Tranzystory, cz17.pdf

Pierwsze kroki

Tranzystory

dla początkujących

część 17

Wzmacniacz OB i inne cegiełki

W poprzednich odcinkach wgłębialiśmy się w zawiłości wzmacniaczy tranzystorowych ze wspólnym kolektorem

i wspólnym emiterem. Wiesz bardzo dużo na ten temat i niewątpliwie ta wiedza przyda się w praktyce.

W najbliższych odcinkach przestawione zostaną nie tylko wzmacniacze ze wspólną bazą,

ale też kilka innych ważnych i potrzebnych układów.

Wzmacniacz

ze wspólną bazą − OB

Prosty przykład wzmacniacza OB znaj−

dziesz na rysunku 1. Choć układ wygląda

trochę dziwnie, bo sygnał wejściowy po−

dawany jest na emiter, tym razem analiza

pójdzie szybko. Zaczniemy ją jednak od

rysunku 2.

U1 wyznacza napięcie na R E , a tym sa−

mym prąd płynący przez R E [I E =(U1−

0,6)/R E ]. Zakładając duże wzmocnienie

prądowe tranzystora możemy przyjąć, iż

prąd kolektora jest równy prądowi emite−

ra (pomijamy niewielki prąd bazy). Napię−

cie na kolektorze to napięcie zasilania U2,

pomniejszone o spadek napięcia na R C

(równy I C *R C , w przybliżeniu I E *R C ).

Zauważ, że o wszystkim decyduje

prąd emitera (i równy mu prąd kolektora).

Gdy zmienimy napięcie w punkcie

A o 0,5V w stronę napięć ujemnych, na−

pięcie na R E zwiększy się. Wzrośnie też

prąd I E , a tym samym I C i napięcie wyj−

ściowe. Sytuację w układzie pokazuje ry−

sunek 2b.

Gdy z kolei zmienimy napięcie w punk−

cie A o 0,5V w stronę napięć dodatnich,

napięcie na R E zmniejszy się, i odpowie−

dnio zmaleje prąd emitera (i kolektora).

Sytuację pokazuje rysunek 2c.

Rys. 1

Niech na początku sytuacja wygląda

jak na rysunku 2a. Najpierw dla upro−

szczenia załóżmy, że napięcie U BE w cza−

sie pracy zawsze wynosi 0,6V. Napięcie

Rys. 2

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99

Pierwsze kroki

Zmiany napięcia na kolektorze są dzie−

sięć razy większe niż w punkcie A − sto−

pień ma wzmocnienie równe 10. To

znów nie jest przypadek − wartość

wzmocnienia napięciowego wyznaczona

jest przez stosunek rezystorów R C /R E .

Natomiast wzmocnienie prądowe jest

praktycznie równe 1 − prąd wyjściowy

(kolektora) jest równy prądowi wejścio−

wemu (emitera).

Zwróć uwagę, że źródło U1 musi do−

starczyć cały prąd emitera. Musi to więc

być źródło o znacznej wydajności prądo−

wej. Inaczej mówiąc, wzmacniacz ze

wspólną bazą ma bardzo małą oporność

wejściową − jaką? W układzie z rysunku 2

jest to rezystancja R E . Możesz to spraw−

dzić, obliczając rezystancję dynamiczną,

czyli stosunek zmian napięcia do zmian

prądu (Rwe =

zwarta z masą. Możemy i powinniśmy

przyjąć, że napięcie na bazie się nie zmie−

nia − mówiąc slangiem − jest sztywne jak

drut.

Przez tranzystor płynie spoczynkowy

prąd stały wyznaczony najpierw przez na−

pięcie bazy (ustala to dzielnik R B1 , R B2 ),

a dalej przez napięcie emitera i wartość

rezystora R E . Oczywiście prąd kolektora

jest praktycznie równy prądowi emitera

(pomijamy niewielki prąd bazy).

A teraz odpowiedz: jaka będzie rezy−

stancja wejściowa wzmacniacza z rysun−

ku 1 dla przebiegów zmiennych? Czy bę−

dzie równa R E czy raczej r e ? A może su−

mie R E +r e ?

Masz problem?

Nie czytaj na razie dalszego ciągu −

spróbuj samodzielnie znaleźć odpowiedź.

Będzie to mały teścik, na ile naprawdę

czujesz zależności w układach tranzysto−

rowych.

...

No i do czego doszedłeś?

Na podstawie rysunku 1 powinieneś

narysować schemat zastępczy dla prze−

biegów zmiennych − celowo nie zamieści−

łem tego rysunku na tej stronie, żeby Ci

nie ułatwiać zadania. Punktem

odniesienia − masą, jest baza

tranzystora (w końcu jest to

układ OB). Ponieważ dla przebie−

gów zmiennych kondensator C B

zawiera bazę z minusem zasila−

nia, więc... ostatecznie rezystan−

cja wejściowa jest równa równo−

ległemu połączeniu R E ir e − prze−

analizuj starannie rysunkii

4a i 4b zamieszczone na końcu

artykułu. Ponieważ jednak

w praktyce R E ma wartość dużo

większą od r e , więc bez sporego

błędu możemy mówić, że rezy−

stancja wejściowa układu z rysunku 1 dla

przebiegów zmiennych jest równa r e . Pa−

miętaj, że rezystancja ta zależy od prądu

(r e =26mV/Ic) i jej wartość wynosi kilka do

kilkunastu omów.

Tak jest − wzmacniacz OB ma bardzo

małą rezystancję wejściową (dla porów−

nania przypominam, że układ OE ma rezy−

stancję

dziemy się w to wgłębiać, bo okazałoby

się, że przy większych częstotliwościach

trzeba uwzględniać także wewnętrzne

pojemności, i oporność wejściowa nie

jest wtedy czystą rezystancją.

I E ).

Nietrudno się domyślić, że oporność

wyjściowa jest równa oporności kolekto−

rowej R C , podobnie jak w układzie OE.

Jasne?

Jeśli tak, to chyba nie będziesz miał

kłopotów z określeniem rezystancji wej−

ściowej oraz wzmocnienia układu z ry−

sunku 3a.

Uwe/

Iwe=

U1/

Rys. 5

Po drugie, ze względów, o których

opowiem Ci za chwilę, wzmacniacz OB

pozwala na pracę przy częstotliwościach

zdecydowanie wyższych, niż układ OE.

Stąd układ OB stosowany jest tam, gdzie

trzeba uzyskać dużą szybkość stopnia,

czyli szerokie pasmo przenoszonych czę−

stotliwości. Dotyczy to zarówno typo−

wych wzmacniaczy w.cz., jak i wszelkich

szybkich wzmacniaczy.

I to w zasadzie wszystko, co powinie−

neś wiedzieć o układzie OB. Wzmacnia−

czy w układzie OB praktycznie nie bę−

dziesz stosował. Chyba, że chcesz budo−

wać wzmacniacze na zakres wysokiej

częstotliwości. Ale to jest dość trudne za−

danie, więc będziesz się musiał jeszcze

sporo nauczyć.

Rys. 3

Gdzie te wzmacniacze?

Czy po zapoznaniu się z podstawowy−

mi konfiguracjami wzmacniaczy tranzy−

storowych nie masz przypadkiem uczucia

niedosytu? Zarówno w szkole, jak i w na−

szym cyklu wałkujemy szczegółowo te

nieszczęsne wzmacniacze OE, OC, OB.

I co?

Gdy weźmiesz do ręki schemat jakie−

goś "prawdziwego" wzmacniacza, na

przykład Giganta 2000 (przedruk z Elekto−

ra w poprzednim numerze EdW str. 14),

to nie doszukasz się poznanych właśnie

elementarnych stopni OC, OE, OB. No,

może uda Ci się zidentyfikować parę

tranzystorów w układzie OC, ale... w ob−

wodach stabilizatorów napięcia. Może

rozpoznasz jeszcze jakieś źródła prądo−

we... I chyba nic poza tym!

Czarna rozpacz!? Dziesiątki tranzysto−

rów są połączone w jakiś pokrętny spo−

sób, a Ty prawie nic z tego nie rozumiesz.

Trzeba tu pamiętać o omówionej we

wcześniejszych odcinkach wewnętrznej

rezystancji emiterowej r e , którą na rysun−

ku 2 pominęliśmy, zakładając stałe napię−

cie U BE równe 0,6V. Rysunek 3b uzasa−

dnia, że wzmocnienie napięciowe stop−

nia jest równe R C /r e , przy czym rezystan−

cja wejściowa jest bardzo mała, równa r e .

O "wewnętrznej rezystancji emiterowej"

r e szeroko mówiliśmy w jednym z po−

przednich odcinków.

W praktyce zazwyczaj nie stosujemy

zasilania podwójnym napięciem, tylko

stosujemy układ podobny do tego z ry−

sunku 1 (na początku artykułu). Wróćmy

do niego. Dzielnik R B1 , R B2 ustala napięcie

na bazie. Obecność kondensatora C B

gwarantuje, że na bazie nie ma żadnych

napięć zmiennych (gdyby nawet pojawiły

się niewielkie zmiany wynikające ze zmian

prądu bazy, kondensator je odfiltruje).

Dla przebiegów zmiennych baza jest

*r e ). Wbrew pozorom nie jest to

dyskwalifikującą wadą. Po pierwsze układ

OB wykorzystywany jest przede wszyst−

kim w układach w.cz., a tam oporności ro−

bocze są rzędu 50 czy 75

i stosunkowo

łatwo można dopasować oporność wej−

ściową tranzystora do typowej oporności

roboczej 50 czy 75

. Można to robić na

kilka sposobów, między innymi dodając

rezystor R E1 wg rysunku 5. Co prawda

zmniejsza to wzmocnienie, ale zwiększa

rezystancję wejściową i liniowość stop−

nia. Można też dopasować oporności ina−

czej, za pomocą elementów L, C. Nie bę−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99

Pierwsze kroki

Tak to jest w życiu. Choć znajomość

wzmacniaczy OC, OE, OB jest wręcz nie−

zbędna, jest to dopiero wstęp do wiedzy

o wzmacniaczach. Właśnie artykuł z Elek−

tora i zamieszczone tam rozważania pro−

jektowe znakomicie to udowadniają. Aby

samodzielnie zaprojektować tranzystoro−

wy wzmacniacz mocy do domowego ze−

stawu audio lub do dyskoteki, nie wystar−

czy poznać konfiguracje OC, OE, OB. Wy−

magana jest bardzo rozległa wiedza, i to

nie tylko o podstawowych układach, blo−

kach i "chwytach". Tranzystor tranzystoro−

wi nie równy. W ekstremalnych warun−

kach pracy, przy dużych mocach, napię−

ciach i prądach, dają o sobie znać dodat−

kowe cechy zarówno zastosowanych roz−

wiązań układowych, jak i użytych podze−

społów. Dlatego niełatwo zaprojektować

dobry wzmacniacz tranzystorowy. Po za−

projektowaniu własnego wzmacniacza,

a nawet po skopiowaniu jakiegoś znane−

go z literatury, zazwyczaj pojawiają się

przykre niespodzianki w postaci samo−

wzbudzenia, nadmiernych zniekształceń

i podwyższonych szumów. I dopiero wte−

dy zaczyna się problem − co zrobić, by zli−

kwidować te wady? Niektórzy próbują

znaleźć rozwiązanie "na macanego", me−

todą ślepca, inaczej mówiąc metodą prób

i błędów. Tylko nieliczni doświadczeni

konstruktorzy mają na tyle dużą wiedzę,

żeby przeanalizować zagadnienie "od ko−

rzeni" i od razu obliczyć oraz zapropono−

wać sensowny układ. W ramach niniej−

szego cyklu nie sposób przekazać całej

wiedzy o wzmacniaczach, zwłaszcza że

w dużej mierze opiera się ona na indywi−

dualnych doświadczeniach. Nie znaczy to

jednak, iż nie warto próbować, zaczyna−

jąc od prostszych konstrukcji, o mniejszej

mocy. Eksperymentować trzeba! Nawet

nieudane próby czegoś uczą. Wcześniej

trzeba jednak poznać kolejne elementar−

ne cegiełki, stosowane do budowy

"prawdziwych" wzmacniaczy. Zajmijmy

się kilkoma takimi cegiełkami.

tora przenoszą się przez nią z powrotem

na bazę, zmniejszając wzmocnienie . Czy

zawsze?

Na pewno zjawisko to najsilniej wystę−

puje właśnie w układzie OE, bo sygnały

użyteczne występują tam na kolektorze

i na bazie. W układzie OC na kolektorze

tranzystora sygnały zmienne nie wystę−

pują, więc nie powinno być tego proble−

mu. Podobnie... no właśnie... w układzie

OB też nie ma problemu, bowiem na ba−

zie nie występują sygnały zmienne. Dla

przebiegów zmiennych baza jest zwarta

do masy i to, co ewentualnie przeniesie

się z kolekto−

ra przez po−

jemność, zo−

staje zwarte

do masy.

Rzeczywi−

ście, wzmac−

niacz OE ma

w zakresie

wysokich

częstotliwo−

ści właściwo−

ści znacznie

gorsze, niż

wzmacniacz

z tym samym

tranzystorem

w układzie

OC lub OB.

A wszystko

ze względu

na tę szkodli−

wą pojemność między kolektorem a bazą

i szkodliwy sygnał ujemnego sprzężenia

zwrotnego przenoszący się z kolektora na

bazę. Jednak wzmacniacz OE ma cenne

zalety. Szkoda z nich rezygnować. Aby

wyeliminować szkodliwy wpływ wspo−

mnianej pojemności, należałoby wyna−

leźć taki wzmacniacz OE, w którym zmia−

ny napięcia na kolektorze są jak najmniej−

sze. Niemożliwe? Wzmacniacz taki

(w wersji bardzo uproszczonej) pokazany

jest na rysunku 6a. Taki dwutranzystoro−

wy układ nazywamy kaskodą (nie pomyl

z kaskadą). Zauważ, że dolny tranzystor

(T1) pracuje w układzie OE, a górny (T2) −

OB. Co najważniejsze, choć prąd kolekto−

rów obu tranzystorów zmienia się w takt

sygnału, napięcie na kolektorze dolnego

tranzystora jest praktycznie niezmienne,

cały czas o około 0,6V mniejsze od napię−

cia U1. A jeśli zmiany napięcia na kolekto−

rze są bardzo małe, to szkodliwy wpływ

pojemności kolektor−baza tego dolnego

tranzystora jest znacząco zredukowany.

Czyli dolny tranzystor pracuje w układzie

OE, ale zmiany napięcia na jego kolekto−

rze są minimalne, bo pracuje on na nie−

wielkie obciążenie r e górnego tranzystora

− porównaj rysunek 6b. Górny tranzystor

to najprostszy przykład realizacji wzmac−

niacza OB. Można powiedzieć, że dolny

tranzystor wzmacnia prąd, a górny napię−

cie. Dzięki takiemu połączeniu, kaskoda

łączy zalety układów OB i OE i jest stoso−

wana zwłaszcza we wzmacniaczach wy−

sokiej częstotliwości i szerokopasmo−

wych. Kaskoda pozwala na uzyskanie du−

żych napięć wyjściowych dzięki zastoso−

waniu wysokonapięciowego górnego

tranzystora (nawet o niezbyt dobrych pa−

rametrach) i dobrego dolnego tranzysto−

ra, który w dużym stopniu decyduje

o właściwościach całego stopnia. Tyle

powinieneś wiedzieć o kaskodzie.

Rys. 6

Darlington

Z określeniem tranzystor Darlingtona ,

albo krócej (i nieprecyzyjnie) Darlington

lub darlington, na pewno się już spotka−

łeś. Może uważasz, że ten "darlington" to

rodzaj tranzystora o bardzo dużym

wzmocnieniu. Sugeruje to wiele dzisiej−

szych katalogów. Tymczasem gość o na−

zwisku Darlington nie wynalazł nowego

typu tranzystora, tylko wykombinował

genialnie prosty układ . Połączył mianowi−

cie dwa tranzystory. Uzyskał element,

który zachowuje się jak zwykły tranzy−

stor, ale ma bardzo duże wzmocnienie

prądowe. Typowy ukłład Darlliingtona

w wersjach NPN i PNP zobaczysz na ry−

sunku 7.

Zauważ, że ten twór zachowuje się tak

jak zwykły tranzystor. Znaczącą różnicą

jest tylko większe napięcie U BE wymaga−

ne do jego otwarcia (dwukrotnie większe

niż w zwykłym tranzystorze). Co bardzo

ważne, wynalazek ten ma bardzo duże

wzmocnienie prądowe:

Kaskoda

Czy słyszałeś o zjawisku (lub pojemno−

ści) Millera? Informacje na ten temat

znajdziesz w każdym podręczniku elek−

troniki. Nie będę Ci tłumaczył szcze−

gółów. Omówimy problem w sposób

uproszczony. Odszukaj w EdW 11/98 na

stronie 65 rysunek 3 przedstawiający

schemat − model tranzystora (Ebersa−

Molla). Możesz także zerknąć na zamie−

szczony tam rysunek 4. Nietrudno się do−

myślić, że obecność pojemności między

kolektorem a emiterem ma niekorzystny

wpływ na właściwości wzmacniacza.

Wraz ze wzrostem częstotliwości opor−

ność (reaktancja pojemnościowa) kon−

densatora maleje − a więc przy większych

częstotliwościach zmiany napięcia kolek−

Sprawdź − już przy wzmocnieniu każdego

z tranzystorów równym 50, wypadkowe

wzmocnienie prądowe wyniesie 2500!

A przy

1 *

2=200 wzmocnienie wynosi

40 tysięcy!

Rewelacja!

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99

Pierwsze kroki

prądu stałego i przy sto−

sunkowo małych często−

tliwościach. Ze względu

na swe lenistwo nie są

stosowane nawet do

wzmacniaczy mocy audio

wyższej klasy. Ta ospa−

łość darlingtonów zwięk−

sza poziom zniekształceń;

jest on zauważalnie więk−

szy niż we wzmacnia−

czach tranzystorowych ze

"zwykłymi" tranzystorami, a tym bardziej

z MOSFET−ami.

Kiedyś zdecydowanie zalecano, by

przy samodzielnym składaniu darlingtona

z dwóch tranzystorów, dodać rezystor,

jak pokazuje rysunek 9. W przypadku

tranzystorów germanowych było to po−

trzebne ze względu na duże prądy

zerowe, płynące także przy braku

prądu bazy. We współczesnych tran−

zystorach krzemowych w tempera−

turze pokojowej prądy zerowe są na−

prawdę małe, rzędu nanoamperów

i nie ma konieczności stosowania ta−

kiego rezystora. Jedynie w przypad−

ku, gdyby tranzystor T1 miał wysoką

temperaturę złącza, rezystor taki

może być potrzebny.

Czasem jednak stosuje się taki

rezystor do zwiększenia szybkości wyłą−

czania. Chodzi o to, by szybciej usunąć

nośniki z obszaru bazy T2. Rezystor przy−

spiesza ten proces. W takim przypadku

czym ten rezystor ma mniejszą wartość,

tym szybciej następuje wyłączenie. Nale−

ży tylko pamiętać, że dodanie rezystora

zmniejsza wzmocnienie prądowe darling−

tona − mówiłem Ci nie raz − nic za darmo.

Niekiedy w literaturze spotyka się

symbol "darlingtona"

jak na rysunku 10, su−

gerujący, że chodzi tu

o pojedynczy ele−

ment, a nie układ

składający się

z dwóch tranzysto−

rów. Dlatego zamiast

"układ Darlingtona",

obecnie coraz czę−

ściej mówi się "tranzy−

stor Darlingtona" lub

po prostu darlington −

na rynku znajdziesz

mnóstwo takich "tran−

zystorów".

Produkowane są także elementy za−

wierające układ

z rezystorem jak

na rysunku 9.

Oprócz zwy−

kłego, klasyczne−

go układu darling−

tona, w praktyce

często jest uży−

wany darling−

ton "komple−

mentarny" −

zobacz rysu−

nek 11.

Zapamiętaj

ten układ, bo

będziesz go

często stosował −

istotną różnicą w stosunku do układu

z rysunku 7 jest to, że do otwarcia "kom−

plementarnego" darlingtona wystarczy

napięcie U BE około 0,6V, jak w zwykłym

tranzystorze, a do otwarcia "klasycznego"

darlingtona napięcie U BE jest dwukrotnie

większe.

Nie zapomnij też, że zarówno w "zwy−

kłych" darlingtonach (wg rysunku 7), jak

i "komplementarnych" (rys. 11), nawet

przy wysterowaniu dużym prądem bazy,

napięcie "nasycenia" kolektor−emiter nie

będzie mniejsze niż 0,6...0,9V, zależnie

od warunków pracy. W pojedynczym

tranzystorze napięcie nasycenia wynosi

kilka do kilkuset miliwoltów. W darlingto−

nach jest inaczej. Napięcie U CE tranzysto−

ra wyjściowego nie może spaść poniżej

0,6...0,8V − gdyby było niższe, nie mógłby

płynąć prąd bazy T2, który w każdym

przypadku musi płynąć przez (nasycony)

tranzystor T1. O tym zawsze pamiętaj −

są układy, gdzie muszą być stosowane

zwykłe tranzystory właśnie ze względu

na to znaczne napięcie nasycenia darling−

tonów.

W następnym odcinku opowiem Ci

o kolejnych typowych "cegiełkach", sto−

sowanych do budowy praktycznych

wzmacniaczy.

PNP

Rys. 11

Rys. 7

A przecież możliwe jest też połączenie

trzech tranzystorów wg rysunku 8 i wte−

dy wzmocnienie prądowe będzie rzędu

milionów! Jeśli tak, to dlaczego wszyst−

kie produkowane dziś tranzystory nie są

tymi cudownymi "darlingtonami"?

Rys. 8

Stop! Nie przesadzaj! Znów nic za dar−

mo! Owszem, produkowane dziś darling−

tony mają duże wzmocnienie, ale za to są

generalnie bardzo wolne. O ile tak zwany

"tranzystor małej mocy, małej częstotli−

wości", na przykład BC108 czy BC548 ma

częstotliwość graniczną rzędu

300...500MHz, a zwykły tranzystor "dużej

mocy, małej częstotliwości" też ma czę−

stotliwość graniczną znacznie powyżej 1

megaherca, o tyle ogromna większość

darlingtonów mocy może pracować jedy−

nie do częstotliwości 10...50kHz. Zobacz

rysunek 9 na str. 37 w EdW 1/99. Tak

więc darlingtony są dobre jedynie do spe−

cyficznych zastosowań: w obwodach

Piiotr Góreckii

Rys. 4

Rys. 9

Rys. 10

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99

NPN

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: