Zgryźliwość kojarzy mi się z radością, która źle skończyła.
Pierwsze kroki
Pierwsze kroki
W tym odcinku zapoznasz się
ze wzmacniaczem tranzystorowym
w układzie wspólnego emitera. Podej−
dziemy do tematu inaczej niż szkolne
podręczniki i okaże się, że występujące
tu zależności wcale nie są trudne. Po−
znasz podstawowe informacje, które po−
zwolą Ci samodzielnie zaprojektować ta−
ki wzmacniacz. Nie znaczy to jednak, że
w swych konstrukcjach powinieneś go
często stosować. O ile układ ze wspól−
nym kolektorem (wtórnik emiterowy)
jest stosowany bardzo często, o tyle
wzmacniacz przebiegów zmiennych ze
wspólnym emiterem rzadko bywa stoso−
wany we współczesnych konstrukcjach.
Zamiast niego wykorzystujemy wzmac−
niacze operacyjne. Nie można jednak być
prawdziwym elektronikiem, nie znając
podstawowych układów pracy tranzysto−
ra. Dlatego też dokładnie zapoznaj się
z przedstawionym materiałem.
Tranzystory
dla początkujących
część
14
Układ ze wspólnym emiterem
Z dotychczasowych opowieści o tran−
zystorze wiesz, że jest to twór kapryśny.
Masz podstawy sądzić, że równie kapry−
śny jest wzmacniacz z tranzystorem w
układzie wspólnego emitera, pokazany na
rysunku 1, znany z podręczników. Masz
świętą rację! Za chwilę sam się przeko−
nasz, że taki “podręcznikowy” układ
z rysunku 1 rzeczywiście jest kapryśny (i
nigdy go nie stosujemy w praktyce).
Nie bój się jednak, mam dla Ciebie
przyjemną niespodziankę. Zapoznawanie
z układem wzmacniacza o wspólnym
emiterze (oznaczenie OE lub WE) roz−
poczniemy od... przedstawionego w
dwóch poprzednich odcinkach wzmac−
niacza ze wspólnym kolektorem, który już
zdążyłeś polubić.
Na początek wyjaśnienie: w praktyce
układ ze wspólnym emiterem będziesz
stosował tylko do wzmacniania przebie−
gów zmiennych, więc nie będziemy zaj−
mować się żadnymi stałoprądowymi we−
rsjami wzmacniacza OE. Oczywiście tran−
zystor jest odpowiednio spolaryzowany i
przebiegi zmienne występują na tle spo−
czynkowych napięć i prądów stałych.
Na rysunku 2 do klasycznego wtórnika
emiterowego (OC) dodałem w obwodzie
kolektora rezystor R
C
o rezystancji zdecy−
dowanie (dziesięciokrotnie) mniejszej niż
rezystancja R
E
.
Czy obecność niewielkiego rezystora
R
C
coś zmieni? Nie! To nadal jest układ
OC, bo sygnał wyjściowy odbieramy z
emitera.
Powinieneś widzieć tu następującą ko−
lejność: Właściwości wejścia określone
są dokładnie tak, jak w układzie OC. Prąd
I
E
płynący przez R
E
jest określony przez
(stałe) napięcie bazy i rezystancję R
E
. W
układzie OE zupełnie nie zajmowaliśmy
się obwodem kolektora. Teraz potrzebna
jest tylko jedna informacja: jaki jest ten
prąd kolektora?
Oczywiście! Możemy przyjąć, że jest
on równy prądowi emitera, I
C
= I
E
.
Na razie pomińmy fakt, że prąd emite−
ra jest odrobinkę większy od prądu kolek−
tora (o prąd bazy) – przyjmujemy, że prąd
emitera i prąd kolektora są równe (I
C
=I
E
),
co przy wzmocnieniu prądowym powyżej
100 jest bardzo bliskie prawdy. To jest
proste, prawda?
A więc przez R
C
płynie prąd I
C
=I
E
. Na
rezystorze R
C
wystąpi więc jakiś spadek
napięcia. Dotyczy to zarówno prądu stałe−
go (spoczynkowego), jak i przebiegów
zmiennych.
Wartość rezystora R
C
możemy zwięk−
szać, byleby spadek napięcia na nim nie
był zbyt duży i by tranzystor się nie nasy−
cił.
A jak będą wyglądać przebiegi zmien−
ne? Podobnie jak w układzie OC, napięcie
zmienne na emiterze będzie takie samo,
jak na bazie (porównaj rysunek 4b w EdW
2/99 str. 34). A ponieważ rezystory R
E
i R
C
są równe – uważaj − spadki napięć na tych
rezystorach też będą jednakowe! Przykła−
dowe przebiegi w układzie z rysunku 3a
znajdziesz na rysunku 3b. Zauważ, że U
RC
= U
RE
, bo I
C
=I
E
oraz R
C
=R
E
. Czy wszystko
się zgadza? Przebiegi zmienne na emite−
rze i kolektorze mają taką samą wielkość,
tyle że są “odwrócone” – fachowo mó−
wiąc mają przeciwną fazę. Zauważ, że te−
raz mamy dwa wyjścia: możemy pobrać
sygnał z kolektora, a nie tylko z emitera. I
tym oto prostym sposobem dochodzimy
do wzmacniacza OE, który na razie ma
wzmocnienie 1. Jak zwiększyć wzmoc−
nienie? Czy już się domyślasz?
Mamy dwie drogi.
1. Zmniejszamy rezystancję R
E
, a
zwiększamy R
C
. Żeby nie nasycić tranzy−
stora musimy też zmniejszyć napięcie
stałe na bazie, zmniejszając napięcie ba−
terii U
B1
(na razie nie zastanawiaj się nad
tym, jakie powinno być napięcie baterii
Zwiększmy więc wartość R
C
by była
równa R
E
, ale aby tranzystor się nie nasy−
cił, obniżymy napięcie baterii B1, żeby
stałe napięcie na emiterze wynosiło, na
przykład 1/4 napięcia baterii B2. Sytuację
pokazuje rysunek 3a.
Rys. 2
Rys. 1
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99
35
Pierwsze kroki
pięcie między
kolektorem a
emiterem jest
bliskie zeru) – na
rysunku są to
płaskie, sąsiadu−
jące części obu
przebiegów.
Oczywiście,
gdyby wzmac−
niane przebiegi
były mniejsze,
oba przebiegi
“zmieściłyby
się” i nie byłyby zniekształcone. W każ−
dym razie sytuacja z rysunku 5b sygnali−
zuje istotny warunek poprawnej pracy
wzmacniaczy OE – trzeba zapewnić dużo
“miejsca” dla wzmacnianego przebiegu.
Już chyba widzisz, że najlepiej byłoby
ustawić spoczynkowe napięcie kolektora
w połowie między napięciem zasilania, a
maksymalnym napięciem na emiterze.
Słusznie!
2. Teraz drugi sposób zwiększenia
wzmocnienia. Żeby Ci nie mącić w gło−
wie szczegółami, a pokazać główną ideę,
wykorzystam układ z rysunku 3, który
miał wzmocnienie równe 1. Aby zwięk−
szyć wzmocnienie, do rezystora R
E
z te−
go układu dodaję kondensator C
E
o dużej
pojemności i rezystor R
E1
, o wartości
10k
) do rezystancji w obwodzie
emitera, która dla przebiegów zmiennych
wynosi właśnie 5k
. Czy to Cię przeko−
Rys. 3
nuje?
Jeśli nie, to wgłębimy się w problem.
Nadal kluczową sprawą jest to, że prąd
emitera jest równy prądowi kolektora.
Tylko teraz mamy dwie oddzielne spra−
wy: prądy i napięcia przebiegów stałych,
oraz dla przebiegów zmiennych.
Stały prąd emitera jest nadal wyzna−
czony przez R
E
(i napięcie stałe na bazie),
a stałe napięcia spoczynkowe na R
E
i R
C
są równe – zobacz rysunki 3b i 6b.
Napięcie zmienne na emiterze cały
czas jest równe napięciu wejściowemu (z
generatora), a kondensator C
E
dla prze−
biegów zmiennych stanowi zwarcie,
więc napięcie zmienne na R
E1
też jest
równe napięciu na emiterze, czyli napię−
ciu wejściowemu. Jeśli więc na R
E1
wy−
stępuje takie napięcie zmienne, przez re−
zystor ten musi także płynąć prąd zmien−
ny.
B1 – to nie jest istotne). Stosowny układ
i przebiegi znajdziesz na rysunku 4. To
jest już najprawdziwszy wzmacniacz OE
Zauważ, że napięcie zmienne na emite−
rze nadal jest równe zmiennemu napięciu
wejściowemu. I nadal przez R
C
płynie ten
sam prąd, co przez R
E
(I
C
=I
E
). Ponieważ
R
C
jest teraz trzykrotnie większe od R
E
,
spadek napięcia na U
RC
jest trzykrotnie
większy niż na U
RE
. Popatrz uważnie na
rysunek 4. Czyli... nasz układ ma wzmoc−
nienie równe 3. To nie przypadek – war−
tość wzmocnienia określona jest przez
stosunek R
C
do R
E.
Przeanalizuj to!
Ponieważ w sytuacji z rysunku 4 przez
przypadek wyszło, że U
C
= U
RC
, możesz
mieć pewne wątpliwości. Jak to jest z ty−
mi napięciami? Czy może zmiana napię−
cia zasilania zmieni wzmocnienie?
. Nowy układ i przebiegi pokazane
są na rysunku 6.
Zwróć uwagę –
napięcia stałe są
takie same jak na
rysunku 3. Także
tym razem napię−
cie zmienne na
emiterze jest rów−
ne napięciu wej−
ściowemu. Zau−
waż, że teraz dla
przebiegów
zmiennych opor−
ność w emiterze
jest wypadkową
rezystancją równoległego połączenia R
E
i
R
E1
(i wynosi 5k
Tu trochę uproszczę problem, żeby Ci
nie mącić w głowie − ten prąd, a ściślej ta
składowa zmienna skądś się musi wziąć −
płynie z baterii B2 przez rezystor R
C
, tran−
zystor, kondensator C
E
, rezystor R
E1
i da−
lej z powrotem do baterii. (Tylko dla zaa−
wansowanych: Ściślej biorąc, kondensa−
tor C
E
ładuje się w tym obwodzie, a roz−
ładowuje w obwodzie R
E
, R1, ale to
szczegół, w tej chwili nieistotny.) Na ry−
sunku 7 możesz zobaczyć główną ideę −
różnymi kolorami pokazałem Ci te dwie
składowe prądu: jedna, płynąca przez R
E
jest taka sama, jak w układzie z rysunku
3, druga związana jest z obwodem C
E
,
R
E1
. Sumują się one na rezystancji R
C
.
Właśnie dlatego napięcie na R
C
jest więk−
sze niż napięcie na emiterze.
Mam nadzieję, że zrozumiałeś tę ideę.
To na razie wystarczy. Nie chcę Cię wpro−
wadzać w szczegóły i rozważać wszyst−
kie możliwe przypadki i ewentualne ogra−
niczenia. Musimy natomiast zająć się ko−
lejną ważną sprawą.
Co z rezystancją wejściową?
Rys. 4
Na rysunku 5a pokazana jest sytuacja,
gdy w układzie z rysunku 4 podwyższy−
my napięcie zasilające do 15V. Zauważ,
że spadek napięcia na R
C
(U
RC
) nadal wy−
nosi 6V. Prąd kolektora nie zmienił się, bo
cały czas jest równy prądowi emitera, a
ten jest wyznaczony przez napięcie na
bazie.
Rysunek 5b pokazuje sytuację, gdy
obniżymy napięcie zasilające do 10V.
Spoczynkowy spadek napięcia na rezy−
stancji kolektorowej (U
RC
) nadal wynosi
6V, a na emiterowej (U
RE
) 2V. Napięcia
emitera i kolektora, mierzone w stosunku
do masy, różnią się tylko o 2V. Okazuje
się, że jest tu mało “miejsca” na składo−
wą zmienną. W rezultacie tranzystor
okresowo wchodzi w stan nasycenia (na−
).
Czy jesteś przekonany, że ten układ
rzeczywiście wzmacnia przebiegi zmien−
ne dwukrotnie?
Najpro−
ściej rzecz
biorąc,
podobnie jak
w układzie z
rysunku 4,
także i tu
w z m o c n i e −
nie wyzna−
czone jest
stosunkiem
r e z y s t a n c j i
kolektorowej
Rys. 5
36
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99
R
C
(10k
Pierwsze kroki
Rys. 6
wzmacniacza OE.
Tymczasem jest to
aż tak beznadziej−
nie proste! Może
jednak masz jakieś
pytania?
Pytasz dlaczego
w układzie z rysun−
ku 3 nie zreduko−
wać R
E
do zera,
uzyskując układ
jak na rysunku 8a
lub prościej
–”podręcznikowy” układ z rysunku 8b?
Nigdy tego nie rób! Nie bądź zbyt chy−
try! Spróbuj odpowiedzieć na dwa pytania:
1. Czy przez zredukowanie oporności
emiterowej dla przebiegów zmiennych
do zera uzyskasz wzmocnienie nieskoń−
czenie wielkie?
2. Jaka będzie wtedy rezystancja wej−
ściowa układu dla przebiegów zmien−
nych?
Słusznie uważasz, że wzmocnienie nie
może być nieskończenie wielkie, a jeśli
chodzi o rezystancję wejściową... nie bój
się – nie będzie równa zeru. Kiedyś już to
obliczaliśmy (w EdW 11/98 str. 67) i w
tamtym przykładzie wyszło nam około
100 omów. A czy pamiętasz, że tamte
rozważania wskazywały, iż rezystancja
wejściowa nie jest stała, tylko zmienia
się w zależności od prądu bazy i kolekto−
ra? Doszliśmy do wniosku, iż sygnał wyj−
ściowy w najprostszym układzie wzmac−
niacza tranzystorowego będzie bardzo
zniekształcony? Zobacz rysunki w
EdW4/98 na str. 76, 79. Zwróć uwagę, że
tamte rozważania tak naprawdę dotyczy−
ły właśnie wzmacniacza OE i dotyczą
również naszych układów z rysunku 8.
Mało tego! Przecież wtedy na stały
prąd bazy i prąd kolektora będą mieć
znaczny wpływ nawet maleńkie zmiany
stałego napięcia na bazie! Porównaj rysu−
nek 6 w EdW 11/98. Zmiana stałego na−
pięcia polaryzującego bazę o około 60mV
spowodowałaby dziesięciokrotną zmianę
wartości stałego prądu kolektora. Czyli
tranzystor albo by się nasycił (napięcie
kolektora bliskie masy, prąd ograniczony
wartością R
C
), albo spadek napięcia na re−
zystorze kolektorowym byłby bardzo ma−
ły (napięcie kolektora bliskie dodatniemu
napięciu zasilania). W obu przypadkach
układ nie mógłby prawidłowo wzmacniać
przebiegów zmiennych, które przecież
muszą występować “na tle” napięcia
stałego (najlepiej około połowy napięcia
zasilającego). Czyżbyś też zapomniał o
wpływie temperatury na napięcie U
BE
(−2,2mV/°C)?, w układzie z rysunku 8a.
Wzrost temperatury struktury tranzy−
stora tylko o 8°C (przy niezmiennym na−
pięciu bazy) zmieni prąd kolektora dwu−
krotnie, tym samym doprowadzi do nasy−
cenia i uniemożliwi pracę wzmacniacza.
Co prawda obecność rezystancji R
B
(R
B1
i R
B2
) znacznie poprawia sytuację,
jednak mimo wszystko stabilność cieplna
i napięciowa układów z rysunku 8 jest
bardzo słaba. Nie musisz rozumieć wszy−
stkich szczegółów, zapamiętaj tylko po−
dany właśnie wniosek.
Czy już zauważyłeś, że istnieje bardzo
prosty sposób na zmniejszenie wpływu
zmian temperatury i napięcia zasilające−
go? Oczywiście chodzi o obecność rezy−
stora emiterowego R
E
. Jeśli spoczynko−
we napięcie stałe na R
E
będzie wynosić
choćby tylko 0,3V, wpływ zmian napięcia
bazy i temperatury zostanie zredukowany
do około 20% podanych przed chwilą
wartości. Gdy napięcie stałe na R
E
wynie−
sie 1,2V ten wpływ zmniejszy się dwu−
dziestokrotnie. Nie musisz zapamiętywać
tych szczegółów – musisz tylko wiedzieć,
że czym większe napięcie stałe na R
E
,
tym spoczynkowy prąd kolektora mniej
zależy od temperatury i wahań napięcia
polaryzującego bazę. Inaczej mówiąc,
zwiększanie wartości R
E
czyni układ bar−
dziej stabilnym, niezależnym od wielu
czynników, w tym temperatury.
Oczywiście jak zwykle nie można
przesadzić. Nadmierne zwiększanie rezy−
stancji R
E
zwiększa napięcie U
RE
i ograni−
cza zakres zmian napięcia kolektora – po−
równaj rysunki 3b, 4b, 5b i 6b.
Jeśli to rozumiesz, właśnie skutecznie
ominąłeś nudne podręcznikowe rozważa−
nia na temat sprzężenia zwrotnego w
tranzystorowym układzie OE. Nie twier−
dzę, że takie rozważania są niepotrzebne
– może kiedyś wrócisz do nich. Twierdzę
tylko stanowczo, że próba tłumaczenia
początkującym właściwości tranzystora
za pomocą zawiłych rozważań i wzorów
dotyczących różnych rodzajów sprzęże−
nia zwrotnego, przynosi więcej szkody
niż pożytku i niepotrzebnie ich stresuje.
Ty uzbrojony w świeżo zdobytą wiedzę,
być może zaproponujesz, żeby pozostać
przy stabilnym układzie z rysunku 6, a w
celu zwiększenia wzmocnienia zreduko−
wać R
E1
do zera, uzyskując układ pokaza−
ny na rysunku 9a. Świetnie! Zrobiłeś spo−
ry postęp! Czasami rzeczywiście stosuje−
my taki układ. Niekiedy stosujemy rów−
nież układ z rysunku 9b. Dzięki dołączeniu
Rezystancja wejściowa
Wiesz, jak na dwa różne sposoby
zwiększać wzmocnienie. Okazuje się
jednak, że zwiększając wzmocnienie,
zmniejszasz rezystancje wejściową tran−
zystora (na razie pomijamy wpływ R
B
i
rozważamy oporność samego tranzysto−
ra).
Wracamy do układu OC z rysunku 2.
Jak w każdym układzie OC rezystancja
wejściowa dla przebiegów zmiennych sa−
mego tranzystora jest
−krotnie (ściślej
+1−krotnie) większa niż rezystancja R
E
.
Dokładnie tak samo jest w układzie z ry−
sunku 3.
W układzie z rysunku 4 zwiększyliśmy
wzmocnienie, zmniejszając rezystancję
R
E
do 3,3k
−krotnie
większa od R
E
.
Ale ponieważ re−
zystancja R
E
jest
trzykrotnie mniej−
sza, rezystancja
wejściowa też jest
trzykrotnie mniej−
sza.
To nie przypa−
dek, bo wzmoc−
nienie wynosi wła−
śnie 3.
Podobnie jest
w układzie z ry−
sunku 5. Dwukrotne wzmocnienie uzy−
skaliśmy zmniejszając rezystancję emite−
rową dla przebiegów zmiennych, i rezy−
stancja wejściowa jest
Rys. 7
−krotnie większa
od tej wypadkowej rezystancji emitero−
wej
(
).
I co, proste?
Występuje tu oczywista zależność:
zmniejszając rezystancję emiterową
zmniejszamy rezystancję wejściową tran−
zystora. Cóż, trudno. Coś za coś, nic za
darmo: większe wzmocnienie to mniej−
sza rezystancja wejściowa dla przebie−
gów zmiennych. Najważniejsze jednak,
że układ wzmacnia!
No i co? Wszystko poszło gładko, bez
żadnych problemów! A Ty tak bałeś się
* 5k
Rys. 8
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99
37
. Uważaj! Nadal, podobnie
jak w układzie OC, rezystancja wejściowa
jest
Pierwsze kroki
rezystora R1 do kolektora, a nie do dodat−
niego bieguna zasilania, znacznie popra−
wia się stabilność stałoprądowego punk−
tu pracy. Jeśli z jakichkolwiek powodów
(np. zmiany temperatury) prąd stały ko−
lektora wzrośnie, to napięcie kolektora
obniży się, i tym samym obniży się napię−
cie na bazie. Spowoduje to zmniejszenie
prądu kolektora. W praktyce wahania sta−
łego napięcia kolektora pod wpływem
zmian temperatury nie będą większe niż
1V – wynik zupełnie wystarczający do
wielu zastosowań. Obliczanie wartości
elementów nie jest trudne. Zwykle chce−
my, żeby stałe napięcie na kolektorze by−
ło równe połowie napięcia zasilającego
wrócimy do tego tematu. Ale wcześniej
kolejna ogromnie ważna sprawa.
Oporność wyjściowa
wzmacniacza OE
Z dotychczasowych rozważań wynika
niedwuznacznie prosta zależność: zwięk−
szając wzmocnienie, zmniejszamy rezy−
stancję wejściową. A zmniejszanie rezy−
stancji wejściowej jest istotną wadą.
Czy jest to nieuniknione?
Może zaproponujesz po prostu, by
zwiększyć wszystkie rezystancje, na
przykład dziesięciokrotnie. Jeśli wszyst−
kie rezystancje wzrosną w takim samym
stopniu, napięcia w ukła−
dzie nie powinny się
zmienić – zmniejszą się
tylko prądy (ale to chyba
dobrze, bo układ będzie
zużywał mniej energii).
Rys. 11
. A więc spadek napięcia na rezy−
storze R
C
zmniejszył się dziesięciokrotnie,
czyli napięcie zmienne na kolektorze
zmniejszyło się dziesięciokrotnie. Nato−
miast napięcie stałe na kolektorze, mie−
rzone względem masy, zwiększyło się.
Nie pojawiły się zniekształcenia, ani nie
zmieniła się częstotliwość.
Tak na marginesie − te 200
to wypad−
kowa rezystancja równoległego połącze−
nia rezystancji 2k
Rzeczywiście, zwięk−
szenie rezystancji (w tym
rezystancji w emiterze)
korzystnie zwiększy rezy−
stancję wejściową.
Zwiększajmy więc...
Czy już widzisz problem? Nie?
To przeanalizuj podany przykład.
Na rysunku 11a pokazano fragment
wzmacniacza tranzystorowego. Załóżmy,
że bez zewnętrznego obciążenia, na wyj−
ściu występuje napięcie sinusoidalne
1kHz o wartości
skutecznej 2V. Co
się stanie, jeśli do
wyjścia dołączy−
my rezystor ob−
ciążenia o rezy−
stancji 220
i 220
. Ściśle biorąc,
− ale w elektro−
nice, inaczej niż w szkolnej matematyce,
nie musimy wykonywać idealnie precy−
zyjnych obliczeń, choćby dlatego, że rze−
czywiste elementy mają znaczny rozrzut
parametrów, przykładowo tolerancja ty−
powych rezystorów wynosi 5...10%, a
precyzyjne rezystory o tolerancji lepszej
niż 1% są dla amatorów praktycznie nie
do zdobycia. Dlatego zaokrąglenie warto−
ści rezystancji obliczonej w tym przykła−
dzie o mniej niż pół procenta nie ma naj−
mniejszego znaczenia.
A teraz wyobraź sobie, że dziesięcio−
krotnie zwiększyłeś wszystkie rezystan−
cje w układzie. Wszystkie prądy zmniej−
szą się dziesięciokrotnie. Bez zewnętrz−
nego obciążenia napięcie wyjściowe (na
rezystorze R
C
o wartości 20k
Rys. 9
(U
RC
=0,5Uzas). Zakładamy jakiś prąd ko−
lektora (zwykle od 1mA do kilku mA) i
obliczamy wartość R
C
= 0,5Uzas / Ic
Prąd dzielnika R
B1
, R
B2
powinien wy−
nosić około 0,1Ic, by był znacznie więk−
szy od prądu bazy. Napięcie na rezystorze
R
B1
będzie wynosić około 0,6V.
Stąd R
B1
= 0,6V / 0,1Ic = 6V / Ic
Ponieważ suma napięć na R
B2
i R
B3
ma
wynosić 0,5Uzas – 0,6V, a prąd dzielnika
wynosi 0,1Ic (pomijamy prąd bazy), więc
(R
B2
+R
B3
) = (0,5Uzas – 0,6V) / 0,1Ic
Zamiast przeprowadzać obliczenia,
można przyjąć R2=R3=5Rc, a wartość
R
B1
dobrać eksperymentalnie, by napięcie
na kolektorze wynosiło 0,5Uzas.
Do zastosowań audio pojemność kon−
densatora (elektrolitycznego CB) może
wynosić 100
, jak
pokazano na ry−
sunku 11b? Od−
powiedz na pyta−
nia:
1. Czy zmieni
się wartość
zmiennego napięcia wyjściowego?
2. Czy zmieni się napięcie stałe na ko−
lektorze tranzystora?
3. Czy pojawią się zniekształcenia sy−
gnału sinusoidalnego?
4. Czy zmieni się częstotliwość sygna−
łu?
Spróbuj odpowiedzieć sam!
Słusznie! Dodanie zewnętrznego ob−
ciążenia zmniejsza wypadkową rezystan−
cję dołączoną do źródła prądowego, jakim
jest obwód kolektora. Zgodnie z prawem
Ohma
U = I * R
Czym mniejsza dołączona rezystancja,
tym mniejsze napięcie wyjściowe. Prąd ko−
lektora się nie zmienił, natomiast rezystan−
cja obciążenia zmniejszyła się z 2k
) nadal jest
równe 2Vsk. Ale jeśli teraz do wyjścia do−
łączysz rezystancję obciążenia równą
220
, to...
No właśnie – ponieważ rezystancja ob−
ciążenia zmniejszy się z 20k
F.
Zauważ, że duży kondensator CB dla
sygnałów zmiennych stanowi zwarcie.
Tym samym nie przepuszcza zmiennych
sygnałów (sprzężenia zwrotnego) z kolek−
tora na bazę. Dzięki temu dla przebiegów
zmiennych układ ma duże wzmocnienie,
ale małą rezystancję wejściową i duże
zniekształcenia. Natomiast spoczynkowy
(stałoprądowy) punkt pracy jest stabilizo−
wany dzięki (silnemu ujemnemu) sprzęże−
niu zwrotnemu z kolektora na bazę.
Oczywiście w układach z rysunku 9
można dodać niewielki rezystor emitero−
wy, by kosztem zmniejszenia wzmocnie−
nia zwiększyć rezystancję wejściową i po−
prawić liniowość.
I wychodzi na to, że w praktyce najczę−
ściej będziemy stosować układ pokazany
na rysunku 10. W następnym odcinku
Rys. 10
, a
prąd kolektora jest teraz dziesięciokrotnie
mniejszy, napięcie wyjściowe drastycz−
nie spadnie około 92 razy z 2Vsk do
21,7mV!
Czy teraz już wiesz, dlaczego zwięk−
szanie wszystkich rezystancji w układzie
(w tym rezystancji w kolektorze i emite−
rze) nie rozwiązuje problemu. Chcieliśmy
tym zwiększyć rezystancję wejściową i
zwiększyliśmy. Niestety, okazało się, że
po dołączeniu obciążenia napięcie wyj−
ściowe niedopuszczalnie się zmniejszyło.
Okazuje się, że nasz wzmacniacz w ukła−
dzie OE ma dużą rezystancję wyjściową.
Co prawda my zwykle traktujemy ob−
wód kolektora jako źródło prądowe pracu−
jące na obciążenie R
C
(sytuację dla prze−
biegów zmiennych pokazuje rysunek 12a),
do 217
do oko−
38
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99
ło 200
wynik obliczeń to198,2
Pierwsze kroki
2. Czy zmieni się napięcie stałe na ko−
lektorze tranzystora?
Odrobinę trudniejsze, prawda? Kon−
densator separujący dla przebiegów
zmiennych stanowi zwarcie, dla stałych
stanowi przerwę. Już wiesz:
1. Napięcie stałe na kolektorze tranzy−
stora nie zmieniło się, bo wskutek obe−
cności kondensatora rezystancja dla prą−
du stałego widziana od strony kolektora
nadal jest równa 2k
tranzystorem T2. Nie musisz liczyć dokła−
dnie, wystarczą wartości przybliżone.
Przy założeniu, że
, a po uwzględnieniu rezy−
stancji polaryzujących R3 i R4 wypadko−
wa rezystancja wejściowa wynosi około
20k
Rys. 12
.
Tym samym − uważaj – obciążeniem
tranzystora T1 będzie nie tylko rezystor
R
C1
, ale rezystancja równoległego połą−
czenia R
C1
(20k
ale śmiało możemy narysować schemat
zastępczy wzmacniacza OE w bardziej
zrozumiałej postaci, ze źródłem napięcio−
wym i szeregową rezystancją wyjściową
jak na rysunku 12b. Nasz wzmacniacz za−
chowuje się tak, jakby na wyjściu umie−
szczono jakąś szeregową rezystancję –
właśnie jego rezystancję wyjściową.
Oczywiście po dołączeniu zewnętrznego
obciążenia napięcie wyjściowe zmniejszy
się. Czym większa będzie wewnętrzna
rezystancja wyjściowa R
WY
w stosunku
do rezystancji obciążenia R
L
, tym napię−
cie wyjściowe będzie mniejsze.
A jaka jest wartość rezystancji wyj−
ściowej w układzie OE? Nie będziemy się
rozdrabniać, jeśli chcesz, sprawdź sam –
rezystancja wyjściowa układu OE jest
równa rezystancji opornika R
C
umie−
szczonego w kolektorze.
To zupełnie inaczej niż w układzie
wspólnego kolektora, gdzie (przy niezbyt
dużych sygnałach) dołączenie rezystancji
obciążenia R
L
przez kondensator prak−
tycznie nie zmieniało zmiennego napięcia
wyjściowego. Czyli rezystancja wyjścio−
wa była bardzo mała. Skąd taka różnica?
Tam była inna sytuacja – napięcie (sta−
łe i zmienne) na emiterze było wymuszo−
ne przez napięcie na bazie. Tu masz prak−
tyczny przykład właściwości źródła prądo−
wego. Napięcie na wyjściu jest wynikiem
przepływu prądu przez obciążenie kolek−
torowe. Czyli wszystko zależy od oporno−
ści w obwodzie kolektora. Zauważ, że de−
cydujący wpływ na wzmocnienie napię−
ciowe ma wypadkowa oporność (impe−
dancja) obciążenia. Do tego wątku wróci−
my w następnym odcinku.
Tymczasem przeanalizujmy kolejny
przykład. Wzmacniacz jest ten sam co na
rysunku 11, napięcia stałe i zmienne bez
obciążenia też takie same. Tylko teraz ze−
wnętrzny rezystor obciążenia (220
.
2. Wartość napięcia zmiennego po−
winna się zmniejszyć do 0,2Vsk, bo dla
prądów zmiennych rezystancja obciąże−
nia widziana od strony kolektora zmniej−
szyła się tak samo jak w poprzednim
przykładzie z 2k
) i obliczonej właśnie re−
zystancji wejściowej następnego stopnia
(około 20k
). Obciążenie w kolektorze
będzie więc mieć około 10k
, czyli
uwzględniając wartość R
E1
wzmocnienie
pierwszego stopnia będzie równe nie 20,
tylko 10.
Przy podanych wartościach okazało
się, że wzmocnienie pierwszego stopnia
wyniesie 10 razy, wzmocnienie drugiego
4 razy, czyli wypadkowe wzmocnienie za−
miast spodziewanego 400 razy wyniesie
jedynie 40 razy.
.
Ma to bardzo ważne konsekwencje
praktyczne.
Przypuśćmy, że zaprojektowałeś
oszczędny wzmacniacz z rysunku 14a
(przypuśćmy, że rezystancje R1 i R3 mają
mieć po 430k
do 200
), który jak łatwo obliczyć,
ma wzmocnienie równe 20 razy. To trochę
za mało do Twoich
celów, więc do je−
go wyjścia dołą−
czasz drugi taki
sam stopień
wzmocnienia.
Układ wygląda jak
na rysunku 14b.
Czy wypadkowe
wzmocnienie wy−
niesie 20 x 20 =
400 razy?
Po stokroć nie!
Zrozum to i zapamiętaj raz na zawsze.
Niedoświadczeni elektronicy bardzo czę−
sto zapominają o wpływie oporności wej−
ściowej i wyjściowej we wzmacniaczu
OE. Zacznijmy od końca. Wzmocnienie
wzmacniacza z tranzystorem T2 będzie
równe 20 (R
C2
/R
E2
) tylko wtedy, gdy
wzmacniacz nie będzie obciążony, a prak−
tycznie wtedy, gdy zewnętrzne obciąże−
nie R
L
będzie zdecydowanie większe niż
R
C2
. Po obciążeniu wzmocnienie będzie
wyznaczone stosunkiem wypadkowej re−
zystancji kolektorowej i R
E2
, czyli wynie−
sie (R
C2
|| R
L
) / R
E2
. Możesz obliczyć, że
drugi stopień będzie miał wzmocnienie
równe 4.
Ale to nie koniec. Oblicz, jaka jest
oporność wejściowa R
WE2
wzmacniacza z
Rys. 14
W zasadzie to jeszcze nie wszystko. Ca−
ły układ ma rezystancję wejściową około
20k
, co może być istotnym obciążeniem
dla źródła sygnału i wtedy wypadkowe
wzmocnienie będzie jeszcze mniejsze.
Przeanalizuj dokładnie podany przy−
kład. Czy teraz już dokładnie rozumiesz,
że nie wolno zapominać o rezystancji
wyjściowej i wejściowej wzmacniacza
OE?
Umęczyłem Cię zależnościami wystę−
pującymi we wzmacniaczu ze wspólnym
emiterem. Co z tego koniecznie musisz
zapamiętać?
Najważniejsze są następujące wnioski:
1. Zwiększanie wzmocnienia następu−
je kosztem zmniejszania rezystancji wej−
ściowej
2. Rezystancja wyjściowa jest równa
rezystancji R
C
umieszczonej w obwodzie
kolektora.
W następnym odcinku zaprojektujemy
też wspólnie dwa wzmacniacze OE. A po−
nieważ wzmacniacz OE nadal kryje pew−
ne tajemnice, podam Ci kilka dalszych
ciekawych informacji.
) jest
dołączony nie wprost, tylko przez kon−
densator o bardzo dużej pojemności. Wy−
gląda to jak na rysunku 13a lub 13b. Czy
sposób dołączenia obciążenia coś zmie−
nia? Oczywiście nie! Dla przebiegów
zmiennych zupełnie nie ma różnicy, czy
obciążenie podłączone jest do plusa zasi−
lania czy do masy – przecież dla sygna−
łów zmiennych szyna zasilania to to sa−
mo co obwód masy.
Jeśli tak, to odpowiedz na pytania:
1. Czy zmieni się wartość zmiennego
napięcia wyjściowego?
Piotr Górecki
Rys. 13
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99
39
Ω
rezystancja samego tranzystora wynosi
około 100k
=100 i R
E2
=1k
zanotowane.pl doc.pisz.pl pdf.pisz.pl hannaeva.xlx.pl
Pierwsze kroki
W tym odcinku zapoznasz się
ze wzmacniaczem tranzystorowym
w układzie wspólnego emitera. Podej−
dziemy do tematu inaczej niż szkolne
podręczniki i okaże się, że występujące
tu zależności wcale nie są trudne. Po−
znasz podstawowe informacje, które po−
zwolą Ci samodzielnie zaprojektować ta−
ki wzmacniacz. Nie znaczy to jednak, że
w swych konstrukcjach powinieneś go
często stosować. O ile układ ze wspól−
nym kolektorem (wtórnik emiterowy)
jest stosowany bardzo często, o tyle
wzmacniacz przebiegów zmiennych ze
wspólnym emiterem rzadko bywa stoso−
wany we współczesnych konstrukcjach.
Zamiast niego wykorzystujemy wzmac−
niacze operacyjne. Nie można jednak być
prawdziwym elektronikiem, nie znając
podstawowych układów pracy tranzysto−
ra. Dlatego też dokładnie zapoznaj się
z przedstawionym materiałem.
Tranzystory
dla początkujących
część
14
Układ ze wspólnym emiterem
Z dotychczasowych opowieści o tran−
zystorze wiesz, że jest to twór kapryśny.
Masz podstawy sądzić, że równie kapry−
śny jest wzmacniacz z tranzystorem w
układzie wspólnego emitera, pokazany na
rysunku 1, znany z podręczników. Masz
świętą rację! Za chwilę sam się przeko−
nasz, że taki “podręcznikowy” układ
z rysunku 1 rzeczywiście jest kapryśny (i
nigdy go nie stosujemy w praktyce).
Nie bój się jednak, mam dla Ciebie
przyjemną niespodziankę. Zapoznawanie
z układem wzmacniacza o wspólnym
emiterze (oznaczenie OE lub WE) roz−
poczniemy od... przedstawionego w
dwóch poprzednich odcinkach wzmac−
niacza ze wspólnym kolektorem, który już
zdążyłeś polubić.
Na początek wyjaśnienie: w praktyce
układ ze wspólnym emiterem będziesz
stosował tylko do wzmacniania przebie−
gów zmiennych, więc nie będziemy zaj−
mować się żadnymi stałoprądowymi we−
rsjami wzmacniacza OE. Oczywiście tran−
zystor jest odpowiednio spolaryzowany i
przebiegi zmienne występują na tle spo−
czynkowych napięć i prądów stałych.
Na rysunku 2 do klasycznego wtórnika
emiterowego (OC) dodałem w obwodzie
kolektora rezystor R
C
o rezystancji zdecy−
dowanie (dziesięciokrotnie) mniejszej niż
rezystancja R
E
.
Czy obecność niewielkiego rezystora
R
C
coś zmieni? Nie! To nadal jest układ
OC, bo sygnał wyjściowy odbieramy z
emitera.
Powinieneś widzieć tu następującą ko−
lejność: Właściwości wejścia określone
są dokładnie tak, jak w układzie OC. Prąd
I
E
płynący przez R
E
jest określony przez
(stałe) napięcie bazy i rezystancję R
E
. W
układzie OE zupełnie nie zajmowaliśmy
się obwodem kolektora. Teraz potrzebna
jest tylko jedna informacja: jaki jest ten
prąd kolektora?
Oczywiście! Możemy przyjąć, że jest
on równy prądowi emitera, I
C
= I
E
.
Na razie pomińmy fakt, że prąd emite−
ra jest odrobinkę większy od prądu kolek−
tora (o prąd bazy) – przyjmujemy, że prąd
emitera i prąd kolektora są równe (I
C
=I
E
),
co przy wzmocnieniu prądowym powyżej
100 jest bardzo bliskie prawdy. To jest
proste, prawda?
A więc przez R
C
płynie prąd I
C
=I
E
. Na
rezystorze R
C
wystąpi więc jakiś spadek
napięcia. Dotyczy to zarówno prądu stałe−
go (spoczynkowego), jak i przebiegów
zmiennych.
Wartość rezystora R
C
możemy zwięk−
szać, byleby spadek napięcia na nim nie
był zbyt duży i by tranzystor się nie nasy−
cił.
A jak będą wyglądać przebiegi zmien−
ne? Podobnie jak w układzie OC, napięcie
zmienne na emiterze będzie takie samo,
jak na bazie (porównaj rysunek 4b w EdW
2/99 str. 34). A ponieważ rezystory R
E
i R
C
są równe – uważaj − spadki napięć na tych
rezystorach też będą jednakowe! Przykła−
dowe przebiegi w układzie z rysunku 3a
znajdziesz na rysunku 3b. Zauważ, że U
RC
= U
RE
, bo I
C
=I
E
oraz R
C
=R
E
. Czy wszystko
się zgadza? Przebiegi zmienne na emite−
rze i kolektorze mają taką samą wielkość,
tyle że są “odwrócone” – fachowo mó−
wiąc mają przeciwną fazę. Zauważ, że te−
raz mamy dwa wyjścia: możemy pobrać
sygnał z kolektora, a nie tylko z emitera. I
tym oto prostym sposobem dochodzimy
do wzmacniacza OE, który na razie ma
wzmocnienie 1. Jak zwiększyć wzmoc−
nienie? Czy już się domyślasz?
Mamy dwie drogi.
1. Zmniejszamy rezystancję R
E
, a
zwiększamy R
C
. Żeby nie nasycić tranzy−
stora musimy też zmniejszyć napięcie
stałe na bazie, zmniejszając napięcie ba−
terii U
B1
(na razie nie zastanawiaj się nad
tym, jakie powinno być napięcie baterii
Zwiększmy więc wartość R
C
by była
równa R
E
, ale aby tranzystor się nie nasy−
cił, obniżymy napięcie baterii B1, żeby
stałe napięcie na emiterze wynosiło, na
przykład 1/4 napięcia baterii B2. Sytuację
pokazuje rysunek 3a.
Rys. 2
Rys. 1
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99
35
Pierwsze kroki
pięcie między
kolektorem a
emiterem jest
bliskie zeru) – na
rysunku są to
płaskie, sąsiadu−
jące części obu
przebiegów.
Oczywiście,
gdyby wzmac−
niane przebiegi
były mniejsze,
oba przebiegi
“zmieściłyby
się” i nie byłyby zniekształcone. W każ−
dym razie sytuacja z rysunku 5b sygnali−
zuje istotny warunek poprawnej pracy
wzmacniaczy OE – trzeba zapewnić dużo
“miejsca” dla wzmacnianego przebiegu.
Już chyba widzisz, że najlepiej byłoby
ustawić spoczynkowe napięcie kolektora
w połowie między napięciem zasilania, a
maksymalnym napięciem na emiterze.
Słusznie!
2. Teraz drugi sposób zwiększenia
wzmocnienia. Żeby Ci nie mącić w gło−
wie szczegółami, a pokazać główną ideę,
wykorzystam układ z rysunku 3, który
miał wzmocnienie równe 1. Aby zwięk−
szyć wzmocnienie, do rezystora R
E
z te−
go układu dodaję kondensator C
E
o dużej
pojemności i rezystor R
E1
, o wartości
10k
) do rezystancji w obwodzie
emitera, która dla przebiegów zmiennych
wynosi właśnie 5k
. Czy to Cię przeko−
Rys. 3
nuje?
Jeśli nie, to wgłębimy się w problem.
Nadal kluczową sprawą jest to, że prąd
emitera jest równy prądowi kolektora.
Tylko teraz mamy dwie oddzielne spra−
wy: prądy i napięcia przebiegów stałych,
oraz dla przebiegów zmiennych.
Stały prąd emitera jest nadal wyzna−
czony przez R
E
(i napięcie stałe na bazie),
a stałe napięcia spoczynkowe na R
E
i R
C
są równe – zobacz rysunki 3b i 6b.
Napięcie zmienne na emiterze cały
czas jest równe napięciu wejściowemu (z
generatora), a kondensator C
E
dla prze−
biegów zmiennych stanowi zwarcie,
więc napięcie zmienne na R
E1
też jest
równe napięciu na emiterze, czyli napię−
ciu wejściowemu. Jeśli więc na R
E1
wy−
stępuje takie napięcie zmienne, przez re−
zystor ten musi także płynąć prąd zmien−
ny.
B1 – to nie jest istotne). Stosowny układ
i przebiegi znajdziesz na rysunku 4. To
jest już najprawdziwszy wzmacniacz OE
Zauważ, że napięcie zmienne na emite−
rze nadal jest równe zmiennemu napięciu
wejściowemu. I nadal przez R
C
płynie ten
sam prąd, co przez R
E
(I
C
=I
E
). Ponieważ
R
C
jest teraz trzykrotnie większe od R
E
,
spadek napięcia na U
RC
jest trzykrotnie
większy niż na U
RE
. Popatrz uważnie na
rysunek 4. Czyli... nasz układ ma wzmoc−
nienie równe 3. To nie przypadek – war−
tość wzmocnienia określona jest przez
stosunek R
C
do R
E.
Przeanalizuj to!
Ponieważ w sytuacji z rysunku 4 przez
przypadek wyszło, że U
C
= U
RC
, możesz
mieć pewne wątpliwości. Jak to jest z ty−
mi napięciami? Czy może zmiana napię−
cia zasilania zmieni wzmocnienie?
. Nowy układ i przebiegi pokazane
są na rysunku 6.
Zwróć uwagę –
napięcia stałe są
takie same jak na
rysunku 3. Także
tym razem napię−
cie zmienne na
emiterze jest rów−
ne napięciu wej−
ściowemu. Zau−
waż, że teraz dla
przebiegów
zmiennych opor−
ność w emiterze
jest wypadkową
rezystancją równoległego połączenia R
E
i
R
E1
(i wynosi 5k
Tu trochę uproszczę problem, żeby Ci
nie mącić w głowie − ten prąd, a ściślej ta
składowa zmienna skądś się musi wziąć −
płynie z baterii B2 przez rezystor R
C
, tran−
zystor, kondensator C
E
, rezystor R
E1
i da−
lej z powrotem do baterii. (Tylko dla zaa−
wansowanych: Ściślej biorąc, kondensa−
tor C
E
ładuje się w tym obwodzie, a roz−
ładowuje w obwodzie R
E
, R1, ale to
szczegół, w tej chwili nieistotny.) Na ry−
sunku 7 możesz zobaczyć główną ideę −
różnymi kolorami pokazałem Ci te dwie
składowe prądu: jedna, płynąca przez R
E
jest taka sama, jak w układzie z rysunku
3, druga związana jest z obwodem C
E
,
R
E1
. Sumują się one na rezystancji R
C
.
Właśnie dlatego napięcie na R
C
jest więk−
sze niż napięcie na emiterze.
Mam nadzieję, że zrozumiałeś tę ideę.
To na razie wystarczy. Nie chcę Cię wpro−
wadzać w szczegóły i rozważać wszyst−
kie możliwe przypadki i ewentualne ogra−
niczenia. Musimy natomiast zająć się ko−
lejną ważną sprawą.
Co z rezystancją wejściową?
Rys. 4
Na rysunku 5a pokazana jest sytuacja,
gdy w układzie z rysunku 4 podwyższy−
my napięcie zasilające do 15V. Zauważ,
że spadek napięcia na R
C
(U
RC
) nadal wy−
nosi 6V. Prąd kolektora nie zmienił się, bo
cały czas jest równy prądowi emitera, a
ten jest wyznaczony przez napięcie na
bazie.
Rysunek 5b pokazuje sytuację, gdy
obniżymy napięcie zasilające do 10V.
Spoczynkowy spadek napięcia na rezy−
stancji kolektorowej (U
RC
) nadal wynosi
6V, a na emiterowej (U
RE
) 2V. Napięcia
emitera i kolektora, mierzone w stosunku
do masy, różnią się tylko o 2V. Okazuje
się, że jest tu mało “miejsca” na składo−
wą zmienną. W rezultacie tranzystor
okresowo wchodzi w stan nasycenia (na−
).
Czy jesteś przekonany, że ten układ
rzeczywiście wzmacnia przebiegi zmien−
ne dwukrotnie?
Najpro−
ściej rzecz
biorąc,
podobnie jak
w układzie z
rysunku 4,
także i tu
w z m o c n i e −
nie wyzna−
czone jest
stosunkiem
r e z y s t a n c j i
kolektorowej
Rys. 5
36
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99
R
C
(10k
Pierwsze kroki
Rys. 6
wzmacniacza OE.
Tymczasem jest to
aż tak beznadziej−
nie proste! Może
jednak masz jakieś
pytania?
Pytasz dlaczego
w układzie z rysun−
ku 3 nie zreduko−
wać R
E
do zera,
uzyskując układ
jak na rysunku 8a
lub prościej
–”podręcznikowy” układ z rysunku 8b?
Nigdy tego nie rób! Nie bądź zbyt chy−
try! Spróbuj odpowiedzieć na dwa pytania:
1. Czy przez zredukowanie oporności
emiterowej dla przebiegów zmiennych
do zera uzyskasz wzmocnienie nieskoń−
czenie wielkie?
2. Jaka będzie wtedy rezystancja wej−
ściowa układu dla przebiegów zmien−
nych?
Słusznie uważasz, że wzmocnienie nie
może być nieskończenie wielkie, a jeśli
chodzi o rezystancję wejściową... nie bój
się – nie będzie równa zeru. Kiedyś już to
obliczaliśmy (w EdW 11/98 str. 67) i w
tamtym przykładzie wyszło nam około
100 omów. A czy pamiętasz, że tamte
rozważania wskazywały, iż rezystancja
wejściowa nie jest stała, tylko zmienia
się w zależności od prądu bazy i kolekto−
ra? Doszliśmy do wniosku, iż sygnał wyj−
ściowy w najprostszym układzie wzmac−
niacza tranzystorowego będzie bardzo
zniekształcony? Zobacz rysunki w
EdW4/98 na str. 76, 79. Zwróć uwagę, że
tamte rozważania tak naprawdę dotyczy−
ły właśnie wzmacniacza OE i dotyczą
również naszych układów z rysunku 8.
Mało tego! Przecież wtedy na stały
prąd bazy i prąd kolektora będą mieć
znaczny wpływ nawet maleńkie zmiany
stałego napięcia na bazie! Porównaj rysu−
nek 6 w EdW 11/98. Zmiana stałego na−
pięcia polaryzującego bazę o około 60mV
spowodowałaby dziesięciokrotną zmianę
wartości stałego prądu kolektora. Czyli
tranzystor albo by się nasycił (napięcie
kolektora bliskie masy, prąd ograniczony
wartością R
C
), albo spadek napięcia na re−
zystorze kolektorowym byłby bardzo ma−
ły (napięcie kolektora bliskie dodatniemu
napięciu zasilania). W obu przypadkach
układ nie mógłby prawidłowo wzmacniać
przebiegów zmiennych, które przecież
muszą występować “na tle” napięcia
stałego (najlepiej około połowy napięcia
zasilającego). Czyżbyś też zapomniał o
wpływie temperatury na napięcie U
BE
(−2,2mV/°C)?, w układzie z rysunku 8a.
Wzrost temperatury struktury tranzy−
stora tylko o 8°C (przy niezmiennym na−
pięciu bazy) zmieni prąd kolektora dwu−
krotnie, tym samym doprowadzi do nasy−
cenia i uniemożliwi pracę wzmacniacza.
Co prawda obecność rezystancji R
B
(R
B1
i R
B2
) znacznie poprawia sytuację,
jednak mimo wszystko stabilność cieplna
i napięciowa układów z rysunku 8 jest
bardzo słaba. Nie musisz rozumieć wszy−
stkich szczegółów, zapamiętaj tylko po−
dany właśnie wniosek.
Czy już zauważyłeś, że istnieje bardzo
prosty sposób na zmniejszenie wpływu
zmian temperatury i napięcia zasilające−
go? Oczywiście chodzi o obecność rezy−
stora emiterowego R
E
. Jeśli spoczynko−
we napięcie stałe na R
E
będzie wynosić
choćby tylko 0,3V, wpływ zmian napięcia
bazy i temperatury zostanie zredukowany
do około 20% podanych przed chwilą
wartości. Gdy napięcie stałe na R
E
wynie−
sie 1,2V ten wpływ zmniejszy się dwu−
dziestokrotnie. Nie musisz zapamiętywać
tych szczegółów – musisz tylko wiedzieć,
że czym większe napięcie stałe na R
E
,
tym spoczynkowy prąd kolektora mniej
zależy od temperatury i wahań napięcia
polaryzującego bazę. Inaczej mówiąc,
zwiększanie wartości R
E
czyni układ bar−
dziej stabilnym, niezależnym od wielu
czynników, w tym temperatury.
Oczywiście jak zwykle nie można
przesadzić. Nadmierne zwiększanie rezy−
stancji R
E
zwiększa napięcie U
RE
i ograni−
cza zakres zmian napięcia kolektora – po−
równaj rysunki 3b, 4b, 5b i 6b.
Jeśli to rozumiesz, właśnie skutecznie
ominąłeś nudne podręcznikowe rozważa−
nia na temat sprzężenia zwrotnego w
tranzystorowym układzie OE. Nie twier−
dzę, że takie rozważania są niepotrzebne
– może kiedyś wrócisz do nich. Twierdzę
tylko stanowczo, że próba tłumaczenia
początkującym właściwości tranzystora
za pomocą zawiłych rozważań i wzorów
dotyczących różnych rodzajów sprzęże−
nia zwrotnego, przynosi więcej szkody
niż pożytku i niepotrzebnie ich stresuje.
Ty uzbrojony w świeżo zdobytą wiedzę,
być może zaproponujesz, żeby pozostać
przy stabilnym układzie z rysunku 6, a w
celu zwiększenia wzmocnienia zreduko−
wać R
E1
do zera, uzyskując układ pokaza−
ny na rysunku 9a. Świetnie! Zrobiłeś spo−
ry postęp! Czasami rzeczywiście stosuje−
my taki układ. Niekiedy stosujemy rów−
nież układ z rysunku 9b. Dzięki dołączeniu
Rezystancja wejściowa
Wiesz, jak na dwa różne sposoby
zwiększać wzmocnienie. Okazuje się
jednak, że zwiększając wzmocnienie,
zmniejszasz rezystancje wejściową tran−
zystora (na razie pomijamy wpływ R
B
i
rozważamy oporność samego tranzysto−
ra).
Wracamy do układu OC z rysunku 2.
Jak w każdym układzie OC rezystancja
wejściowa dla przebiegów zmiennych sa−
mego tranzystora jest
−krotnie (ściślej
+1−krotnie) większa niż rezystancja R
E
.
Dokładnie tak samo jest w układzie z ry−
sunku 3.
W układzie z rysunku 4 zwiększyliśmy
wzmocnienie, zmniejszając rezystancję
R
E
do 3,3k
−krotnie
większa od R
E
.
Ale ponieważ re−
zystancja R
E
jest
trzykrotnie mniej−
sza, rezystancja
wejściowa też jest
trzykrotnie mniej−
sza.
To nie przypa−
dek, bo wzmoc−
nienie wynosi wła−
śnie 3.
Podobnie jest
w układzie z ry−
sunku 5. Dwukrotne wzmocnienie uzy−
skaliśmy zmniejszając rezystancję emite−
rową dla przebiegów zmiennych, i rezy−
stancja wejściowa jest
Rys. 7
−krotnie większa
od tej wypadkowej rezystancji emitero−
wej
(
).
I co, proste?
Występuje tu oczywista zależność:
zmniejszając rezystancję emiterową
zmniejszamy rezystancję wejściową tran−
zystora. Cóż, trudno. Coś za coś, nic za
darmo: większe wzmocnienie to mniej−
sza rezystancja wejściowa dla przebie−
gów zmiennych. Najważniejsze jednak,
że układ wzmacnia!
No i co? Wszystko poszło gładko, bez
żadnych problemów! A Ty tak bałeś się
* 5k
Rys. 8
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99
37
. Uważaj! Nadal, podobnie
jak w układzie OC, rezystancja wejściowa
jest
Pierwsze kroki
rezystora R1 do kolektora, a nie do dodat−
niego bieguna zasilania, znacznie popra−
wia się stabilność stałoprądowego punk−
tu pracy. Jeśli z jakichkolwiek powodów
(np. zmiany temperatury) prąd stały ko−
lektora wzrośnie, to napięcie kolektora
obniży się, i tym samym obniży się napię−
cie na bazie. Spowoduje to zmniejszenie
prądu kolektora. W praktyce wahania sta−
łego napięcia kolektora pod wpływem
zmian temperatury nie będą większe niż
1V – wynik zupełnie wystarczający do
wielu zastosowań. Obliczanie wartości
elementów nie jest trudne. Zwykle chce−
my, żeby stałe napięcie na kolektorze by−
ło równe połowie napięcia zasilającego
wrócimy do tego tematu. Ale wcześniej
kolejna ogromnie ważna sprawa.
Oporność wyjściowa
wzmacniacza OE
Z dotychczasowych rozważań wynika
niedwuznacznie prosta zależność: zwięk−
szając wzmocnienie, zmniejszamy rezy−
stancję wejściową. A zmniejszanie rezy−
stancji wejściowej jest istotną wadą.
Czy jest to nieuniknione?
Może zaproponujesz po prostu, by
zwiększyć wszystkie rezystancje, na
przykład dziesięciokrotnie. Jeśli wszyst−
kie rezystancje wzrosną w takim samym
stopniu, napięcia w ukła−
dzie nie powinny się
zmienić – zmniejszą się
tylko prądy (ale to chyba
dobrze, bo układ będzie
zużywał mniej energii).
Rys. 11
. A więc spadek napięcia na rezy−
storze R
C
zmniejszył się dziesięciokrotnie,
czyli napięcie zmienne na kolektorze
zmniejszyło się dziesięciokrotnie. Nato−
miast napięcie stałe na kolektorze, mie−
rzone względem masy, zwiększyło się.
Nie pojawiły się zniekształcenia, ani nie
zmieniła się częstotliwość.
Tak na marginesie − te 200
to wypad−
kowa rezystancja równoległego połącze−
nia rezystancji 2k
Rzeczywiście, zwięk−
szenie rezystancji (w tym
rezystancji w emiterze)
korzystnie zwiększy rezy−
stancję wejściową.
Zwiększajmy więc...
Czy już widzisz problem? Nie?
To przeanalizuj podany przykład.
Na rysunku 11a pokazano fragment
wzmacniacza tranzystorowego. Załóżmy,
że bez zewnętrznego obciążenia, na wyj−
ściu występuje napięcie sinusoidalne
1kHz o wartości
skutecznej 2V. Co
się stanie, jeśli do
wyjścia dołączy−
my rezystor ob−
ciążenia o rezy−
stancji 220
i 220
. Ściśle biorąc,
− ale w elektro−
nice, inaczej niż w szkolnej matematyce,
nie musimy wykonywać idealnie precy−
zyjnych obliczeń, choćby dlatego, że rze−
czywiste elementy mają znaczny rozrzut
parametrów, przykładowo tolerancja ty−
powych rezystorów wynosi 5...10%, a
precyzyjne rezystory o tolerancji lepszej
niż 1% są dla amatorów praktycznie nie
do zdobycia. Dlatego zaokrąglenie warto−
ści rezystancji obliczonej w tym przykła−
dzie o mniej niż pół procenta nie ma naj−
mniejszego znaczenia.
A teraz wyobraź sobie, że dziesięcio−
krotnie zwiększyłeś wszystkie rezystan−
cje w układzie. Wszystkie prądy zmniej−
szą się dziesięciokrotnie. Bez zewnętrz−
nego obciążenia napięcie wyjściowe (na
rezystorze R
C
o wartości 20k
Rys. 9
(U
RC
=0,5Uzas). Zakładamy jakiś prąd ko−
lektora (zwykle od 1mA do kilku mA) i
obliczamy wartość R
C
= 0,5Uzas / Ic
Prąd dzielnika R
B1
, R
B2
powinien wy−
nosić około 0,1Ic, by był znacznie więk−
szy od prądu bazy. Napięcie na rezystorze
R
B1
będzie wynosić około 0,6V.
Stąd R
B1
= 0,6V / 0,1Ic = 6V / Ic
Ponieważ suma napięć na R
B2
i R
B3
ma
wynosić 0,5Uzas – 0,6V, a prąd dzielnika
wynosi 0,1Ic (pomijamy prąd bazy), więc
(R
B2
+R
B3
) = (0,5Uzas – 0,6V) / 0,1Ic
Zamiast przeprowadzać obliczenia,
można przyjąć R2=R3=5Rc, a wartość
R
B1
dobrać eksperymentalnie, by napięcie
na kolektorze wynosiło 0,5Uzas.
Do zastosowań audio pojemność kon−
densatora (elektrolitycznego CB) może
wynosić 100
, jak
pokazano na ry−
sunku 11b? Od−
powiedz na pyta−
nia:
1. Czy zmieni
się wartość
zmiennego napięcia wyjściowego?
2. Czy zmieni się napięcie stałe na ko−
lektorze tranzystora?
3. Czy pojawią się zniekształcenia sy−
gnału sinusoidalnego?
4. Czy zmieni się częstotliwość sygna−
łu?
Spróbuj odpowiedzieć sam!
Słusznie! Dodanie zewnętrznego ob−
ciążenia zmniejsza wypadkową rezystan−
cję dołączoną do źródła prądowego, jakim
jest obwód kolektora. Zgodnie z prawem
Ohma
U = I * R
Czym mniejsza dołączona rezystancja,
tym mniejsze napięcie wyjściowe. Prąd ko−
lektora się nie zmienił, natomiast rezystan−
cja obciążenia zmniejszyła się z 2k
) nadal jest
równe 2Vsk. Ale jeśli teraz do wyjścia do−
łączysz rezystancję obciążenia równą
220
, to...
No właśnie – ponieważ rezystancja ob−
ciążenia zmniejszy się z 20k
F.
Zauważ, że duży kondensator CB dla
sygnałów zmiennych stanowi zwarcie.
Tym samym nie przepuszcza zmiennych
sygnałów (sprzężenia zwrotnego) z kolek−
tora na bazę. Dzięki temu dla przebiegów
zmiennych układ ma duże wzmocnienie,
ale małą rezystancję wejściową i duże
zniekształcenia. Natomiast spoczynkowy
(stałoprądowy) punkt pracy jest stabilizo−
wany dzięki (silnemu ujemnemu) sprzęże−
niu zwrotnemu z kolektora na bazę.
Oczywiście w układach z rysunku 9
można dodać niewielki rezystor emitero−
wy, by kosztem zmniejszenia wzmocnie−
nia zwiększyć rezystancję wejściową i po−
prawić liniowość.
I wychodzi na to, że w praktyce najczę−
ściej będziemy stosować układ pokazany
na rysunku 10. W następnym odcinku
Rys. 10
, a
prąd kolektora jest teraz dziesięciokrotnie
mniejszy, napięcie wyjściowe drastycz−
nie spadnie około 92 razy z 2Vsk do
21,7mV!
Czy teraz już wiesz, dlaczego zwięk−
szanie wszystkich rezystancji w układzie
(w tym rezystancji w kolektorze i emite−
rze) nie rozwiązuje problemu. Chcieliśmy
tym zwiększyć rezystancję wejściową i
zwiększyliśmy. Niestety, okazało się, że
po dołączeniu obciążenia napięcie wyj−
ściowe niedopuszczalnie się zmniejszyło.
Okazuje się, że nasz wzmacniacz w ukła−
dzie OE ma dużą rezystancję wyjściową.
Co prawda my zwykle traktujemy ob−
wód kolektora jako źródło prądowe pracu−
jące na obciążenie R
C
(sytuację dla prze−
biegów zmiennych pokazuje rysunek 12a),
do 217
do oko−
38
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99
ło 200
wynik obliczeń to198,2
Pierwsze kroki
2. Czy zmieni się napięcie stałe na ko−
lektorze tranzystora?
Odrobinę trudniejsze, prawda? Kon−
densator separujący dla przebiegów
zmiennych stanowi zwarcie, dla stałych
stanowi przerwę. Już wiesz:
1. Napięcie stałe na kolektorze tranzy−
stora nie zmieniło się, bo wskutek obe−
cności kondensatora rezystancja dla prą−
du stałego widziana od strony kolektora
nadal jest równa 2k
tranzystorem T2. Nie musisz liczyć dokła−
dnie, wystarczą wartości przybliżone.
Przy założeniu, że
, a po uwzględnieniu rezy−
stancji polaryzujących R3 i R4 wypadko−
wa rezystancja wejściowa wynosi około
20k
Rys. 12
.
Tym samym − uważaj – obciążeniem
tranzystora T1 będzie nie tylko rezystor
R
C1
, ale rezystancja równoległego połą−
czenia R
C1
(20k
ale śmiało możemy narysować schemat
zastępczy wzmacniacza OE w bardziej
zrozumiałej postaci, ze źródłem napięcio−
wym i szeregową rezystancją wyjściową
jak na rysunku 12b. Nasz wzmacniacz za−
chowuje się tak, jakby na wyjściu umie−
szczono jakąś szeregową rezystancję –
właśnie jego rezystancję wyjściową.
Oczywiście po dołączeniu zewnętrznego
obciążenia napięcie wyjściowe zmniejszy
się. Czym większa będzie wewnętrzna
rezystancja wyjściowa R
WY
w stosunku
do rezystancji obciążenia R
L
, tym napię−
cie wyjściowe będzie mniejsze.
A jaka jest wartość rezystancji wyj−
ściowej w układzie OE? Nie będziemy się
rozdrabniać, jeśli chcesz, sprawdź sam –
rezystancja wyjściowa układu OE jest
równa rezystancji opornika R
C
umie−
szczonego w kolektorze.
To zupełnie inaczej niż w układzie
wspólnego kolektora, gdzie (przy niezbyt
dużych sygnałach) dołączenie rezystancji
obciążenia R
L
przez kondensator prak−
tycznie nie zmieniało zmiennego napięcia
wyjściowego. Czyli rezystancja wyjścio−
wa była bardzo mała. Skąd taka różnica?
Tam była inna sytuacja – napięcie (sta−
łe i zmienne) na emiterze było wymuszo−
ne przez napięcie na bazie. Tu masz prak−
tyczny przykład właściwości źródła prądo−
wego. Napięcie na wyjściu jest wynikiem
przepływu prądu przez obciążenie kolek−
torowe. Czyli wszystko zależy od oporno−
ści w obwodzie kolektora. Zauważ, że de−
cydujący wpływ na wzmocnienie napię−
ciowe ma wypadkowa oporność (impe−
dancja) obciążenia. Do tego wątku wróci−
my w następnym odcinku.
Tymczasem przeanalizujmy kolejny
przykład. Wzmacniacz jest ten sam co na
rysunku 11, napięcia stałe i zmienne bez
obciążenia też takie same. Tylko teraz ze−
wnętrzny rezystor obciążenia (220
.
2. Wartość napięcia zmiennego po−
winna się zmniejszyć do 0,2Vsk, bo dla
prądów zmiennych rezystancja obciąże−
nia widziana od strony kolektora zmniej−
szyła się tak samo jak w poprzednim
przykładzie z 2k
) i obliczonej właśnie re−
zystancji wejściowej następnego stopnia
(około 20k
). Obciążenie w kolektorze
będzie więc mieć około 10k
, czyli
uwzględniając wartość R
E1
wzmocnienie
pierwszego stopnia będzie równe nie 20,
tylko 10.
Przy podanych wartościach okazało
się, że wzmocnienie pierwszego stopnia
wyniesie 10 razy, wzmocnienie drugiego
4 razy, czyli wypadkowe wzmocnienie za−
miast spodziewanego 400 razy wyniesie
jedynie 40 razy.
.
Ma to bardzo ważne konsekwencje
praktyczne.
Przypuśćmy, że zaprojektowałeś
oszczędny wzmacniacz z rysunku 14a
(przypuśćmy, że rezystancje R1 i R3 mają
mieć po 430k
do 200
), który jak łatwo obliczyć,
ma wzmocnienie równe 20 razy. To trochę
za mało do Twoich
celów, więc do je−
go wyjścia dołą−
czasz drugi taki
sam stopień
wzmocnienia.
Układ wygląda jak
na rysunku 14b.
Czy wypadkowe
wzmocnienie wy−
niesie 20 x 20 =
400 razy?
Po stokroć nie!
Zrozum to i zapamiętaj raz na zawsze.
Niedoświadczeni elektronicy bardzo czę−
sto zapominają o wpływie oporności wej−
ściowej i wyjściowej we wzmacniaczu
OE. Zacznijmy od końca. Wzmocnienie
wzmacniacza z tranzystorem T2 będzie
równe 20 (R
C2
/R
E2
) tylko wtedy, gdy
wzmacniacz nie będzie obciążony, a prak−
tycznie wtedy, gdy zewnętrzne obciąże−
nie R
L
będzie zdecydowanie większe niż
R
C2
. Po obciążeniu wzmocnienie będzie
wyznaczone stosunkiem wypadkowej re−
zystancji kolektorowej i R
E2
, czyli wynie−
sie (R
C2
|| R
L
) / R
E2
. Możesz obliczyć, że
drugi stopień będzie miał wzmocnienie
równe 4.
Ale to nie koniec. Oblicz, jaka jest
oporność wejściowa R
WE2
wzmacniacza z
Rys. 14
W zasadzie to jeszcze nie wszystko. Ca−
ły układ ma rezystancję wejściową około
20k
, co może być istotnym obciążeniem
dla źródła sygnału i wtedy wypadkowe
wzmocnienie będzie jeszcze mniejsze.
Przeanalizuj dokładnie podany przy−
kład. Czy teraz już dokładnie rozumiesz,
że nie wolno zapominać o rezystancji
wyjściowej i wejściowej wzmacniacza
OE?
Umęczyłem Cię zależnościami wystę−
pującymi we wzmacniaczu ze wspólnym
emiterem. Co z tego koniecznie musisz
zapamiętać?
Najważniejsze są następujące wnioski:
1. Zwiększanie wzmocnienia następu−
je kosztem zmniejszania rezystancji wej−
ściowej
2. Rezystancja wyjściowa jest równa
rezystancji R
C
umieszczonej w obwodzie
kolektora.
W następnym odcinku zaprojektujemy
też wspólnie dwa wzmacniacze OE. A po−
nieważ wzmacniacz OE nadal kryje pew−
ne tajemnice, podam Ci kilka dalszych
ciekawych informacji.
) jest
dołączony nie wprost, tylko przez kon−
densator o bardzo dużej pojemności. Wy−
gląda to jak na rysunku 13a lub 13b. Czy
sposób dołączenia obciążenia coś zmie−
nia? Oczywiście nie! Dla przebiegów
zmiennych zupełnie nie ma różnicy, czy
obciążenie podłączone jest do plusa zasi−
lania czy do masy – przecież dla sygna−
łów zmiennych szyna zasilania to to sa−
mo co obwód masy.
Jeśli tak, to odpowiedz na pytania:
1. Czy zmieni się wartość zmiennego
napięcia wyjściowego?
Piotr Górecki
Rys. 13
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99
39
Ω
rezystancja samego tranzystora wynosi
około 100k
=100 i R
E2
=1k