2011-12-12
1
9. Podstawowe układy
wzmacniaczy
Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 9
1
Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 9
2
Modele tranzystorów
Model urządzenia technicznego to zbiór wiadomości umożliwiających
przewidywanie właściwości i analizowanie działania tego urządzenia w różnych
sytuacjach.
Dla tranzystorów wyróżnia się dwa rodzaje modeli:
• modele fizyczne stanowiące możliwie wierne odbicie zjawisk zachodzących
wewnątrz tranzystora
• modele macierzowe (końcówkowe) opisujące zewnętrzne zachowanie się
tranzystora traktowanego jako "czarna skrzynka„
Dalej rozważamy jedynie model macierzowy tranzystora
Charakteryzuje on tranzystor jako czwórnik.
Dla składowych zmiennych (dla sygnału) wyróżnia się opis tranzystora przy
wykorzystaniu macierzy hybrydowej z parametrami mieszanymi [h], macierzy
admitancyjnej [y] i macierzy rozproszenia [s].
Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 9
3
.
Ograniczając się do analizy właściwości wzmacniaczy w zakresie małych
częstotliwości tj. dla częstotliwości do setek kHz stosuje się zwykle
macierz [h].
Parametry tej
macierzy
są określane jako wielkości rzeczywiste i
dogodne są w tym zakresie częstotliwości warunki pomiaru tych
parametrów.
Wymagane jest podczas pomiaru zwieranie wyjścia i rozwieranie wejścia
(dla składowych zmiennych) a dla tranzystora bipolarnego można łatwo
spełnić te warunki ze względu na niewielką impedancję wejściową i dość
znaczną impedancję wyjściową (odpowiednio rzędu kilku i kilkudziesięciu
kiloomów).
Przyjmując i
1
i u
2
jako zmienne niezależne i u
1
oraz i
2
jako zmienne
zależne można czwórnik opisać równaniami mieszanymi:
u = h i + h u
i = h i + h u
1
11 1
12 2
2
21 1
22 2
przy czym: i
1
, i
2
, u
1
, u
2
- wartości chwilowe
prądów
i
napięć
małych
sygnałów
zmiennych na
wejściu
(indeks 1)
i
wyjściu (indeks 2).
2011-12-12
2
Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 9
4
Parametry h
ij
h
u
i
u
11
1
1
0
2
h
u
u
i
12
1
2
0
1
h
i
i
u
21
2
1
0
2
h
i
u
i
22
2
2
0
1
- impedancja wejściowa
- współczynnik oddziaływania zwrotnego
- współczynnik wzmocnienia prądowego
- admitancja wyjściowa
Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 9
5
Wartości parametrów h zależą od konfiguracji pracy tranzystora.
Rodzaj konfiguracji oznaczony jest indeksem literowym: b - dla układu
wspólnej bazy (WB), e - dla układu wspólnego emitera (WE) i indeksem
c - dla układu wspólnego kolektora (WC).
parametry h dla konfiguracji WE
h
u
i
e
be
b
u
ce
11
0
h
u
u
e
be
ce
i
b
12
0
h
i
i
e
c
b
u
ce
21
0
h
i
u
e
c
ce
i
b
22
0
- impedancja wejściowa w konfiguracji WE
- współczynnik oddziaływania zwrotnego w konfiguracji WE
- współczynnik wzmocnienia prądowego dla konfiguracji WE
- admitancja wyjściowa w konfiguracji WE
h
k
e
11
4
h
e
21
4
2 2 10
,
h
e
21
250
h
S
e
22
20
Na przykład dla tranzystora BC107 i punktu pracy IC=2mA oraz częstotliwości sygnału f=1000 Hz
Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 9
6
Ilustracja sposobu wyznaczania parametrów h
ije
przy wykorzystaniu charakterystyk
statycznych tranzystora w konfiguracji WE
2011-12-12
3
Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 9
7
Zależność pomiędzy parametrami h dla różnych konfiguracji
Istnieje tożsamościowy związek między parametrami h
ij
dla różnych konfiguracji.
Znając zestaw tych parametrów dla jednej konfiguracji można obliczyć wszystkie
parametry dla dwóch pozostałych.
Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 9
8
Model tranzystora opisany macierzą h ; a) pełny b) uproszczony
W uproszczonej wersji pominięto parametry h
12
i h
22
bo w rzeczywistości h
12
<< 1
zatem źródło napięcia h
12
u
2
jest niewielkie i można je traktować jako zwarcie,
i h
22
<< 1 zatem impedancję 1/ h
22
jako bardzo dużą można traktować jako rozwarcie
Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 9
9
Wzmacniacz z tranzystorem w konfiguracji wspólnego emitera
Jednostopniowy wzmacniacz z tranzystorem w konfiguracji WE
(inaczej: wzmacniacz o sprzężeniu pojemnościowym lub wzmacniacz RC)
Rezystory R
1
i R
2
- potencjometryczne zasilanie bazy
Rezystor R
E
- sprzężenie emiterowe zapewniające dobrą stałość punktu pracy
Kondensatory C1 i C2 separują układ od zewnętrznych napięć stałych oraz umożliwiają doprowadzenie sygnału do
bazy tranzystora (kondensator C1) i odprowadzenie wzmocnionego sygnału do obciążenia (kondensator C2)
Kondensator C
E
bocznikuje rezystor sprzężenia R
E
2011-12-12
4
Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 9
10
Schemat zastępczy wzmacniacza z tranzystorem opisanym uproszczonym modelem
Zasada konstrukcji schematu zastępczego:
1. stosowany jest uproszczony model tranzystora opisany parametrami
mieszanymi [h],
2. dla średnich częstotliwości reaktancje kondensatorów są na tyle małe, że
miejsca ich występowania można uznać za zwarcie,
3. obydwa bieguny baterii (masa i U
CC
) są zwarciem dla składowej zmiennej
(bo rezystancja wewnętrzna idealnego źródła napięciowego jest zerowa)
Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 9
11
k
u
u
h
i
R
R
i h
h
h
R
R
u
e b
C
L
b
e
e
e
C
L
2
1
21
11
21
11
Wzmocnienie napięciowe
Znak minus we wzorze
oznacza, że faza napięcia
wyjściowego jest odwrócona
względem fazy napięcia
wejściowego o 180
Wzmocnienie prądowe
k
i
i
h
i
R
R
R
i
h
R
R
h
R
R
R
R
h
R
i
e b
C
L
C
b
e
B
B
e
C
L
C
B
e
B
2
1
21
11
21
11
Rezystancja wejściowa
R
R
R
h
we
e
1
2
11
Rezystancja wyjściowa
R
R
wy
C
Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 9
12
Wzmacniacz z tranzystorem w konfiguracji wspólnego kolektora
(wtórnik emiterowy)
a) schemat ideowy
b) schemat zastępczy
2011-12-12
5
Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 9
13
Wzmocnienie napięciowe
k
u
u
h
R
R
h
R
R
h
u
e
E
L
e
E
L
e
2
1
21
21
11
1
1
1
R
u
i
i h
h
i
R
R
i
h
h
R
R
wet
b
b
e
e
b
E
L
b
e
e
E
L
1
11
21
11
21
1
1
Rezystancję wejściową tranzystora między jego bazą a kolektorem
Rezystancja wejściowa
R
R
R
R
h
h
R
R
we
B
wet
B
e
e
L
E
11
21
1
Wzmocnienie prądowe
k
i
i
h
R
R
R
R
R
R
i
e
E
E
L
B
wet
B
2
1
21
1
Rezystancja wyjściowa
R
R
h
R
h
h
R
h
h
R
h
wy
E
e
B
e
e
B
e
b
B
e
11
21
11
21
11
21
1
1
Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 9
14
Wzmacniacz z tranzystorem w konfiguracji wspólnej bazy: a) schemat ideowy, b) schemat zastępczy
Wzmacniacz z tranzystorem w konfiguracji wspólnej bazy
Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 9
15
Wzmocnienie napięciowe
k
u
u
h
R
R
h
R
R
h
u
b
C
L
b
C
L
b
2
1
21
11
11
Wzmocnienie prądowe
k
i
i
h
R
R
R
R
R
h
i
b
C
C
L
E
E
b
2
1
21
11
1
Rezystancje wejściowa
R
R
h
we
E
b
11
Rezystancja wyjściowa
R
R
wy
C
2011-12-12
6
Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 9
16
Porównanie właściwości tranzystorów w różnych konfiguracjach
Parametr
WE
WK
WB
k
u
duże
<1
duże
k
i
duże
duże
<1
k
p
b. duże
niewielkie
niewielkie
R
we
średnia
duża
mała
R
wy
średnia
mała
duża
przesunięcie
fazy między
wyjściem a
wejściem
180
0
0
0
0
0