Tranzystory, cz13.pdf

Pierwsze kroki

część 13

dla początkujących

Tranzystory

Układ ze wspólnym kolektorem

W tym odcinku podam Ci garść dalszych istotnych informacji na temat wzmacniacza ze wspólnym kolektorem.

Skrajności

W naszych rozważaniach upraszczaliś−

my co się da, by wyciągnąć ogólne

wnioski. Pominęliśmy na przykład wszel−

kie pojemności wewnętrzne tranzystora.

Tymczasem te pominięte czynniki spo−

wodowałyby, że przy wysokich częstotli−

wościach i dużych rezystancjach nasz

układ mógłby w pewnych warunkach

stać się... generatorem – wzbudziłby się

na wysokich częstotliwościach. Zapomnij

więc o wtórniku emiterowym, mającym

jednocześnie wielką oporność wejściową

i przenoszącym szerokie pasmo częstotli−

wości. Możesz spełnić tylko jeden z tych

warunków . Przy niewielkich wartościach

rezystancji R E pasmo przenoszenia wtór−

nika sięgnie kilkuset megaherców! Ale za

to oporność wejściowa będzie sto−

sunkowo mała

Z kolei układ z rysunku 12 ma bardzo

dużą oporność wejściową − przez zasto−

sowanie kondensatora C1 napięcie

zmienne w punkcie połączenia R1, R2 i

R B jest praktycznie równe napięciu wej−

ściowemu i dzięki temu oporność wej−

ściowa jest wielokrotnie większa niż war−

tość rezystora R B . Może ci się to wyda

dziwne, ale tak jest – jeśli cały czas za

mną nadążasz, sam spróbuj zrozumieć

dlaczego. Podpowiem tylko: wypadkowa

oporność jest stosunkiem (zmiennego)

napięcia wejściowego do (zmiennego)

prądu wejściowego i gdyby (zmienne) na−

pięcie na emiterze było idealnie takie sa−

mo jak na bazie, układ miałby oporność

wejściową nieskończenie wielką. Wyko−

rzystuje się tu sposób, nazywany boot−

strap. Słowo bootstrap nie ma dobrego

polskiego odpowiednika − znaczy mniej

więcej tyle, co podciąganie się do góry

przez ciągnięcie za własne sznurówki lub

za włosy. W praktyce układ z rysunku 12

może przysparzać kłopotów w zakresie

wyższych częstotliwości i należałoby

ograniczyć pasmo przenoszenia. To oczy−

wiście jest zadanie dla bardziej zaawan−

sowanych, którzy nie zdziwią się, usły−

szawszy, że układ z rysunku 12 może

mieć w pewnych warunkach ujemną (!)

rezystancję wejściową.

Problemy, problemy,

problemy

Przy okazji leciutko “potrącę” pewien

ważny, a bardzo trudny temat. Z powyż−

szych rozważań wynika, iż pomijane

w obliczeniach subtelne właściwości

tranzystora mogą stać się powodem

ogromnych kłopotów, polegających naj−

częściej na wzbudzaniu się układów na

wysokich częstotliwościach. Przyczyny

samowzbudzenia układu mogą być

Teraz już wiesz bardzo dużo o wtórni−

ku emiterowym, czyli układzie ze wspól−

nym kolektorem.

Czy jednak uda się uzyskać oporność

wejściową rzędu kilku megaomów? Czy

na przykład starannie dobrany układ z ry−

sunku 7 (w poprzednim numerze EdW), z

selekcjonowanym tranzystorem o

wzmocnieniu 1000, indywidualnie dobra−

nymi rezystorami R B =1,2M

, R E =6,0k

, i czy tym samym nie będzie

się nadawał na wejście kanału oscylosko−

pu, który planujesz zbudować? Niestety,

muszę cię rozczarować!

Rys. 12

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99

Ω

nie będzie miał rezystancji wejściowej ró−

wnej 1M

Pierwsze kroki

Rys. 13

cyjność, a zbyt mały odstęp między

ścieżkami to znacząca pojemność. Przy

takich częstotliwościach najzwyklejszy

rezystor może zachowywać się jak induk−

cyjność, albo jak pojemność! Tak! A kon−

densator może zachowywać się jak in−

dukcyjność albo rezystancja, choćby ze

względu na indukcyjność wyprowadzeń

czy straty dielektryka.

Co z tego wynika?

Żeby nie natknąć się na bardzo przykre

niespodzianki, z którymi sobie nie pora−

dzisz, nie zaczynaj od prób zaprojektowa−

nia jakichś wyrafinowanych wzmacniaczy

tranzystorowych. Pozostaw to ludziom,

którzy mają duże doświadczenie w tym

zakresie. Ty na razie zdobywaj takie do−

świadczenie, zaczynając od układów naj−

prostszych, nie stosując elementów o

ekstremalnych wartościach i nie

próbując”wydusić” z tranzystora wszy−

stkiego, co wydaje ci się możliwe. Wtedy

nie napotkasz tych koszmarnych proble−

mów i pomału, ale bezstresowo będziesz

wgryzał się w ten temat.

o zniekształceniach rzędu tysięcznych

części procenta, nie stosuj takich zwyk−

łych wtórników.

Wspomniane dwie wady zwykłego

wtórnika można wyeliminować pracując

ze stałym prądem bazy (i stałym prądem

emitera). Jak?

Wystarczy zastosować obciążenie

w postaci źródła prądowego, jak na

rysunku 13a. Na rysunku 13b możesz zo−

baczyć praktyczną realizację takiego bar−

dziej precyzyjnego wtórnika. Dziś rzadko

stosujemy takie rozwiązania, bo w zakre−

sie niskich częstotliwości do, powie−

dzmy, 100kHz, stosuje się precyzyjne

wtórniki zbudowane w oparciu o jakikol−

wiek wzmacniacz operacyjny. Jeśli ci się

chce, zastanów się, jak na parametry

wtórnika wpływa obecność źródła prądo−

wego, które dla przebiegów zmiennych

ma bardzo dużą oporność – co oznacza, iż

rezystancja R E z rysunku 4 ma dla prze−

biegów zmiennych pomijalnie dużą war−

różne, na przykład błędnie zaprojektowa−

na płytka drukowana, czy niewłaściwe

prowadzenie przewodów połączenio−

wych. Ale niektóre problemy mają źródło

w tych pomijanych parametrach tranzy−

stora, głównie pojemnościach.

Albo już spotkałeś, albo spotkasz ukła−

dy, gdzie na wyprowadzenie bazy nakła−

dany jest mały koralik ferrytowy. To nie

żaden talizman – w ten sposób wprowa−

dza się w obwód bazy bardzo, bardzo

małą indukcyjność, i właśnie to chroni w

pewnych warunkach przed oscylacjami.

W innych układach spotkasz niewielki re−

zystor (10...100

) włączony szeregowo

w obwód bazy. Na pierwszy rzut oka tak

mała rezystancja nie ma żadnego znacze−

nia. Istotnie, dla prądu stałego i przebie−

gów małej częstotliwości nie ma, ale

chroni przez samowzbudzeniem na wy−

sokich częstotliwościach.

W uproszczeniu możesz to sobie wy−

obrazić, że dla wysokich częstotliwości

wyprowadzenie bazy jest nie tylko wej−

ściem, ale w pewnym sensie wyjściem,

dlatego zachowanie tranzystora zależy

wtedy od oporności obwodów bazy. Nie

jest o żadna przesada – odszukaj w EdW

11/98 rysunek 4 na stronie 65 i przekonaj

się, że jedną z przyczyn są pojemności,

przez które sygnał z wyjścia wraca na

wejście, czyli właśnie na bazę.

Początkujący zazwyczaj uważają, że

skuteczną metodą na problemy z samo−

wzbudzaniem jest ograniczenie od góry

pasma przenoszenia przez dodanie nie−

wielkich pojemności zwierających sygna−

ły w.cz. do masy. Czasem to rzeczywiście

pomaga, ale niekiedy jeszcze pogarsza

sprawę, właśnie ze względu na omówio−

ne zjawiska. Dlatego nie ma uniwersal−

nych, prostych recept na wszystkie pro−

blemy z samowzbudzeniem wzmacnia−

czy. Przecież na−

wet tak zwane

tranzystory małej

częstotliwości

mają częstotli−

wość graniczną

rzędu 150

...500MHz. Przy

tak dużych

częstotliwoś−

ciach zwykły ka−

wałek drutu to

znacząca induk−

Tylko dla ciekawskich

Podane informacje, dotyczące układu

OC w zupełności wystarczą na początek

elektronicznej kariery. Dla ciekawskich i

bardziej zaawansowanych mam jeszcze

kilka szczegółów. Zupełnie początkujący

mogą spokojnie pominąć ten śródtytuł.

Omawiając działanie wtórnika założy−

liśmy w uproszczeniu, że spadek napięcia

baza−emiter tranzystora jest stały i wyno−

si około 0,6V. W rzeczywistości ten spa−

dek napięcia zależy od prądu bazy – poró−

wnaj rysunek 6 w EdW 11/98 str. 66.

Prąd bazy zależy z kolei od prądu emitera,

a ten w sumie od napięcia, zarówno sta−

łego, jak i od wielkości przebiegu zmien−

nego. Czym większy sygnał zmienny,

tym większe zmiany napięcia baza−emiter

tranzystora.

I co z tego?

Po pierwsze spowoduje to, że zmien−

ne napięcie na wyjściu (emiterze) będzie

nieco mniejsze niż napięcie wejściowe

(na bazie). To znaczy, że wtórnik emitero−

wy ma wzmocnienie nieco mniejsze od

jedności. Nie jest to problemem, bo w

praktyce wynosi ono zwykle około 0,99 −

czym mniejszy sygnał, tym jest bliższe je−

dności.

Po drugie, napięcie baza−emiter nie

jest liniowo zależne od prądu bazy – jak

wiesz, jest to zależność logarytmiczna.

Powoduje to pewne niewielkie zniek−

ształcenia nieliniowe sygnału, tym mniej−

sze, im mniejszy jest sygnał zmienny.

W ogromnej większości przypadków ta−

kie zniekształcenia spokojnie pomijamy,

ale gdybyś budował jakiś superprecyzyj−

ny wzmacniacz czy przedwzmacniacz

Rys. 15

Rys. 14

tość, rzędu co najmniej kilkudziesięciu

kiloomów. Jak to wpłynie na transfor−

mację impedancji?

To jeden szczegół dla ciekawskich.

Teraz drugi.

Dowiedziałeś się, że napięcie stałe na

wyjściu (emiterze) różni się od napięcia

na bazie o około 0,6V. A jak to jest przy

zmianach temperatury? Oczywiście na−

pięcie to zmienia się, i to znacznie, ze

współczynnikiem około –2,2mV/°C. Tym−

czasem w pewnych sytuacjach, gdy

wtórnik ma przenosić nie tylko sygnały

zmienne, ale także stałe, powinien być

stabilny pod względem termicznym.

Czy to możliwe?

Rozwiązanie jest proste: zastosowa−

nie układu z rysunku 14 zapewnia, że na−

pięcie wyjściowe jest równe napięciu

wejściowemu, a wpływ zmian tempera−

tury radykalnie się zmniejsza, zwłaszcza

gdy tranzystory są podobnego typu, po−

zostają w jednakowej temperaturze,

a prądy emiterów są równe.

Teraz trzeci szczegół.

Poprzednie wyliczenia pokazały czarno

na białym, że oporność wyjściowa wtór−

nika jest znacznie mniejsza niż oporność

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99

Pierwsze kroki

= 99mV

Wynika z tego, że

wtórnik z rysunku 16a

może prawidłowo pra−

cować, ale tylko z syg−

nałami o amplitudzie

nie większej niż 99mV

(198mVpp). Przy wię−

kszych amplitudach

przebieg wyjściowy (je−

go ujemna część)

będzie koszmarnie

zniekształcony, jak po−

kazuje to rysunek 16b.

Jak temu zaradzić? Oczywiście wy−

starczy zmniejszyć R E . Ściślej biorąc,

wszystko zależy od dwóch czynników:

wymaganej wartości zmiennego napięcia

wyjściowego oraz maksymalnego prądu

“ujemnego”, wyznaczonego przez szere−

gowe połączenie R E i R L . Moglibyśmy tu

wyprowadzić od−

powiednie wzory,

ale nie są one ko−

nieczne. Powróć

do rysunku 15 i

zrozum istotę

problemu – aby

nie było zniek−

ształceń, wyma−

gana maksymal−

na (szczytowa)

wartość zmienne−

go prądu płynące−

go przez obciążenie musi być mniejsza

od połowy (stałego) spoczynkowego

prądu, płynącego przez R E . Sam zasta−

nów się, dlaczego “od połowy” – przy o−

kazji zrozumiesz, dlaczego w podręczni−

kach jest napisane, że oporność wyjścio−

99µA * 1k

wa wtórnika dla dużych sygnałów jest ró−

wna rezystancji R E .

Ściślej biorąc, przedstawiony wtórnik

ma małą oporność wyjściową dla prze−

biegów dodatnich, a dużą (równą R E ) tyl−

ko dla dużych sygnałów ujemnych.

Jakie to ma konsekwencje prakty−

czne? Przy niewielkich opornościach ob−

ciążenia R L musisz stosować odpowie−

dnio małe wartości R E , czyli zwiększać

prąd spoczynkowy. Często jest to niepo−

żądane, bo chcemy utrzymać mały pobór

prądu, nie rezygnując z małej rezystancji

wyjściowej także przy dużych sygnałach.

Czy jest na to rada?

Dobrym, często stosowanym w prak−

tyce rozwiązaniem jest wykorzystanie

wtórnika komplementarnego. Oczy−

wiście nie takiego z rysunku 17a, bo ten

wprowadzałby ogromne zniekształcenia

“w strefie przejściowej”. Praktyczny

przykład wypróbowanego wtórnika kom−

plementarnego znajdziesz na rysunku

17b. Taki układ stosowany był w genera−

torze o częstotliwości do 1MHz, za−

pewniał stałą rezystancję wyjściową

równą 50

Rys. 16

wyjściowa źródła sygnału. Czy zauważy−

łeś, że zwiększenie rezystancji R E wydaje

się korzystne? Przy okazji zmniejszymy

radykalnie pobór prądu i straty mocy.

Przemyśl to!

Czy przykład ze źródłem prądowym w

obwodzie emitera (rysunek 13) przeko−

nał cię, że zwiększanie R E jest uzasadnio−

ne?

Jeśli tak, popatrz na rysunek 15. W

układzie z rysunku 4 zwiększyliśmy rezy−

stancje R B i R E do 60k

. Zamiast tranzystorów BC211

i BC313 można użyć jakichkolwiek innych

o mocy strat 1W i wzmocnieniu powyżej

100. Mogą to być popularne tranzystory

rodziny BD135...140, lub podobne śre−

dniej mocy, ale należy się upewnić, czy

mają wzmocnienie prądowe większe niż

60...70. Jeśli nie jest potrzebna tak mała

rezystancja wyjściowa (50

, bo

tym razem wpływ R E jest niewielki i decy−

dujący wpływ ma rezystancja R L . Ale czy

nie wydaje ci się podejrzane, że rezystan−

cja emiterowa jest tak duża, a rezystancja

obciążenia tak mała? Jeśli cię to trochę

niepokoi, masz rację!

Żeby pokazać ci problem i nie mącić

obrazu obecnością kondensatora wy−

jściowego, przeanalizujmy wtórnik z ry−

sunku 16a. Załóżmy, że zmienne napięcie

wyjściowe w układzie z rysunku 16 po−

winno wynosić 12Vpp, a konkretnie w

dodatnich szczytach +6V, w ujemnych

“dolinach” –6V. Przy oporności R L równej

Rys. 17 a

) i układ

będzie obciążany większą rezystancją,

nie trzeba montować wyjściowego dziel−

nika i zamiast tranzystorów BC211 i

BC313 grupy 10 zastosować jakiekolwiek

tranzystory komplementarne małej mo−

cy, np. BC548B, BC558B.

, w tych szczytach przez obciążenie

powinien płynąć prąd o chwilowej war−

tości równej 6mA.

Przy sygnałach dodatnich względem

masy tranzystor się otwiera i to on do−

starcza potrzebnego prądu. Nie ma tu

ograniczeń – tranzystor dostarczy tyle

prądu, ile trzeba, by napięcie na emiterze

nadążało za napięciem bazy. Jasne?

Gorzej jest, gdy napięcie wejściowe

spada poniżej napięcia masy. Wtedy tran−

zystor się przytyka a może nawet całko−

wicie zatyka, a “ujemny” prąd obcią−

żenia płynie przez rezystor R E. I tu zaczy−

na się problem. Przy podanych napię−

ciach nawet gdy tranzystor zupełnie nie

przewodzi, maksymalny “ujemny” prąd

obciążenia jest ograniczony wartościami

R E i napięcia zasilającego do około 99µA.

Większy być nie może (Imax = −Uzas / (R E

+ R L )), wobec tego największe ujemne

napięcie na obciążeniu RL wyniesie tylko:

Rys. 17 b

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99

. Niby wszystko

jest w porządku. Jaka będzie rezystancja

wejściowa całego wtórnika dla przebie−

gów zmiennych? Z podanych wyliczeń

wynikałoby, że wynosi około 30k

Pierwsze kroki

Na koniec roz−

ważań o wzmac−

niaczu OC podam

ci jeszcze kilka

wyjaśnień. Rysu−

nek 18 pokazuje

przykład wykorzy−

stania go w pro−

ściutkim stabiliza−

torze

Jeśli weźmiesz

schemat wzmacniacza mocy audio na

tranzystorach bipolarnych, to najprawdo−

podobniej tranzystory wyjściowe również

pracują tam w układzie OC.

W praktyce pojemność wejściowa nie

może być mniejsza niż:

C = 160 / f R

gdzie R − całkowita rezystancja wej−

ściowa (tranzystora i rezystorów polary−

zujących) w kiloomach, f − częstotliwość

graniczna w hercach, pojemność C wy−

chodzi w mikrofaradach.

W praktyce pojemność C powinna być

przynajmniej 3−krotnie większa, bo wzór

dotyczy spadku poziomu o 3dB.

To samo dotyczy pojemności wyjścio−

wej, oddzielającej R E od R L . Wymaganą

pojemność oblicza się z ostatniego wzo−

ru, podstawiając wartość R L . Te dwie po−

jemności ograniczają pasmo od dołu. Ale

często wtórniki przenoszą też przebiegi

stałe, jak układ z rysunku 17b.

Jeśli chodzi o górę pasma, to teorety−

cznie wtórnik mógłby pracować aż do

częstotliwości granicznej tranzystora

(tranzystorów), wynoszącej ponad sto

megaherców. W praktyce przy wię−

kszych amplitudach pasmo ogranicza od

góry pojemność obciążenia, dołączona

równolegle do R L , na rysunku 19 ozna−

czona C L . Składają się na nią pojemności

montażowe i pojemność samego obcią−

żenia. Konieczność przeładowania po−

jemności prądem płynącym przez R E po−

woduje takie same ograniczenia, jak przy

małej wartości R L (porównaj rysunki 15 i

16). Zresztą pojemność C L można trakto−

wać jako dodatkową oporność (reak−

tancję) malejącą ze wzrostem częstotli−

wości. Inaczej mówiąc, przy bardzo du−

żych częstotliwościach oporność (impe−

dancja) obciążenia maleje ze względu na

obecność pasożytniczych pojemności ob−

ciążających wyjście.

I tyle informacji mam dla ciebie na te−

mat układu OC.

W następnym odcinku przyjrzymy się

wzmacniaczowi tranzystorowemu w

układzie wspólnego emitera.

Jak widzisz, wzmacniacz OC jest wy−

korzystywany nie tylko w obwodach ma−

łych sygnałów stałych i zmiennych.

I jeszcze sprawa częstotliwości grani−

cznych.

W układach z kondensatorem na wej−

ściu (np. rysunki 1, 4, 15) pasmo przeno−

szenia jest ograniczone od dołu przez po−

jemność tego kondensatora wejściowe−

go. Pojemność ta tworzy z całkowitą re−

zystancją wejściową filtr górnoprzepusto−

wy o częstotliwości granicznej

f (−3dB) = 1 / 2

Piiotr Góreckii

Rys. 19

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99

Rys. 18

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: