sto- wany darling-
sunkowo małych często- ton "komple-
tliwościach. Ze względu mentarny" -
r
y
s
u
na swe lenistwo nie sÄ… zobacz rysu-
n
e
k
1
1
stosowane nawet do nek 11.
wzmacniaczy mocy audio Zapamiętaj
P
N
P
NPN PNP
N
P
N
wyższej klasy. Ta ospa- ten układ, bo
będziesz go
łość darlingtonów zwięk- Rys. 11
R
y
s
.
1
1
sza poziom zniekształceń; często stosował -
jest on zauważalnie więk- istotną różnicą w stosunku do układu
szy niż we wzmacnia- z rysunku 7 jest to, że do otwarcia "kom-
czach tranzystorowych ze plementarnego" darlingtona wystarczy
Rys. 7
R
y
s
.
7
"zwykłymi" tranzystorami, a tym bardziej napięcie UBE około 0,6V, jak w zwykłym
A przecież możliwe jest też połączenie z MOSFET-ami. tranzystorze, a do otwarcia "klasycznego"
r
y
s
u
n
k
u
8
trzech tranzystorów wg rysunku 8 i wte- Kiedyś zdecydowanie zalecano, by darlingtona napięcie UBE jest dwukrotnie
dy wzmocnienie prądowe będzie rzędu przy samodzielnym składaniu darlingtona większe.
milionów! Jeśli tak, to dlaczego wszyst- z dwóch tranzystorów, dodać rezystor, Nie zapomnij też, że zarówno w "zwy-
r
y
s
u
n
e
k
9
kie produkowane dziś tranzystory nie są jak pokazuje rysunek 9. W przypadku kłych" darlingtonach (wg rysunku 7), jak
tymi cudownymi "darlingtonami"? tranzystorów germanowych było to po- i "komplementarnych" (rys. 11), nawet
trzebne ze względu na duże prądy przy wysterowaniu dużym prądem bazy,
zerowe, płynące także przy braku napięcie "nasycenia" kolektor-emiter nie
prądu bazy. We współczesnych tran- będzie mniejsze niż 0,6...0,9V, zależnie
zystorach krzemowych w tempera- od warunków pracy. W pojedynczym
turze pokojowej prądy zerowe są na- tranzystorze napięcie nasycenia wynosi
prawdę małe, rzędu nanoamperów kilka do kilkuset miliwoltów. W darlingto-
i nie ma konieczności stosowania ta- nach jest inaczej. Napięcie UCE tranzysto-
kiego rezystora. Jedynie w przypad- ra wyjściowego nie może spaść poniżej
ku, gdyby tranzystor T1 miał wysoką 0,6...0,8V - gdyby było niższe, nie mógłby
temperaturę złącza, rezystor taki płynąć prąd bazy T2, który w każdym
może być potrzebny. przypadku musi płynąć przez (nasycony)
Rys. 8
R
y
s
.
8
Czasem jednak stosuje się taki tranzystor T1. O tym zawsze pamiętaj -
Stop! Nie przesadzaj! Znów nic za dar- rezystor do zwiększenia szybkości wyłą- są układy, gdzie muszą być stosowane
mo! Owszem, produkowane dziś darling- czania. Chodzi o to, by szybciej usunąć zwykłe tranzystory właśnie ze względu
tony mają duże wzmocnienie, ale za to są nośniki z obszaru bazy T2. Rezystor przy- na to znaczne napięcie nasycenia darling-
generalnie bardzo wolne. O ile tak zwany spiesza ten proces. W takim przypadku tonów.
"tranzystor małej mocy, małej częstotli- czym ten rezystor ma mniejszą wartość, W następnym odcinku opowiem Ci
wości", na przykład BC108 czy BC548 ma tym szybciej następuje wyłączenie. Nale- o kolejnych typowych "cegiełkach", sto-
częstotliwość graniczną rzędu ży tylko pamiętać, że dodanie rezystora sowanych do budowy praktycznych
300...500MHz, a zwykły tranzystor "dużej zmniejsza wzmocnienie prądowe darling- wzmacniaczy.
mocy, małej częstotliwości" też ma czę- tona - mówiłem Ci nie raz - nic za darmo.
P
i
o
t
r
G
ó
r
e
c
k
i
stotliwość graniczną znacznie powyżej 1 Niekiedy w literaturze spotyka się Piotr Górecki
megaherca, o tyle ogromna większość symbol "darlingtona"
r
y
s
u
n
k
u
1
0
darlingtonów mocy może pracować jedy- jak na rysunku 10, su-
nie do częstotliwości 10...50kHz. Zobacz gerujący, że chodzi tu
rysunek 9 na str. 37 w EdW 1/99. Tak o pojedynczy ele-
więc darlingtony są dobre jedynie do spe- ment, a nie układ
cyficznych zastosowań: w obwodach składający się
z dwóch tranzysto-
rów. Dlatego zamiast
"układ Darlingtona",
obecnie coraz czÄ™-
ściej mówi się "tranzy-
stor Darlingtona" lub
po prostu darlington -
na rynku znajdziesz
mnóstwo takich "tran-
Rys. 4
R
y
s
.
4
zystorów".
Produkowane są także elementy za-
wierające układ
z rezystorem jak
na rysunku 9.
Oprócz zwy-
kłego, klasyczne-
go układu darling-
tona, w praktyce
często jest uży-
R
y
s
.
1
0
Rys. 9 Rys. 10
R
y
s
.
9
40 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99