11.1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest praktyczna ilustracja podstawowych własności typowego wzmacniacza zbudowanego przy użyciu tranzystora bipolarnego: wpływu punktu pracy tranzystora i doboru elementów na parametry i charakterystyki wzmacniacza oraz roli ujemnego sprzężenia zwrotnego.
11.2. Wprowadzenie
Wzmacniaczem rezystancyjnym (oporowym) nazywamy wzmacniacz z rezysto
rem włączonym pomiędzy źródło zasilania a elektrodę wyjściową, którą w przypadku tranzystora bipolarnego jest kolektor. Spoczynkowy punkt pracy tranzystora jest wy
znaczony i utrzym ywany za pom ocą odpowiednich obwodów zasilania i stabilizacji.
11.2.1. W iadom ości podstawowe o wzmacniaczu rezystancyjnym
W układzie wzmacniacza rezystancyjnego tranzystor bipolarny może pracować w trzech podstawowych konfiguracjach: ze wspólną bazą (OB), ze wspólnym em ite
rem (OE) oraz wspólnym kolektorem (OC). Podstawowe parametry wzmacniacza dla tych konfiguracji tranzystora zamieszczono w tablicy 11.1 (patrz także rys. 11.1). Dla ułatwienia analizy zależności przedstawionych w tablicy 1 1 . 1 zamieszczono ich gra
ficzną interpretację na rys. 1 1 . 2 dla typowego tranzystora bipolarnego (h11e = 2 kQ, h12e = 8 10'4, h21e = 200, h22e = 35 pS). Na tej podstawie dokonano jakościowej oceny właściwości poszczególnych układów, uzyskując następujące wnioski:
194
- Układ OB charakteryzuje się bardzo małą rezystancją w ejściową (rzędu kilkudzie
sięciu omów) prawie niezależną od wartości rezystancji obciążenia R0. Rezystan
cja wyjściowa osiąga bardzo duże wartości (rzędu kilkuset kiloomów) i jest prawie niezależna od rezystancji źródła Rg. Tak więc układ OB daleki jest od stanu natu
ralnego dopasowania i do pracy w wielostopniowej kaskadzie potrzebuje transfor
matorów dopasowujących. Układ ten nie odwraca fazy sygnału wejściowego, daje wzmocnienie prądowe bliskie jedności i duże, proporcjonalne do rezystancji obcią
żenia wzmocnienie napięciowe.
195
nia Rc- d) zależność rezystancji wyjściowej od rezystancji źródła R;
- Układ OC (wtórnik emiterowy) charakteryzuje się bardzo dużą rezystancja, wej
- Układ OE charakteryzuje się średnimi wartościami rezystancji wejściowej (rzędu kiloomów) i wyjściowej (rzędu dziesiątek kiloomów) prawie niezależnymi od warto
ści rezystancji źródła Rg i obciążenia Ro- Dzięki temu układ jest bliski stanu natu
ralnego dopasowania. W kaskadzie bez dopasowania (tzn. w układzie ze sprzę
żeniem bezpośrednim lub pojemnościowym) uzyskujemy wzmacnianie mocy kp = (h2ie)2 niewiele mniejsze od maksymalnej wartości możliwej do osiągnięcia przy dopasowaniu. Układ odwraca fazę sygnału wejściowego o 180° i posiada du
że w zm ocnienie prądowe (fr> - jak układ OC) oraz napięciowe (jak układ OB).
196
W praktyce najszersze zastosowanie ma układ OE, przede wszystkim ze względu na uzyskiwane tam największe wartości wzmocnienia. Oba pozostałe układy są w rzeczywistości transformatorami impedancji, a ich właściwości wzmacniające są znacznie gorsze. Układ OB jest bardzo rzadko stosowany we wzmacniaczach małej częstotliwości (m.cz.). Natomiast układ OC jest powszech
nie stosowany w stopniach separujących, w miejscach gdzie niezbędne jest uzy
skanie dużej impedancji wejściowej lub małej wyjściowej. Dlatego też układ OE przyjęto jako podstawowy stopień wzmacniający małej częstotliwości, który będzie dalej szczegółowo omówiony.
11.2.2. Układ polaryzacji tranzystora we wzmacniaczu rezystancyjnym
W ybór statycznego punktu pracy tranzystora decyduje o właściwej pracy układu wzmacniacza. Zależą od niego podstawowe parametry wzmacniacza, takie jak:
wzmocnienie, moc wyjściowa, rezystancje wejściowa i wyjściowa, poziom szumów i zniekształcenia wzmacnianego sygnału. Dobór punktu pracy jest uzależniony od przeznaczenia układu i warunków jego pracy, nie można więc podać uniwersalnych kryteriów jego wyboru. Należy zdawać sobie sprawę, że w praktyce tego doboru do
konuje się na drodze kompromisu pomiędzy wieloma sprzecznymi wymaganiami.
Rys. 11.3. Schem at ideowy wzm acniacza rezystancyjnego (a) oraz dopuszczalne pole wyboru poło
żenia punktu pracy P (b)
Na rys. 11.3a przedstawiono najprostszy wzmacniacz oporowy w układzie OE.
W tym przypadku podstawowymi parametrami określającymi położenie punktu pracy P są wartości prądu kolektora lc<p) i napięcia między kolektorem a emiterem Uce(P)- Statyczny punkt pracy P musi się znajdować w obszarze ograniczonym przez nastę
pujące warunki: 1 - prąd zerowy kolektora Ic e o. 2 - maksymalne dopuszczalne napię
197
cie kolektora UcEmax, 3 - ograniczenie od wtórnego przebicia przy obecności silnych pól elektrycznych w bazie tranzystora (istotne w tranzystorach w.cz.), 4 - maksym al
na dopuszczalna moc strat Pmax, 5 - maksymalny dopuszczalny prąd kolektora lcmax, 6 - napięcie nasycenia UcEsat- Na rys. 11,3b zaznaczono dodatkowo obszary, w któ
rych: powstają zwiększone zniekształcenia nieliniowe (7), występuje zjawisko zm niej
szonej niezawodności tranzystorów (8) oraz w ystępują najmniejsze szumy własne punktu P jest wartość rezystancji w obwodzie kolektora Rc:
I c = - f ( u c c - u c E ) O 1 - 1 ) K c
Zmiana wartości tej rezystancji powoduje zmiany nachylenia prostej obciążenia (wzór (11.1)), co zilustrowano na rys. 11.4a. Zmieniając wartości stałego prądu bazy Ib, możemy zmieniać w sposób ciągły położenie punktu pracy wzdłuż prostej obciążenia rezystancji Rc . W artość prądu bazy w punkcie pracy Ib(P) ustalamy przez dobór od
powiedniej wartości rezystora RB. Od wartości napięcia U Ce(P) zależy amplituda naj
większego, nie zniekształconego napięcia wyjściowego, możliwego do uzyskania we wzmacniaczu, przy czym największe napięcie wyjściowe można uzyskać dla
Uc e(P) = Ucc (rys. 11.4c). Wówczas, zakładając sinusoidalne pobudzenie w zm ac
niacza, przy jego przesterowaniu obie „połówki” sinusoidy są obcinane symetrycznie, a zniekształcenia są najmniejsze. W sytuacji gdy nie ma dodatkowych założeń (np.
dopuszczalne napięcie UcEmax, konieczność galwanicznego sprzężenia z następnym stopniem itp.), w ten właśnie sposób należy dobierać napięcie Uce(p), szczególnie przy dużych wartościach sygnału wejściowego (Eg). Punkt pracy tranzystora może się poruszać tylko po prostej obciążenia wynikającej z przyjętych wartości rezystancji Rc i napięcia U cc (dla R0» Rc) pomiędzy punktami W (na granicy obszaru nasycenia) a Z (na granicy obszaru odcięcia). Obranie punktu pracy Pt leżącego zbyt blisko punktu W (rys. 11.4c) spowoduje obcinanie dolnych „połówek” nawet