Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
Tranzystory
dla poczÄ…tkujÄ…cych
część 16
Realizacje praktyczne
Po zapoznaniu się z właściwościami wzmacniacza ze wspólnym emiterem masz wszystkie informacje potrzebne do
samodzielnego zaprojektowania takiego wzmacniacza.
Dziś wspólnie wykonamy dwa przykłady. Co trzeba wiedzieć na wstępie i jekie przyjąć założenia.
2
.
Projektowanie 2. Drugi, przeznaczony do jakiegoś zystancja wyjściowa naszego wzmacnia-
urzÄ…dzenia sygnalizacyjnego ma wzmac- cza 5...10 razy mniejsza od rezystancji ob-
wzmacniacza OE
niać przebiegi zmienne (akustyczne) z mi- ciążenia. Rezystancja wyjściowa wzmac-
W podręcznikach spotkasz różne sche- krofonu elektretowego jak najwięcej, niacza OE jest równa rezystancji rezysto-
maty i różne sposoby obliczeń. Nie ma a poziom zniekształceń nie ma znaczenia. ra w kolektorze - a więc rezystor Rc powi-
jednego, najlepszego schematu i sposo- W każdym przypadku musisz nie tylko nien mieć wartość 1...2,2k&!. Przyjmijmy
bu. Możesz na przykład wykorzystać skupić się na wzmacniaczu, ale też wartość 2,2k&!, by zmniejszyć prąd pobie-
"przejrzysty" układ z rysunku 10 (EdW uwzględnić "co siedzi" na wyjściu i wej- rany przez nasz wzmacniacz. Jeśli
4/99). Nie znaczy, że powinien się on stać ściu. wzmocnienie ma być równe 20, wypad-
podstawÄ… konstruowanych przez Ciebie kowa "rezystancja emiterowa" musi wy-
P
r
z
y
k
Å‚
a
d
1
wzmacniaczy. Czasem wykorzystasz Przykład 1 nieść 110&!. Aby zwiększyć stabilność
któryś układ z rysunku 9. Ale w praktyce Niech w pierwszym przypadku mikro- stałoprądowego punktu pracy, niech rezy-
i tak najczęściej będziesz wykorzystywał fon dynamiczny ma rezystancję wewnę- stancja emiterowa dla prądu stałego RE1
wzmacniacze operacyjne (zajmiemy się trzną 200&!, a wyjście projektowanego wynosi na przykład RC/5, czyli około
tym już niedługo). Tranzystory będziesz wzmacniacza będzie obciążone rezystan- 470&!. Teraz należy jeszcze dobrać rezy-
stosował raczej tylko w układzie wtórnika cją następnego stopnia równą 10k&!. Za- story dzielnika w obwodzie bazy.
(ze wspólnym kolektorem) oraz w ukła- stosujemy układ z rysunku 10. Aby sygnał Przy dobieraniu rezystorów w obwo-
dach przełączających. Ale nie wypada, nie był niepo- dzie bazy należy wziąć pod uwagę kilka
byś nie potrafił w razie potrzeby zaprojek- trzebnie tłu- czynników. Dzielnik należy dobrać tak, by
tować wzmacniacza tranzystorowego. miony, rezy- napięcie stałe na kolektorze było ustawio-
Spróbujmy więc zaprojektować wspólnie stancja wej- ne "w połowie zakresu roboczego". Ponie-
dwa wzmacniacze w układzie OE. ściowa nasze- waż w tym przypadku wzmacniamy nie-
1. Pierwszy - wzmacniacz mikrofonu go wzmacnia- wielkie sygnały mikrofonowe, bez zasta-
1
.
dynamicznego - powinien mieć wzmoc- cza powinna nowienia możemy ustawić napięcie ko-
nienie dla przebiegów zmiennych (aku- być 5...10 razy lektora równe połowie napięcia zasilają-
r
y
stycznych) równe 20, a zniekształcenia większa od re- cego. Dzielnik RB1, RB2 w układzie z ry-
s
u
n
k
u
2
4
powinny być możliwie małe. Napięcie za- zystancji we- sunku 24 ma dać na bazie takie napięcie
silające wynosi 12V. wnętrznej mi- stałe, by na kolektorze napięcie stałe
krofonu, a re- wynosiło około 6V. Wynika stąd,
Rys. 10
R
y
s
.
1
0
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/99 35
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
nieniu co najmniej 100) bę- nienia i w razie potrzeby skorygować
dzie miał rezystancję wejścio- wartość tego czy innego rezystora.
wą nie mniejszą niż W każdym razie zawsze musisz
100*100&! czyli 10k&!. Rezy- uwzględnić zarówno rezystancję z
ródła
stancja wejściowa całego sygnału - wzmacniacz musi mieć rezy-
wzmacniacza dla przebiegów stancję wejściową (kilkakrotnie) większą
zmiennych będzie równa rów- niż rezystancja wewnętrzna z
ródła oraz
noległemu połączeniu tej re- rezystancję obciążenia - rezystancja wyj-
zystancji wejściowej tranzy- ściowa (praktycznie wartość RC) powinna
stora (min. 10k&!) i rezystancji być mniejsza niż zewnętrzna rezystancja
RB1, RB2 (6,8k&!, 36k&!). obciążenia. W przypadku, gdy zewnętrz-
Nietrudno obliczyć, że wy- na rezystancja obciążenia jest mała, nale-
niesie ona co najmniej ży dodać na wyjściu wtórnik emiterowy.
Rys. 24
R
y
s
.
2
4
(10k&!||6,8k&!||36k&!) 3,6k&!.
P
r
z
y
k
Å‚
a
d
2
że prąd kolektora wyniesie około To bardzo dobrze, bo rezystancja wejścio- Przykład 2
6V/2,2k&!=2,7mA, a napięcie na rezysto- wa jest ponad 10 razy większa od rezy- Drugi wzmacniacz ma wzmacniać
rze RE1 1,27V. Stąd napięcie stałe na ba- stancji wewnętrznej mikrofonu (mikrofon przebiegi z dwukońcówkowego mikrofo-
zie (i rezystorze RB2 powinno wynosić 200-omowy nie powinien być obciążony nu elektretowego (który możemy śmiało
mniej więcej 1,27V+0,6V=1,87V, a na RB1 rezystancją mniejszą niż 1k&!). traktować jako z
ródło prądowe), a obcią-
około (12-1,87) 10,13V. Przy założeniu, że Ostatecznie układ będzie wyglądał jak żeniem jest wejście bramki CMOS
nie zastosujemy jakiegoÅ› archaicznego na rysunku 24. (Schmitta). Tym samym rezystancja ob-
tranzystora z odzysku, śmiało możemy Do pełni szczęścia brakuje jeszcze ciążenia tym razem jest bardzo duża i wy-
założyć, że współczynnik wzmocnienia wartości pojemności. Dla najniższych nosi setki megaomów. Zastosujemy
prÄ…dowego ² nie bÄ™dzie mniejszy niż czÄ™stotliwoÅ›ci roboczych (przyjmujemy zmodyfikowany schemat z rysunku 9b -
100. Tym samym prąd bazy nie będzie 20Hz) reaktancja pojemnościowa powin- ostatecznie układ będzie wyglądał jak na
r
y
s
u
n
k
u
2
5
wiÄ™kszy niż 2,7mA/100=27µA. PrÄ…d dziel- na być mniejsza niż współpracujÄ…ca z niÄ… rysunku 25.
nika w obwodzie bazy powinien być kilka- rezystancja. Dla C1 będzie to re-
krotnie większy od maksymalnego zystancja wejściowa (3,6k&!),
spodziewanego prądu bazy. Niech będzie dla C2 - rezystancja RE2 (120&!),
10-krotnie wiÄ™kszy: 10*27µA=0,27mA. dla C3 - RL (10k&!).
Suma rezystancji dzielnika (dla ułatwienia Skorzystamy ze wzoru
pomijamy prąd bazy) wyniesie więc oko- C= 0,16 / (f R)
ło (12V/0,27mA) 44k&!. W pierwszym pamiętając, że gdy podajemy
przybliżeniu (znów pomijając prąd bazy) częstotliwość w hercach, a re-
możemy przyjąć, że stosunek rezystancji zystancję w omach to, wynik
RB1/RB2 musi być równy stosunkowi na- wychodzi w faradach.
pięć na nich występujących czyli, około Stąd minimalne pojemności
(10,13V/1,87V) 5,42 do 1. Nietrudno obli- C1 - 2,2µF
czyć, że rezystancja RB2 wyniesie mniej C2 - 67µF
Rys. 25
R
y
s
.
2
5
wiÄ™cej 44k&!/(5,42+1) czyli 6,8k&!, a RB1 C3 - 800µF
(5,42*6,8k&!) 36k&!. W tych uproszczo- Zastosujemy wartości więk-
nych obliczeniach pominąłem prąd bazy sze, na przykład: Analizę zaczniemy tym razem od wej-
(nie wiÄ™kszy niż 27µA). Nie zmieni to C1 - 4,7µF Å›cia. Mikrofon elektretowy, bÄ™dÄ…cy
w istotnym stopniu warunków pracy, ale C2 - 100µF w istocie z
ródłem prądowym (dzięki obe-
w praktycznym ukÅ‚adzie można zmierzyć C3 - 4,7µF cnoÅ›ci wbudowanego weÅ„ tranzystora
rzeczywiste napięcie stałe na kolektorze W obliczeniach tych nie zajmowaliśmy polowego) daje sygnał proporcjonalny do
i ewentualnie skorygować wartość które- się poziomem zniekształceń i szumów. wartości rezystora obciążenia. W roli ob-
gokolwiek z rezystorów RB1 lub RB2. Wiedza, którą już posiadłeś zapewne ciążenia mikrofonu zastosujemy poten-
Aby wzmocnienie napięciowe wynio- podpowiada, że należałoby zastosować cjometr o wartości 10k&!, by móc regulo-
sło 20, wypadkowa rezystancja emitero- stabilizację lub filtrację napięcia zasilają- wać czułość układu. Rezystancja wejścio-
wa dla przebiegów zmiennych powinna cego. Nie będę tego omawiał, ponieważ wa naszego wzmacniacza powinna być
być równa 110&!. Na tę rezystancję złożą to jest już wyższy stopień wtajemnicze- większa od rezystancji potencjometru
się wewnętrzna rezystancja emiterowa nia i wymaga wielu dodatkowych infor- i powinna wynosić co najmniej kilkadzie-
re, wynosząca około 10&! (26mV/2,7mA) macji. Nie będziemy się w to wgłębiać, siąt kiloomów. Na razie pomińmy rezy-
i równoległe połączenie RE1 i RE2 (100&!). ponieważ dziś wzmacniacze o wysokich stancję RB2. Rezystancja wejściowa sa-
Ponieważ RE1 ma wartość 470&!, RE2 mu- parametrach budujemy z wykorzysta- mego tranzystora w takim układzie pracy
si mieć wartość niem układów scalonych. Podany przy- będzie równa wewnętrznej rezystancji re
RE2= RE*RE1 / (RE1-RE) kład ma tylko pokazać, jak można w pro- pomnożonej przez wzmocnienie prądo-
RE2 = 100&!*470&! / (470&!-100&!) = sty (wystarczający w praktyce) sposób we tranzystora. Ponieważ rezystancja
47000/370 = 127&!. obliczyć elementy wzmacniacza. Pamię- wejściowa tranzystora ma być duża, co
W praktyce zastosujemy najbliższą taj, że takie obliczenia nie uwzględniają najmniej 50k&!, zastosujemy tranzystor
wartość z szeregu, czyli 120&! lub 130&!. wszystkich szczegółów i że po zbudowa- BC548 z grupy B lub C o wzmocnieniu
Wypadałoby jeszcze sprawdzić, jaką niu wzmacniacza warto sprawdzić napię- prądowym nie mniejszym niż 200. Przy
rezystancję wejściową będzie mieć nasz cie stałe na kolektorze i wartość wzmoc- danych wartościach wewnętrzna rezy-
wzmacniacz. Sam tranzystor (o wzmoc- stancja tranzystora re nie może być mniej-
36 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/99
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
sza niż 250&! (50k&!/200). Rezystancja re na kolektorze tranzystora nie będzie łych prądach tranzystor może mieć zde-
zależy od prądu kolektora (re=26mV/IC). większe niż 1...1,1V (napięcie UBE tranzy- cydowanie mniejsze wzmocnienia. Po
Stąd prąd kolektora nie może być więk- stora plus spadek napięcia na rezystorach drugie wzmocnienie napięciowe może
szy niż 0,1mA (26mV/250&!). Może być RB1, RB2). Tym samym napięcie na rezy- zostać ograniczone przez nieuwzględnio-
mniejszy - wtedy rezystancja wejściowa storze RC (rysunek 25) wyniesie około 8V. ne w obliczeniach właściwości tranzysto-
będzie jeszcze większa. Prąd kolektora powinien być mniejszy niż ra reprezentowane przez parametr h22.
Przy wzmocnieniu prądowym powyżej 0,1mA, stąd wartość RC nie powinna być Po trzecie należy pamiętać nie tylko o re-
200 prąd bazy (płynący z kolektora przez mniejsza niż 80k&! (8V/0,1mA). Przyjmie- zystancji, ale też o pojemności obciąże-
RB1, RB2) bÄ™dzie mniejszy niż 0,5µA. my "okrÄ…gÅ‚Ä…" wartość 100k&!. Tak duża nia. Pojemność wejÅ›ciowa bramki CMOS
Oczywiście wartości RB1, RB2 powinny wartość RC tym razem jest dopuszczalna, wynosi 5...10pF. Przy częstotliwości
być możliwie duże. Jeśli założymy ma- ponieważ zewnętrznym obciążeniem jest 10kHz będzie to oporność (reaktancja) rzędu
ksymalny spadek napięcia na tych oporni- wejście bramki CMOS, mające ogromną Xc = 0,16 / (10kHz*10pF) = 1,6M&!
kach równy 0,5V, to ich sumaryczna rezy- (pomijalnie wielką) rezystancję. W rezul- czyli mniejsza niż rezystancja RC. Jak
stancja powinna wynosić około 1M&! tacie wzmocnienie wzmacniacza nie po- z tego widać, nadmierne zwiększanie RC
(0,5V/0,5µA). MogÄ… to wiÄ™c być dwa re- winno być mniejsze niż 400 spowoduje obciÄ™cie pasma od strony wy-
zystory o wartości 470...510k&!. Przy tak (100k&!/250&!), co z powodzeniem po- sokich częstotliwości. Lepszym, choć
dużych rezystancjach pojemność C3 nie winno wystarczyć. W praktyce może być bardziej kłopotliwym sposobem byłoby
musi być duża - dla najmniejszych często- zauważalnie mniejsze ze względu na zastosowanie obciążenia w postaci
tliwości użytecznych (powiedzmy 50Hz) wpływ h22, ale i tak zapewne wystarczy. z
ródła prądowego, ale to wymaga użycia
reaktancja tego kondensatora powinna I to w zasadzie koniec obliczeń. dodatkowych elementów.
być kilkakrotnie mniejsza od wartości Tym razem konieczne jest zastosowa- I to wszystko, co powinieneś wiedzieć
tych rezystorów (powiedzmy Xc=100k&!). nie obwodu R1C1 filtrującego napięcie o układzie OE. Upewnij się, czy wszystko
Stąd minimalna pojemność zasilające mikrofonu. Bez tego obwodu, zrozumiałeś, jeśli nie - albo popytaj znajo-
C2min = 1 / (2*Ą*f*Xc) = 0,16 / (f*Xc) ze względu na duże wzmocnienie, układ mych, albo napisz do mnie.
C2min = 0,16 / (50Hz*0,1M&!) = w pewnych warunkach mógłby się wzbudzać. W następnym odcinku zajmiemy się
0,033µF=33nF KtoÅ› mógÅ‚by jeszcze zaproponować króciutko wzmacniaczem ze wspólnÄ… ba-
My zwiększymy tę pojemność do zwiększenie rezystancji RC do na przykład zą i kilkoma innymi ciekawymi zagadnie-
100nF. Taką też pojemność może mieć 4,7M&! (RB1, RB2 do 22M&!) by jeszcze niami.
kondensator C1. zwiększyć rezystancję wejściową. Taka
P
i
o
t
r
G
ó
r
e
c
k
i
Spadek napięcia na rezystorach RB1, operacja jest jednak ryzykowna z kilku Piotr Górecki
RB2 jest mniejszy niż 0,5V, stąd napięcie powodów. Po pierwsze przy bardzo ma-
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/99 37