Wzmacniacz napięciowy małych sygnałów RC | druk powrót |
Literatura |
1. Z. Nosal, J. Baronowski „Układy elektroniczne cz. I.
Układy analogowe liniowe.” 2. W. Wawrzyński "Podstawy Elektroniki." |
Wstęp |
Rys. 1 Schemat jednostopniowego wzmacniacza napięciowego w układzie WE
Schemat wzmacniacza tranzystorowego RC w układzie OE (wspólny emiter) - jego podstawowe parametry i wpływ poszczególnych elementów na pracę układu |
Rys.2. Schemat badanego układu wzmacniacza
· Rc - rezystor kolektorowy (wpływający między innymi na wzmocnienie napięciowe i prądowe układu)
2a. Schemat wzmacniacza w konfiguracji wspólnego kolektora OC :
Rys. 3 Schemat wzmacniacza w konfiguracji wspólnego kolektora OC
2b. Schemat wzmacniacza w konfiguracji wspólnej bazy WB :
Rys. 4 Schemat wzmacniacza w układzie wspólnej bazy.
Rys. 5 Schemat wzmacniacza w układzie wspólnej bazy przedstawiony zgodnie z konwencją układów poprzednich (układ analogiczny do układu z Rys. 4)
2c.Podstawowe parametry układu wzmacniacza w konfiguracji wspólnego emitera WE.
Rys. 6 Schemat zastępczy dla zakresu średnich częstotliwości układu wzmacniacza
2d. Wzmocnienie sygnałów – charakterystyka wyjściowa
rys.
7 Graficzna reprezentacja punktu pracy tranzystora
rys.8
Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza
rys.9
Schemat połączeń do pomiaru pasma
Rys.
10 Schemat połączeń do pomiaru wzmocnienia
rys. 11 Schemat zastępczy wzmacniacza dla zakresu dużych
częstotliwości
rys. 12
Uproszczony schemat zastępczy wzmacniacza dla zakresu dużych częstotliwości
Rys. 13 Schemat zastępczy wzmacniacza z dodanym modelem źródła sygnału sterującego o sem. Eg
i rezystancji wewnętrznej Rw.
Rys. 14 Schemat
zastępczy wzmacniacza dla zakresu średnich częstotliwości.
rys. 15 Schemat wzmacniacza dla składowej stałej
napięcia wejściowego
rys. 16 Schemat wzmacniacza dla składowej zmiennej
napięcia wejściowego
rys. 17 Modele wzmacniacza
dla zakresu małych częstotliwości: a) C2 i CE
zwarte; b) C1 i CE zwarte; c) C1 i C2
zwarte;
Rys 17a Schemat zastępczy wzmacniacza dla niskich częstotliwości
Rys 17b Układ z którek wyprowadza sie stałą czasową
rys.
18 Przykłady wzmacniaczy RC z tranzystorem unipolarnym: a),
b) w konfiguracji WS; c) w konfiguracji WD
Proste
pracy powinny leżeć w obszarze dopuszczalnych napięć i prądów tranzystora,
tak jak to przedstawiono na rysunku poniżej. Prosta pracy dla prądu stałego
oznaczona jest linią przerywaną, prosta pracy dla prądu zmiennego linią ciągłą.
Jeżeli
układ ma wzmacniać sygnał o dużej amplitudzie, to prąd kolektora w punkcie
pracy Q powinien wynosić około 1/2 prądu maksymalnego w obwodzie wyjściowym,
a w wyniku tego napięcie UCE w punkcie pracy będzie wynosiło około
1/2 napięcia zasilania UCC.
Pasmo
przenoszenia, częstotliwości graniczne wzmacniacza, wzmocnienie-sposób określania
i pomiaru stopnia wzmocnienia
czyli
P~U2, czyli jeśli moc ma spaść o połowę, to Uwy ma spaść 1/
razy).
Pomiar pasma wzmacniacza :
Schemat połączeń układu pomiarowego przedstawiono na rysunku. Należy wyznaczyć
pasmo 3dB badanego układu wykorzystując wskaźnik poziomu napięcia wyjściowego SN6011.
Poziom
0dB na wskaźniku powinien być ustawiony dla 1 kHz. Należy ustawić największą
czułość wskaźnika SN6011, dzięki czemu wzmacniacz może być wysterowany możliwie
najmniejszym sygnałem, co pozwoli na lepsze przybliżenie pracy małosygnałowej
wzmacniacza. Pomiaru częstotliwości granicznych dokonuje się przestrajając
generator sinusoidalny aż do uzyskania spadków 3dB w zakresie dużych i małych
częstotliwości. Częstotliwość może być mierzona na dowolnym wyjściu
generatora. Szerokość pasma wzmacniacza oblicza się z zależności
Jeżeli
nie dysponujemy odpowiednią wkładką, należy posłużyć się oscyloskopem.
Najpierw zwiększamy częstotliwość za pomocą wskaźnika aż do uzyskania na
oscyloskopie amplitudy napięcia równej 1/
amplitudy początkowej. Będzie to nasza częstotliwość graniczna górna. Dolną
znajdujemy analogicznie, zmniejszając częstotliwość aż do ponownego
uzyskania na oscyloskopie 1/
amplitudy początkowej.
Na
uwagę zasługuje również fakt, że iloczyn wzmocnienia napięciowego ku
i pasma jest w przybliżeniu stały.
Stopień wzmocnienia :
Pomiar wzmocnienia :
Schemat
połączeń układu pomiarowego przedstawiono na rysunku. Po wmontowaniu elementów
wymiennych w układzie badanego wzmacniacza (Rc oraz C2) należy zmierzyć jego
wzmocnienie skuteczne kus mierząc napięcia składowej zmiennej na
wejściu WE1 i wyjściu układu WY.
Do
pomiaru napięć należy wykorzystać oscyloskop. Należy tak dobrać amplitudę
napięcia sinusoidalnego z generatora SN2013, by amplituda sygnału wyjściowego
była rzędu 200-300mV, co zapewnia spełnienie warunku pracy małosygnałowej
wzmacniacza. Pomiarów
należy dokonywać przy częstotliwości pośredniej pasma wzmacniacza, przykładowo
1kHz. Może być ona mierzona przy pomocy częstościomierza, a w przypadku jego
braku musi być odczytana z oscyloskopu.
Częstotliwości graniczne wzmacniacza :
Istnieją dwie częstotliwości graniczne wzmacniacza RC
– częstotliwość górna i dolna. My zajmiemy się w tym podpunkcie opisaniem
górnej częstotliwości, objaśnienia dotyczące dolnej częstotliwości
granicznej wzmacniacza znajdują się w
punkcie 6.
W podzakresie dużych częstotliwości w schemacie zastępczym
muszą być uwzględnione wszystkie elementy reaktancyjne powodujące
zmniejszanie wartości napięcia wyjściowego przy zwiększaniu częstotliwości.
Będą to pojemności Ce(zwiera składową zmienną prądu emitera (wpływa na przebieg
charakterystyk częstotliwościowych w zakresie małych częstotliwości) i Cjc (złączowa
kolektora) modelujące procesy gromadzenia ładunku we wnętrzu tranzystora
bipolarnego. Uproszczony schemat zastępczy układu dla dużych częstotliwości
pokazano na rysunku powyżej. Po przekształceniu schematu (dopuszczalnym tylko
dla pracy transmisyjnej wzmacniacza) oraz po pominięciu pojemności o
niewielkiej wartości, pojawiającej się na wyjściu układu (jest to równoznaczne
z usunięciem drugiego bieguna transmitancji układu), można schemat zastępczy
sprowadzić do postaci pokazanej na rysunku poniżej, gdzie: Cb=Ce+CjcgmRL.
Z tego schematu wynika, że wartość górnej częstotliwości
granicznej układu jest określona przez stałą czasową t pojemności Cb i
wynosi:
Schemat zastępczy wzmacniacza tranzystorowego w układzie OE oparty na modelu
hybryd PI
Schemat ideowy wzmacniacza jest symboliczną
reprezentacją rzeczywistego układu – za pomoca umownych symboli przedstawia
podzespoły elektroniczne, z których jest zbudowany układ, i połączenia między
nimi. Rodzaj użytych modeli i stopień ich komplikacji dobiera się stosownie
do tego, jakie parametry i z jaką dokładnością trzeba wyznaczyć. Zwykle
rezystory i kondensatory możemy traktować jako elementy zbliżone do idealnych,
co w rozpatrywanym przypadku stosunkowo małych częstotliwości sygnału
wzmacnianego jest sensowne. Tak więc rezystor rzeczywisty modeluje się
elementem idealnym charakteryzującym się tylko rezystancją R, a kondensator
rzeczywisty modeluje się elementem idealnym charakteryzującym się tylko
pojemnością C. Ewentualne odstępstwa od idealności (zależność podstawowego
parametru od napięcia, temperatury, czasu) można uwzględnić na etapie komputerowej
symulacji układu.
Najczęściej stosowanym przy projektowaniu modelem tranzystora
bipolarnego jest model mieszany. Gdy
projektuje się wzmacniacz o stosunkowo małej wartości górnej częstotliwości
granicznej i przeciętnych wymaganiach wartości rezystancji wejściowej
i wyjściowej, upraszcza się pełny model tak, że pozostaje tylko źródło
sterowane gmUb'e, konduktancja gb'e oraz
pojemności Cjc i Ce. (rysunek powyżej) Element oznaczony
na schemacie symbolem RB jest rezystorem o rezystancji RB=RB1||RB2,
natomiast elementy modelu tranzystora wyznacza się z następujących zależności:
rb'e=1/gb'e=b
0
/geb'=25 b
0
/IE;
gm »geb'»IE/25, gdzie IE - składowa stała
prądu emitera wyrażona w mA. Z przedstawionego schematu nie da się uzyskać
prostych wzorów projektowych. Należy schemat jeszcze bardziej uprościć. W
tym celu zakres interesujących nas częstotliwości sygnału wzmacnianego
dzieli się na trzy podzakresy: małych, średnich i dużych częstotliwości.
Przyjmuje się, że dla sygnałów o średnich częstotliwościach żadne
elementy reaktancyjne nie wpływają na wartość wzmocnienia napięciowego układu.
Założenie to sprawia, że ze schematu zastępczego znikają wszystkie
pojemności, przy czym pojemności C1, C2 i CE
zastępuje się zwarciami, natomiast pojemności Ce i Cjc
usuwa się ze schematu (rozwarcia). Przyjmijmy również, iż Re=0,
tzn. nie występuje lokalne ujemne sprzężenie zwrotne. Wtedy schemat zastępczy
układu przyjmie postać przedstawioną na rysunku poniżej, gdzie: RL=RC||RO;
Rb=RB||rb'e, Rg=RG+RW.
Schemat wzmacniacza dla składowej stałej i zmiennej napięcia wejściowego
Ogólny schemat wzmacniacza zarówno dla składowej stałej
jak i zmiennej napięcia wejściowego jest ten sam. Powyższe schematy różnią
się jedynie „drobnymi” szczegółami. Dla składowej zmiennej źródło U
jest przypięte do masy, na schemacie pojawiają się również pojemności C1
i C2, zamiast rezystancji emitera RE mamy rezystancję
RB, czyli rezystancję równoległa połączenia R1
i R2. Kondensatory C1 i C2 separują układ od
zewnętrznych napięć stałych oraz umożliwiają doprowadzenie sygnału do
zacisku wejściowego tranzystora (kondensator C1) i odprowadzenie
wzmocnionego sygnału do obciążenia (kondensator C2). W użytecznym
zakresie częstotliwości pracy kondensatory sprzęgające C1 i C2
posiadają pomijalnie małe reaktancje i w schematach zmiennoprądowych należy
je zewrzeć. Wtedy dla sygnałów zmiennych tranzystor obciążony jest wypadkową
rezystancją RLt:
Sposób
obliczania częstotliwości dolnej wzmacniacza
Spadek wzmocnienia przy małych częstotliwościach jest
skutkiem wzrostu reaktancji kondensatorów C1, C2 i CE.
Najczęściej wpływy tych kondensatorów na przebieg charakterystyk częstotliwościowych
bada się oddzielnie, tj. wyznacza się dolne częstotliwości graniczne
wzmacniacza f1, f2, f3 przy oddzielnym uwzględnieniu
każdego każdego kondensatorów C1, C2 i CE
(gdy analizuje się wpływ jednego z kondensatorów, to pozostałe są zwarte). Z pewnym przybliżeniem dolną częstotliwość
wzmacniacza wyznacza się z zalezności
fd
Częstotliwości graniczne f1, f2 i
f3 wyznacza się kolejno dla układów pokazanych na rysunku poniżej:
Układ a) jest modelem wzmacniacza przy zwartych pojemnościach
C2 i CE. Stała czasowa
jest to iloczyn pojemności oraz
rezystancji widzianej z zacisków pojemności.
= C1(Rin + Rg),
gdzie Rin – rezystancja wejściowa
wzmacniacza, Rg – wewnętrzna rezystancja źródła.
Pulsacja
, ale
1= 2
f1, stąd po przekształceniach otrzymujemy wzór na częstotliwość
f1
W układzie b) stała czasowa
, z której wynika częstotliwość graniczna f2, jest równa
iloczynowi pojemności C2 i dołączonej do niej sumarycznej
rezystancji w oczku wyjściowym (podobnie jak
w układzie a). Zatem częstotliwość
=
W układzie c) pulsacja
Ale
3= 2
f3, stąd
Częstotliwość graniczna f3 zależy nie od
stałej czasowej RECE, a zazwyczaj od znacznie mniejszego
iloczynu CE i rezystancji wyjściowej tranzystora od strony emitera (
. Wynika stąd konieczność stosowania kondensatorów CE o dużych
pojemnościach (setki mikrofaradów dla zakresu akustycznego). Zazwyczaj też częstotliwość
f3 – jako najmniejsza – decyduje o dolnej częstotliwości
granicznej całego wzmacniacza.
Dygresja :
Dla lepszego zrozumienia sposobu wyprowadzania stałej czasowej dla częstotliwości dolnej posłużmy sie znanym
nam już schematem zastępczym wzmacniacze przedstawionego na rysunku poniżej :
Dla niskich częstotliwości możemy rozewrzeć pojemności Cjc, Ce ponieważ nie wpływają one na częstotliwość graniczną.
Rozwieramy źródło prądu.
Zwieramy źródło napięcia.
Otrzymujemy układ jak na poniższym rysunku :
Otrzymujmy układ RC znany z zajęć fizyki i zgodnie z wzorem : =R*C, orzymujemy :
gdzie || oznacza równoległe połączenie rezystorów.
Sposób pomiaru rezystancji
wejściowej i wyjściowej wzmacniacza
a) pomiar rezystancji wejściowej
Rezystancje wejściową wzmacniacza mierzy się
metodą pośrednią, stosując na jego wejściu szeregowy rezystor RS.
Następnie mierzymy napięcie wyjściowe przy wyłączonym oporniku RS
(otrzymujemy Uwy1), a potem napięcie wyjściowe przy włączonym rezystorze RS(otrzymujemy Uwy2). Rezystancję wejściową wzmacniacza można obliczyć
na podstawie zależności :
gdzie :
.
b) pomiar rezystancji wyjściowej
Aby wyznaczyć rezystancję wyjściową Rwy można wyjście
wzmacniacza potraktować jako źródło napięcia o określonej rezystancji wewnętrznej.
Mierząc napięcie wyjściowe nieobciążonego wzmacniacza określa się wielkość
siły elektromotorycznej tego źródła
. Obciążając to źródło znaną rezystancją Ro doprowadza się
do podziału tej siły na spadki napięcia na rezystancji wewnętrznej i dołożonej.
Mierząc spadek napięcia na rezystancji obciążenia (wyjściu wzmacniacza) z
proporcji można wyliczyć rezystancję wewnętrzną źródła (rezystancję wyjściową
wzmacniacza).
Dokonuje się tego w sposób następujący. Mianowicie
reguluje się potencjometrem Ro, aż zaobserwujemy spadek napięcia
wyjścia do połowy wartości początkowej(jaką miało przed dołączeniem Ro).
Wzmacniacz
RC z tranzystorem unipolarnym
Tranzystory unipolarne – głównie typu FET – są
stosowane we wzmacniaczach małych częstotliwości znacznie rzadziej niż
tranzystory bipolarne. Wykorzystuje się przede wszystkim takie właściwości
tranzystorów unipolarnych jak: bardzo duża impedancja wejściowa (i znikomy prąd
bramki)), mniejsza nieliniowość charakterystyki przejściowej oraz małe szumy
przy dużych impedancjach źródła sygnału. Niekorzystne w stosunku do
tranzystorów bipolarnych właściwości to: mniejsza transkonduktancja – i w
związku z tym mniejsze wzmocnienie napięciowe – większy na ogół pobór prądu
oraz niezbyt duże pole wzmocnienia tranzystorów FET.
Praktyczne zastosowanie w zakresie m.cz. znalazły dwie
konfiguracje o dużej impedancji wejściowej: wspólnego źródła (WS) i wspólnego
drenu (WD). Zasadnicze właściwości wzmacniaczy w tych konfiguracjach są
podobne do właściwości układów WE i WK, również ogólna konstrukcja
pojedynczego stopnia wzmacniacza jest zbliżona. Różnice są wynikiem innych
metod realizacji obwodu polaryzacji bramki.
Ze względu na dużą impedancję wejściową układów
unipolarnych nie określa się dla nich wzmocnień prądowych ani wzmocnień
mocy (zwykłych i skutecznych), gdyż ki ->
, kp ->
. Impedancja wejściowa ma charakter pojemnościowy i jest określona przez obwód
polaryzacji bramki i pojemność wejściową tranzystora.
Typowe układy dyskretnych wzmacniaczy ze sprzężeniem
pojemnościowym są pokazane na rysunku poniżej.
Małosygnałowy model tranzystora polowego ma strukturę
podobną do modelu hybryd-
tranzystora bipolarnego, dlatego zasadniczo wszystkie zależności,
wyprowadzone w poprzednich punktach, mogą być formalnie przeniesione na
przypadek wzmacniaczy z tranzystorami FET.