Tranzystory, cz19.pdf

(194 KB) Pobierz

4542001 UNPDF

Pierwsze kroki

Tranzystory

dla początkujących

część 19

Para różnicowa

W tym numerze przygotowałem długo oczekiwaną niespodziankę.

Zapoznaj się dokładnie z całym przedstawionym materiałem, bo jest to przepustka do nowych,

fascynujących obszarów elektroniki.

Wzmacniacz różnicowy

Teraz kolejny ważny układ. Połączmy

dwa wzmacniacze (OC i OB) w jeden –

ilustruje to rysunek 17a i 17b.

Jakie właściwości będzie miał ten

układ?

Gdy napięcie w punkcie A rośnie, ro−

śnie też napięcie na emiterze T1. Ponie−

waż napięcie U BE tranzystora T2 maleje,

zmniejsza się prąd płynący przez T2 i R C2 .

Napięcie na kolektorze T2 (w stosunku)

do masy rośnie. Do całkowitego zatkania

tranzystora T2 wystarczy podnieść na−

pięcie wejściowe o kilkadziesiąt miliwol−

tów. Podobnie, aby go nasycić wystarczy

obniżyć je o kilkadziesiąt miliwoltów. Już

to pokazuje, że układ ma duże wzmoc−

nienie prądowe i napięciowe, podobnie

jak wzmacniacz OE. Czy widzisz tu jakieś

podobieństwa z układem OE? Czy nie

masz wrażenia, że układ z rysunku

17b ma właściwości podobne jak

wzmacniacz OE, tylko nie odwraca fazy?

Tu rzeczywiście rezystancja wejścio−

wa będzie podobna jak w układzie OE −

nie przeocz faktu, że obciążeniem tranzy−

stora T1 wbrew pozorom nie jest rezy−

stancja R E , tylko równoległe połączenie

R E ir e tranzystora T2 − porównaj rysunek 4

Rys.. 17

β Τ1 *r e

Czyli tylko dwukrotnie większa niż

w układzie OE.

Natomiast wzmocnienie jest dwukrot−

nie mniejsze i wynosi

Ku = R C2 / 2r e

Niemniej nie jest to tylko “nieodwra−

cający odpowiednik wzmacniacza OE” −

ten układ ma szereg cennych właściwo−

ści, nie spotykanych we wcześniejszych

wzmacniaczach. W praktyce występuje

raczej w postaci jak na rysunku 17c −

z dwoma jednakowymi rezystorami

w obwodach kolektorowych tranzysto−

rów. Bardzo często wykorzystuje się sy−

gnał z obu kolektorów, czyli różnicę na−

pięć na kolektorach. Mówimy wtedy

o wyjściu różnicowym lub symetrycznym .

Może zresztą widziałeś ten układ

w nieco odmiennej postaci, pokazanej na

rysunku 18 i nazywanej wzmacniaczem

różnicowym. Różnicowym, ponieważ za−

równo wejście i wyjście są różnicowe.

Sygnał wejściowy nie jest już podawany

miedzy masę a jedno wejście, tylko mie−

dzy dwa wejścia. Nie masz chyba wątpli−

wości, że sygnał wyjściowy jest tu pro−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/99

39

w EdW 7/99. Wobec tego rezystancja

wejściowa będzie niewielka, około

Rwe = 2*

4542001.074.png

4542001.085.png

4542001.096.png

4542001.106.png

4542001.001.png

4542001.012.png

4542001.023.png

4542001.027.png

4542001.028.png

4542001.029.png

4542001.030.png

4542001.031.png

4542001.032.png

4542001.033.png

4542001.034.png

4542001.035.png

4542001.036.png

4542001.037.png

4542001.038.png

4542001.039.png

4542001.040.png

Pierwsze kroki

porcjonalny do różnicy napięć na bazach

obu tranzystorów . Czy tylko?

Analiza matematyczna wzmacniacza

różnicowego (z wykładniczą zależnością

prądu kolektora od napięcia U BE ) prze−

straszyła już niejednego początkującego

adepta elektroniki. My nie będziemy się

w to wgłębiać. Nie bój się – wzmacniacz

różnicowy możesz na dobry początek po−

traktować jako połączenie wzmacniaczy

OC i OB jak na rysunku 17 – łatwiej bę−

dzie Ci zrozumieć jego podstawowe wła−

ściwości. Możesz założyć, że jedno wej−

ście ma stały potencjał, a napięcie zmie−

nia się tylko na drugim, albo odwrotnie.

Tak jest, można powiedzieć, że układ ma

“jednakowe właściwości z obu stron”.

Potem powinieneś podejść do niego ina−

czej. Już schemat z rysunku 18 wskazu−

je, że jest to układ symetryczny. Jak to

rozumieć? Od czego zacząć?

Uważaj − przez wspólny rezystor emi−

terowy R E płynie jakiś prąd I E . Pomińmy

prądy baz − wtedy powiemy, że prąd I E

jest sumą prądów kolektora obu tranzy−

storów. Zaznaczyłem to na rysunku 18.

Czy prądy I C1 , I C2

będą równe?

To zależy od

różnicy napięć na

bazach obu tran−

zystorów − zau−

waż, że to różnica

napięć na bazach

zmienia rozpływ

prądu “emitero−

wego” pomiędzy

dwa tranzystory,

a tym samym

zmienia różnico−

we napięcie wyj−

ściowe.

Jasne?

A co wtedy,

gdy na oba wejścia podamy takie same

napięcie względem masy (lub zewrzemy

je i podamy na oba jakieś napięcie

zmienne)? Podajemy więc na zwarte

wejścia napięcie współbieżne. Przeanali−

zuj układ samodzielnie, pomiń prąd bazy.

Pomoże Ci rysunek 19 (przyjąłem takie

wartości

napięć i re−

zystancji,

żeby było

łatwiej li−

czyć). Jakie

będzie na−

pięcie wyj−

ściowe

Uwy, gdy

punkt A ze−

wrzesz do

masy? A ja−

kie, gdy po−

dasz nań

napięcie

stałe +4V,

a potem −4V? Policz to!

I co?

Okazuje się, że owszem, napięcia na

kolektorach względem masy zmieniają

się, ale zmieniają się jednocześnie. Nato−

miast różnicowe napięcie wyjściowe...

stop, stop, za szybko. Tu pójdzie nam tro−

chę trudniej. Rysunek 19 sugeruje, że

różnicowe napięcie wyjściowe cały czas

jest takie samo (równe zeru). W rzeczy−

wistości aż tak dobrze nie jest − gdy na−

pięcia na bazach będą minimalnie się

różniły i będą się różniły prądy I C1 , I C2 ,

wtedy wpływ zmian napięcia współbież−

nego będzie zauważalny. Ilustruje to ry−

sunek 20a,, b,, c,, gdzie to samo niewielkie

różnicowe napięcie wejściowe U3 (nie

ważne jakiej wartości − rzędu miliwoltów)

powoduje podział prądu I E w stosunku

2:1. Analiza rysunków 20a, b, c wykazu−

je, że choć różnicowe napięcie wejścio−

we cały czas jest takie samo (U3), jednak

napięcie współbieżne U4 ma wpływ na

różnicowe napięcie wyjściowe. Napięcie

wyjściowe wyróżniłem na rysunku 20

innym kolorem. Już zapewne zdążyłeś

zauważyć, że zmiany te wynikają ze

zmian prądu I E (i tym samym I C1 , I C2 ). Co

zrobić, by napięcie współbieżne nie

zmieniało prądu I E ?

Masz jakiś pomysł?

Świetnie!

Wystarczy zamiast rezystora R E zasto−

sować źródło prądowe według rysunku

21. Gdy źródło prądowe jest idealne, to...

no właśnie, wtedy prąd I E zawsze jest ta−

ki sam i w konse−

kwencji napięcie

współbieżne zu−

pełnie nie wpły−

wa na napięcia

wyjściowe − prze−

analizuj to samo−

dzielnie. Fachowo

powiemy, że taki

układ ma nieskoń−

czenie wielki

współczynnik tłu−

mienia sygnału

współbieżnego.

Ten współłczynniik

tłłumiieniia sygnałłu

współłbiieżnego po

angielsku nazywa

się Common Mode Rejection Ratio −

w skrócie CMRR. Zapamiętaj − często bę−

dziesz go spotykał. W praktyce źródło prą−

dowe nie jest idealne, niemniej jednak zna−

lazłeś skuteczny sposób na uniezależnienie

się od napięć współbieżnych. Wtedy

wzmocnienie sygnału wspólnego jest bli−

skie zeru, natomiast wzmocnienie różnico−

wych sygnałów wejściowych jest znaczne

(wyznaczone przez R C /r e ).

A może jeszcze coś się uda ulepszyć?

Ulepszajmy dalej − zwiększmy wzmoc−

nienie przez zastosowanie w kolektorach

źródeł prądowych zamiast rezystorów R C

( rysunek 22 ). Taki zabieg radykalnie zwięk−

szy wzmocnienie

(pod warunkiem,

że dołączona

oporność obcią−

żenia będzie bar−

dzo duża, ale to

już inny pro−

blem).

W niektórych

przypadkach nie

zależy nam na

dużym wzmoc−

nieniu, a waż−

niejsza jest linio−

wość. Jak się na

pewno domy−

ślasz, wystarczy

dodać rezystory w obwodach emiterów,

a liniowość polepszy się kosztem wzmoc−

nienia −

Rys.. 19

Rys.. 21

Rys.. 18

Rys.. 22

Rys.. 20

zobacz rysunek 23.

Już chyba się przeko−

nałeś, że to fajny układ

ten wzmacniacz różnico−

wy. Ale to jeszcze nie ko−

niec. Zmorą wszystkich

omawianych wcześniej

wzmacniaczy OC, OE,

OB była zależność wielu

kluczowych parametrów

od temperatury.

Załóżmy teraz, że we

wzmacniaczu różnico−

wym wykorzystujemy

dwa identyczne tranzy−

story, umieszczone tuż

40

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/99

A

4542001.041.png

4542001.042.png

4542001.043.png

4542001.044.png

4542001.045.png

4542001.046.png

4542001.047.png

4542001.048.png

4542001.049.png

4542001.050.png

4542001.051.png

4542001.052.png

4542001.053.png

4542001.054.png

4542001.055.png

4542001.056.png

4542001.057.png

4542001.058.png

4542001.059.png

4542001.060.png

4542001.061.png

4542001.062.png

4542001.063.png

4542001.064.png

4542001.065.png

4542001.066.png

4542001.067.png

4542001.068.png

4542001.069.png

4542001.070.png

4542001.071.png

4542001.072.png

4542001.073.png

4542001.075.png

4542001.076.png

4542001.077.png

4542001.078.png

4542001.079.png

4542001.080.png

4542001.081.png

4542001.082.png

4542001.083.png

4542001.084.png

4542001.086.png

4542001.087.png

4542001.088.png

4542001.089.png

4542001.090.png

4542001.091.png

4542001.092.png

4542001.093.png

4542001.094.png

4542001.095.png

4542001.097.png

4542001.098.png

4542001.099.png

4542001.100.png

4542001.101.png

Pierwsze kroki

obok siebie na jednej płytce krzemu. Jedna−

kowe są nie tylko wymiary geometryczne,

ale także wszyst−

kie parametry.

Temperatura obu

struktur też jest

jednakowa. Co

z tego?

Nie będziemy

wchodzić

w szczegóły. Ge−

neralnie tempera−

tura wpłynie na

niektóre parame−

try, niemniej w sy−

tuacji, gdy tranzy−

story są jednako−

we, jej wpływ na

napięcie wyjś−

ciowe i inne para−

metry będzie nie−

wielki.

Notujemy kolejną cenną właściwość pa−

ry różnicowej − znaczną niezależność para−

metrów od temperatury.

Oczywiście w rzeczywistości podane wa−

runki (identyczne parametry tranzystorów,

identyczna temperatura, idealnie źródło prą−

dowe) nie są do końca spełnione i żaden re−

alny wzmacniacz różnicowy nie jest dosko−

nały. Jednak generalnie to właśnie wzmac−

niacz różnicowy otwiera drogę do budowy

pożytecznych wzmacniaczy o właściwo−

ściach praktycznie niezależnych od tempera−

tury i innych szkodliwych czynników.

Rysunek 24 pokazuje bardzo prosty przy−

kład realizacji takiego wzmacniacza. Układ

jest zasilany napięciem symetrycznym, ma

wejście różnicowe (symetryczne) i wyjście

niesymetryczne. Niewątpliwie ma bardzo

duże wzmocnienie różnicowe... Chyba Ci

góły wewnętrzne − ogólne zasady działania

każdego wzmacniacza operacyjnego są ta−

kie same. Zaczynamy go traktować jako

czarną skrzynkę z dwoma wejściami, wyj−

Rys.. 24

nie przeszkadza, że w stopniu wejściowym

zastosowałem tranzystory PNP, a nie NPN.

Czy ten układ kojarzy Ci się z czymś? Ze

wzmacniaczem z Elektora 6/99? Z każdym

wzmacniaczem mocy?

Słusznie! Prawie każdy tranzystorowy

wzmacniacz mocy audio zbudowany jest na

takiej mniej więcej zasadzie.

A może jeszcze Ci się z czymś kojarzy?

Nie?

Mój Drogi, dokonaliśmy właśnie wspól−

nie fantastycznego wynalazku – na rysunku

24 mamy prawdziwy wzmacniiacz operacyjj−

ny ! Zauważ, że ma on tylko pięć końcówek:

dwie końcówki zasilania (plus i minus, bez

żadnej masy), wyjście i dwa wejścia (wej−

ście różnicowe). Jeśli prześledzisz drogę sy−

gnału, przekonasz się, że zwiększanie napię−

cia na wejściu A zwiększa napięcie wyjścio−

we. Wejście to nazywamy wejjściiem niieod−

wracajjącym. Z kolei wzrost napięcia na wej−

ściu B powoduje zmniejszanie się napięcia

na wyjściu. Wejście B jest wejjściiem odwra−

cajjącym .

Teraz wyobraź sobie, że ktoś wykonał ta−

ki wzmacniacz w postaci układu scalonego.

Od tej chwili mniej ważne stają się szcze−

Rys.. 25

Rys.. 23

ściem i dwoma zaciskami zasilania. Rysuje−

my go w postaci jak na rysunku 25. Taki jest

symbol wzmacniacza operacyjnego.

W rzeczywistości budowa wewnętrzna

współczesnych wzmacniaczy operacyjnych

jest bardziej skomplikowana, niemniej ogól−

ne podstawy budowy i działania są właśnie

takie jak na rysunku 24. A tak na marginesie

− mniej więcej w ten sposób zbudowany

jest popularny wzmacniacz operacyjny z ko−

stki LM358.

Jeśli nadążasz za mną, to właśnie pozna−

łeś składowe cegiełki oraz podstawy działa−

nia wzmacniacza operacyjnego. Teraz nie

pozostaje mi nic innego, tylko w najbliższym

czasie zacząć tak długo oczekiwany cykl na

ten temat. Ale cyklu o tranzystorach nie

kończę. Listy nadsyłane w tej sprawie

świadczą, że na łamach EdW powinny rów−

nolegle pojawiać się oba tematy. W najbliż−

szym czasie zajmiemy się zarówno wzmac−

niaczami operacyjnymi, jak i tranzystorami.

Piiotr Góreckii

4542001.102.png

4542001.103.png

4542001.104.png

4542001.105.png

4542001.107.png

4542001.108.png

4542001.109.png

4542001.110.png

4542001.111.png

4542001.112.png

4542001.113.png

4542001.114.png

4542001.115.png

4542001.116.png

4542001.002.png

4542001.003.png

4542001.004.png

4542001.005.png

4542001.006.png

4542001.007.png

4542001.008.png

4542001.009.png

4542001.010.png

4542001.011.png

4542001.013.png

4542001.014.png

4542001.015.png

4542001.016.png

4542001.017.png

4542001.018.png

4542001.019.png

4542001.020.png

4542001.021.png

4542001.022.png

4542001.024.png

4542001.025.png

4542001.026.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin