ZESPÓŁ SZKÓŁ Nr 9 im. Romualda Traugutta

W KOSZALINIE

Opracowanie teoretyczne

Temat ćwiczenia:

Badanie układów wejściowych

Koszalin rok szk. 2004/2005

1. Uwagi ogólne

Jedną z dziedzin o najszerszym zastosowaniu tranzystorów są wzmacniacze małej częstotliwości. Cechy, jakie ma tranzystor, zdecydowały o jego przewadze nad lampą elektronową w zastosowaniu do wzmacniaczy małej częstotliwości.

Należą do nich przede wszystkim: małe wymiary, brak żarzenia, praca przy bardzo niskich napięciach zasilania, duża sprawność, zupełny brak zjawiska mikrofonowania i przydźwięku itp. Tranzystor ma jednak i wady, z których najważniejszą jest zależność parametrów od temperatury oraz duży rozrzut parametrów poszczególnych egzemplarzy. Jednakże wady te nie są groźnie, gdyż można je zmniejszyć przez odpowiednie zaprojektowanie układu (ujemne sprzężenie zwrotne, wybór odpowiedniego układu itp.)

Przy projektowaniu wzmacniaczy małej częstotliwości należ zwrócić uwagę na trzy podstawowe zagadnienia, a mianowicie: wybór najbardziej właściwego układu, wybór optymalnego punktu pracy i jego stabilizacja oraz wybór rodzaju sprzężenia między stopniami. Jednym z najbardziej ważnych jest wybór optymalnego punktu pracy i jego stabilizacja. Punkt pracy wpływa bezpośrednio na wartość wzmocnienia, zniekształcenia nieliniowe, poziom szumów, oporność wejściową i wyjściową, moc strat w kolektorze, a tym samym i na moc wyjściową oraz stałość pracy. Z drugiej strony, na punkt pracy ma pośredni wpływ zmiana temperatury poprzez zmianę prądu zerowego kolektora. Zatem układ musi mieć odpowiednią stabilizację temperaturową. W stopniach wejściowych i pośrednich zagadnienie stabilizacji jest stosunkowo proste. Sprowadza się ono do wyboru i zaprojektowania odpowiedniego układu zasilania. Natomiast w stopniach mocy (szczególnie przy pracy w klasie B), zagadnienie stabilizacji jest bardziej skomplikowane. Przy niewłaściwym zaprojektowaniu układu w tranzystorze mocy, pracującym w wysokiej temperaturze, może wystąpić zjawisko niestabilności termicznej, które doprowadza nawet do zniszczenia tranzystora.

W stopniu wejściowym istnieje problem szumów. Poziom szumów zależy w dużej mierze od wartości prądu i napięcia kolektora. Z drugiej strony, z prądem i napięciem kolektora związane są inne parametry wzmacniacza, jak: wzmocnienie, zniekształcenia, czy też oporność wejściowa. Dlatego o wyborze punktu pracy w tym stopniu decyduje przede wszystkim cel, do jakiego ma służyć wzmacniacz.

O wyborze układu pracy tranzystora i rodzaju sprzężenia między poszczególnymi stopniami decydują przede wszystkim właściwości poszczególnych układów tranzystora oraz warunki, jakie musi spełnić projektowany wzmacniacz. Ze względu na możliwość uzyskania maksymalnego wzmocnienia oraz maksymalnej mocy wyjściowej (wzmacniacze mocy) należałoby stosować sprzędzenia transformatorowe. Ze względu na dopasowanie oporności źródła wejściowego, co ma miejsce przy stopniu wejściowym dla uzyskania minimalnej wartości szumów, transformator może stać się niezbędnym. Zastosowanie transformatora zwiększa jednak koszty i wymiary urządzenia. Jest źródłem dodatkowych zniekształceń liniowych i nieliniowych, wprowadza przesunięcie fazowe, które ogranicza możliwość stosowania silnego ujemnego sprzężenia zwrotnego. W stopniach mocy jest on źródłem powstawania dodatkowych zniekształceń, spowodowanych indukcją rozproszenia, co objawia się w postaci niepożądanych pików napięcia.

O wyborze stopnia mocy decydują przede wszystkim względy ekonomiczne. Dlatego też stopnie mocy pracują najczęściej w klasie B. Klasa B charakteryzuje się dużą sprawnością, która teoretycznie wynosi 78 %, natomiast w klasie A - wynosi 50 %. Jednakże stopień w klasie A ma mniejsze zniekształcenia oraz ustalone wartości oporności wejściowej i wyjściowej (niezależne od wysterowania).

2. Wtórnik emiterowy

Konwencjonalnym układem wtórnika emiterowego jest układ wspólnego kolektora OC. Układ OC charakteryzuje się wysoką opornością wejściową, niską opornością wyjściową oraz wzmocnieniem napięciowym bliskim jedności. W tym miejscu rozważamy układ wtórnika emiterowego jako układ umożliwiający uzyskanie dużej oporności wejściowej. Zagadnienie to jest bardzo ważne w układach tranzystorowych, gdyż tranzystor jest elementem niskooporowym, a w technice układowej zachodzi dosyć zachodzi dosyć często potrzeba uzyskania wysokiej oporności wejściowej układu.

Oporność wejściowa układu OC wyraża się zależnością:

R_we = r_b +

Jak widać z powyższej zależności, oporność wejściowa wtórnika emiterowego w znacznej mierze zależy od oporności obciążenia R_L. Dla wartości R_L dążącej do zera

R_we

Dla wartości R_L dążącej do nieskończoności

R_we

natomiast dla wartości pośrednich, kiedy spełniony jest warunek:

oporność wejściowa wyraża się zależnością

R_we = (1+β) R_L

Z powyższego rozumowania wyraźnie widać, że oporność wejściowa wtórnika emiterowego - jak na rysunku 1 - nie może być większa niż oporność kolektora r_c. Zatem, możliwość uzyskania wysokiej oporności wejściowej w omawianym układzie są ograniczone. Wartość oporności r_c jest zależna od punktu pracy układu, jest ona odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora i wprost proporcjonalna do napięcia kolektora. Interesującą cechą układu wtórnika emiterowego jest także oporność wyjściowa, która wyraża się zależnością:

R_wy = r_e +

gdzie R_g jest opornością źródła sterującego wtórnik emiterowy.

Analogicznie, oporność wyjściowa wtórnika emiterowego zależy od oporności źródła.

Dla

R_g
r_e + r_b (1 - α),

R_wy
r_e + r_b (1 - α),

kiedy

R_g
∞

R_wy
r_c (1 - α)
natomiast dla wartości pośrednich R_g, kiedy spełniony jest warunek:

r_c >> R_g >>R_b

R_wy = R_g (1- α)

Rys. 1. Konwencjonalny układ wtórnika emiterowego.

Rysunek 1. przedstawia Układ wtórnika emiterowego bez uwzględnienia elementów układu polaryzacji bazy tranzystora. Rezystory polaryzujące bazę bocznikują obwód bazy przez co zmniejszają rezystancję wejściową wtórnika emiterowego. Rezystory R_B1 i R_B2 (rys. 2) są połączone szeregowo dla napięcia stałego zasilania, natomiast dla sygnału wejściowego rezystory te są połączone równolegle ponieważ źródło napięcia zasilającego stanowi zwarcie dla sygnałów zmiennych. Na rys. 2. pokazano wpływ rezystorów polaryzujących bazę tranzystora. Prąd wejściowy I_we  rozpływa się na prądy I_RB1 i I_RB2 płynące przez rezystory R_B1 i R_B2 oraz na prąd sterujący tranzystor I_B. Prąd sterujący I_B jest znacznie mniejszy w porównaniu z konwencjonalnym układem o wspólnym emiterze ponieważ rezystor R_L wprowadza 100 % ujemne sprzężenie zwrotne prądowo - szeregowe, które zawiększa rezystancję wejściową i zmniejsza rezystancję wyjściowa.

Rys. 2. Wtórnik napięciowy z układem polaryzacji bazy tranzystora

Dla stabilnej pracy układu suma rezystancji R_B1 i R_B2 nie może być zbyt duża. Przyjmuje się, że prąd stały płynący przez rezystory polaryzujące bazę tranzystora powinien być co najmniej dziesięciokrotnie większy od wartości prądu stałego płynącego przez bazę tranzystora.

Wynika stąd, że rezystancja wejściowa wtórnika emiterowego jest zawsze mniejsza niż wypadkowe rezystancja zastępcza równolegle połączonych rezystorów R_B1 i R_B2.

3. Układ kaskadowy super alfa

Lepsze rezultaty można osiągnąć w układzie jak na rysunku 3. Jest to układ składający się z dwu tranzystorów połączonych kaskadowo, które w wyniku stanowią jak gdyby jeden tranzystor o wysokim wzmocnieniu prądowym β.

Prąd bazy drugiego tranzystora jest jednocześnie prądem emitera pierwszego tranzystora. W tym właśnie tkwi trudność układu. Prąd bazy tranzystora T₁ powinien być 2β razy mniejszy od prądu kolektora tranzystora T₂. A zatem, jest on porównywalny z prądem zerowym kolektora tranzystora T₁. Prąd zerowy ma różną wartość zależnie od typu i egzemplarza tranzystora i może być większy od pożądanego prądu bazy tranzystora T₂. W takim przypadku baza tranzystora T₂ musi być polaryzowana w kierunku nieprzewodzenia (zaporowym).

Rys. 3. Układ kaskadowy super alfa

Rozpatrując ten układ widzimy, że w zakresie średnich wartości oporności R_L, opornością obciążenia pierwszego tranzystora jest (β +1)² R_L , zatem oporność wejściowa układu wnosi:

R_we = (β +1)² R_L

Analogicznie oporność wyjściowa:

R_wy =

Uwzględniając fakt, że prąd stały I_B1 polaryzujący bazę tranzystora T₁ jest mniejszy β razy od prądu bazy tranzystora T₂ to rezystory polaryzujące bazę R_B1 i R_B2 mogą mieć znacznie większą wartość. Zatem rezystancja wejściowa układu super alfa jest wielokrotnie większa niż wtórnika emiterowego.

4. Układ bootstrap

Na rysunku 4. przedstawiono sposób uniknięcia bocznikującego oporność wejściową wpływu oporności dzielnika zasilającego. Wtórnik emiterowy ma wzmocnienie napięciowe prawie równe jeden. Oznacza to, że napięcie sygnału na bazie tranzystora T₁ jest prawie takie samo jak na emiterze a tym samym w punkcie A. W efekcie na rezystorze R_D występuje bardzo małe napięcie a prąd przez niego płynący jest bardzo mały. Dzięki temu układowi wpływ oporności dzielnika na oporność wejściową wzmacniacza jest minimalny.

Rys. 4. Sposób zasilania obwodu wejsciowego wtórnika emiterowego

Z powyższego rysunku można wysnuć wniosek, że prąd wejściowy I_we jest prakrycznie równy prądowi bazy tranzystora I_B, czyli dzielnik napięcia R_B1 i R_B2 nie ma wpływu na rezystancję wejściową układu.

4

Badanie wzmacniacza operacyjnego.

7

Przygotowanie teoretyczne

8

Badanie układów wejściowych

2

Badanie układów wejściowych

---