Poznajemy tranzystory – część 14

W poprzednim odcinku podałem ci wiele istotnych informacji na temat wzmacniacza OC. W tym odcinku zapoznasz się ze wzmacniaczem tranzystorowym w układzie wspólnego emitera.

Podejdziemy do tematu inaczej niż szkolne podręczniki i okaże się, że występujące tu zależności wcale nie są trudne. Poznasz podstawowe informacje, które pozwolą Ci samodzielnie zaprojektować taki wzmacniacz. Nie znaczy to jednak, że w swych konstrukcjach powinieneś go często stosować. O ile układ ze wspólnym kolektorem (wtórnik emiterowy) jest stosowany bardzo często, o tyle wzmacniacz przebiegów zmiennych ze wspólnym emiterem rzadko bywa stosowany we współczesnych konstrukcjach. Zamiast niego wykorzystujemy wzmacniacze operacyjne. Nie można jednak być prawdziwym elektronikiem, nie znając podstawowych układów pracy tranzystora. Dlatego też dokładnie zapoznaj się z przedstawionym materiałem.

Z dotychczasowych opowieści o tranzystorze wiesz, że jest to twór kapryśny. Masz podstawy sądzić, że równie kapryśny jest wzmacniacz z tranzystorem w układzie wspólnego emitera, pokazany na rysunku 1, znany z podręczników. Masz świętą rację! Za chwilę sam się przekonasz, że taki „podręcznikowy” układ z rysunku 1 rzeczywiście jest kapryśny (i nigdy go nie stosujemy w praktyce).

Nie bój się jednak, mam dla ciebie przyjemną niespodziankę. Zapoznawanie z układem wzmacniacza o wspólnym emiterze (oznaczenie OE lub WE) rozpoczniemy od… przedstawionego w dwóch poprzednich odcinkach wzmacniacza ze wspólnym kolektorem, który już zdążyłeś polubić.

Na początek wyjaśnienie: w praktyce układ ze wspólnym emiterem będziesz stosował tylko do wzmacniania przebiegów zmiennych, więc nie będziemy zajmować się żadnymi stałoprądowymi wersjami wzmacniacza OE. Oczywiście tranzystor jest odpowiednio spolaryzowany i przebiegi zmienne występują na tle spoczynkowych napięć i prądów stałych.

Na rysunku 2 do klasycznego wtórnika emiterowego (OC) dodałem w obwodzie kolektora rezystor R_C o rezystancji zdecydowanie (dziesięciokrotnie) mniejszej niż rezystancja R_E.

Czy obecność niewielkiego rezystora R_C coś zmieni? Nie! To nadal jest układ O_C, bo sygnał wyjściowy odbieramy z emitera.

Powinieneś widzieć tu następującą kolejność: Właściwości wejścia określone są dokładnie tak, jak w układzie OC. Prąd I_E płynący przez R_E jest określony przez (stałe) napięcie bazy i rezystancję R_E. W układzie OE zupełnie nie zajmowaliśmy się obwodem kolektora. Teraz potrzebna jest tylko jedna informacja: jaki jest ten prąd kolektora?

Oczywiście! Możemy przyjąć, że jest on równy prądowi emitera, I_C=I_E.

Na razie pomińmy fakt, że prąd emitera jest odrobinkę większy od prądu kolektora (o prąd bazy) – przyjmujemy, że prąd emitera i prąd kolektora są równe (I_C=I_E), co przy wzmocnieniu prądowym powyżej 100 jest bardzo bliskie prawdy. To jest proste, prawda?

A więc przez R_C płynie prąd I_C=I_E. Na rezystorze R_C wystąpi więc jakiś spadek napięcia. Dotyczy to zarówno prądu stałego (spoczynkowego), jak i przebiegów zmiennych.

Wartość rezystora R_C możemy zwiększać, byleby spadek napięcia na nim nie był zbyt duży i by tranzystor się nie nasycił.

Zwiększmy więc wartość R_C by była równa R_E, ale aby tranzystor się nie nasycił, obniżymy napięcie baterii B₁, żeby stałe napięcie na emiterze wynosiło, na przykład 1/4 napięcia baterii B₂. Sytuację pokazuje rysunek 3a.

A jak będą wyglądać przebiegi zmienne? Podobnie jak w układzie OC, napięcie zmienne na emiterze będzie takie samo, jak na bazie (porównaj rysunek 4b w tej części). A ponieważ rezystory R_E i R_C są równe – uważaj − spadki napięć na tych rezystorach też będą jednakowe! Przykładowe przebiegi w układzie z rysunku 3a znajdziesz na rysunku 3b. Zauważ, że U_RC=U_RE, bo I_C=I_E oraz R_C=R_E. Czy wszystko się zgadza? Przebiegi zmienne na emiterze i kolektorze mają taką samą wielkość, tyle że są „odwrócone” – fachowo mówiąc mają przeciwną fazę. Zauważ, że teraz mamy dwa wyjścia: możemy pobrać sygnał z kolektora, a nie tylko z emitera. I tym oto prostym sposobem dochodzimy do wzmacniacza OE, który na razie ma wzmocnienie 1. Jak zwiększyć wzmocnienie? Czy już się domyślasz?

Mamy dwie drogi.

1. Zmniejszamy rezystancję R_E, a zwiększamy R_C. Żeby nie nasycić tranzystora musimy też zmniejszyć napięcie stałe na bazie, zmniejszając napięcie baterii B₁ (na razie nie zastanawiaj się nad tym, jakie powinno być napięcie baterii B₁ – to nie jest istotne). Stosowny układ i przebiegi znajdziesz na rysunku 4.

To jest już najprawdziwszy wzmacniacz OE Zauważ, że napięcie zmienne na emiterze nadal jest równe zmiennemu napięciu wejściowemu. I nadal przez R_C płynie ten sam prąd, co przez R_E (I_C=I_E). Ponieważ R_C jest teraz trzykrotnie większe od R_E, spadek napięcia na U_RC jest trzykrotnie większy niż na U_RE. Popatrz uważnie na rysunek 4. Czyli… nasz układ ma wzmocnienie równe 3. To nie przypadek – wartość wzmocnienia określona jest przez stosunek R_C do R_E. Przeanalizuj to!

Ponieważ w sytuacji z rysunku 4 przez przypadek wyszło, że U_C=U_RC, możesz mieć pewne wątpliwości. Jak to jest z tymi napięciami? Czy może zmiana napięcia zasilania zmieni wzmocnienie?

Na rysunku 5a pokazana jest sytuacja, gdy w układzie z rysunku 4 podwyższymy napięcie zasilające do 15 V. Zauważ, że spadek napięcia na R_C (U_RC) nadal wynosi 6 V. Prąd kolektora nie zmienił się, bo cały czas jest równy prądowi emitera, a ten jest wyznaczony przez napięcie na bazie.

Rysunek 5b pokazuje sytuację, gdy obniżymy napięcie zasilające do 10 V. Spoczynkowy spadek napięcia na rezystancji kolektorowej (U_RC) nadal wynosi 6 V, a na emiterowej (U_RE) 2 V. Napięcia emitera i kolektora, mierzone w stosunku do masy, różnią się tylko o 2 V. Okazuje się, że jest tu mało „miejsca” na składową zmienną. W rezultacie tranzystor okresowo wchodzi w stan nasycenia (napięcie między kolektorem a emiterem jest bliskie zeru) – na rysunku są to płaskie, sąsiadujące części obu przebiegów. Oczywiście , gdyby wzmacniane przebiegi były mniejsze, oba przebiegi „zmieściłyby się” i nie byłyby zniekształcone. W każdym razie sytuacja z rysunku 5b sygnalizuje istotny warunek poprawnej pracy wzmacniaczy OE – trzeba zapewnić dużo „miejsca” dla wzmacnianego przebiegu. Już chyba widzisz, że najlepiej byłoby ustawić spoczynkowe napięcie kolektora w połowie między napięciem zasilania, a maksymalnym napięciem na emiterze.

Słusznie!

2. Teraz drugi sposób zwiększenia wzmocnienia. Żeby Ci nie mącić w głowie szczegółami, a pokazać główną ideę, wykorzystam układ z rysunku 3, który miał wzmocnienie równe 1. Aby zwiększyć wzmocnienie, do rezystora R_E z tego układu dodaję kondensator C_E o dużej pojemności i rezystor R_E1, o wartości 10 kΩ. Nowy układ i przebiegi pokazane są na rysunku 6.

Zwróć uwagę – napięcia stałe są takie same jak na rysunku 3. Także tym razem napięcie zmienne na emiterze jest równe napięciu wejściowemu. Zauważ, że teraz dla przebiegów zmiennych oporność w emiterze jest wypadkową rezystancją równoległego połączenia R_E i R_E1 (i wynosi 5 kΩ).

Czy jesteś przekonany, że ten układ rzeczywiście wzmacnia przebiegi zmienne dwukrotnie?

Najprościej rzecz biorąc , podobnie jak w układzie z rysunku 4, także i tu wzmocnie − nie wyznaczone jest stosunkiem rezystancji kolektorowej R_C (10 kΩ) do rezystancji w obwodzie emitera, która dla przebiegów zmiennych wynosi właśnie 5 kΩ. Czy to Cię przekonuje?

Jeśli nie, to wgłębimy się w problem. Nadal kluczową sprawą jest to, że prąd emitera jest równy prądowi kolektora. Tylko teraz mamy dwie oddzielne sprawy: prądy i napięcia przebiegów stałych, oraz dla przebiegów zmiennych.

Stały prąd emitera jest nadal wyznaczony przez R_E (i napięcie stałe na bazie), a stałe napięcia spoczynkowe na R_E i R_C są równe – zobacz rysunki 3b i 6b.

Napięcie zmienne na emiterze cały czas jest równe napięciu wejściowemu (z generatora), a kondensator C_E dla przebiegów zmiennych stanowi zwarcie, więc napięcie zmienne na R_E1 też jest równe napięciu na emiterze, czyli napięciu wejściowemu. Jeśli więc na R_E1 występuje takie napięcie zmienne, przez rezystor ten musi także płynąć prąd zmienny.

Tu trochę uproszczę problem, żeby ci nie mącić w głowie − ten prąd, a ściślej ta składowa zmienna skądś się musi wziąć − płynie z baterii B₂ przez rezystor R_C, tranzystor, kondensator C_E, rezystor R_E1 i dalej z powrotem do baterii. (Tylko dla zaawansowanych: Ściślej biorąc, kondensator C_E ładuje się w tym obwodzie, a rozładowuje w obwodzie R_E, R_E1, ale to szczegół, w tej chwili nieistotny.) Na rysunku 7 możesz zobaczyć główną ideę − różnymi kolorami pokazałem Ci te dwie składowe prądu: jedna, płynąca przez R_E jest taka sama, jak w układzie z rysunku 3, druga związana jest z obwodem C_E, R_E1. Sumują się one na rezystancji R_C. Właśnie dlatego napięcie na R_C jest większe niż napięcie na emiterze.

Mam nadzieję, że zrozumiałeś tę ideę. To na razie wystarczy. Nie chcę Cię wprowadzać w szczegóły i rozważać wszystkie możliwe przypadki i ewentualne ograniczenia. Musimy natomiast zająć się kolejną ważną sprawą.

Co z rezystancją wejściową?

Rezystancja wejściowa

Wiesz, jak na dwa różne sposoby zwiększać wzmocnienie. Okazuje się jednak, że zwiększając wzmocnienie, zmniejszasz rezystancje wejściową tranzystora (na razie pomijamy wpływ R_B i rozważamy oporność samego tranzystora).

Wracamy do układu OC z rysunku 2. Jak w każdym układzie OC rezystancja wejściowa dla przebiegów zmiennych samego tranzystora jest β−krotnie (ściślej β+1−krotnie) większa niż rezystancja R_E. Dokładnie tak samo jest w układzie z rysunku 3.

W układzie z rysunku 4 zwiększyliśmy wzmocnienie, zmniejszając rezystancję R_E do 3,3 kΩ. Uważaj! Nadal, podobnie jak w układzie OC, rezystancja wejściowa jest β−krotnie większa od R_E. Ale ponieważ rezystancja R_E jest trzykrotnie mniejsza, rezystancja wejściowa też jest trzykrotnie mniejsza.

To nie przypadek, bo wzmocnienie wynosi właśnie 3.

Podobnie jest w układzie z rysunku 6. Dwukrotne wzmocnienie uzyskaliśmy zmniejszając rezystancję emiterową dla przebiegów zmiennych, i rezystancja wejściowa jest β−krotnie większa od tej wypadkowej rezystancji emiterowej (β × 5 kΩ).

I co, proste?

Występuje tu oczywista zależność: zmniejszając rezystancję emiterową zmniejszamy rezystancję wejściową tranzystora. Cóż, trudno. Coś za coś, nic za darmo: większe wzmocnienie to mniejsza rezystancja wejściowa dla przebiegów zmiennych. Najważniejsze jednak, że układ wzmacnia!

No i co? Wszystko poszło gładko, bez żadnych problemów! A Ty tak bałeś się wzmacniacza OE. Tymczasem jest to aż tak beznadziejnie proste! Może jednak masz jakieś pytania?

Pytasz dlaczego w układzie z rysunku 3 nie zredukować R_E do zera, uzyskując układ jak na rysunku 8a lub prościej –„podręcznikowy” układ z rysunku 8b?

Nigdy tego nie rób! Nie bądź zbyt chytry! Spróbuj odpowiedzieć na dwa pytania:

1. Czy przez zredukowanie oporności emiterowej dla przebiegów zmiennych do zera uzyskasz wzmocnienie nieskończenie wielkie?

2. Jaka będzie wtedy rezystancja wejściowa układu dla przebiegów zmiennych?

Słusznie uważasz, że wzmocnienie nie może być nieskończenie wielkie, a jeśli chodzi o rezystancję wejściową… nie bój się – nie będzie równa zeru. Kiedyś już to obliczaliśmy w tym odcinku i w tamtym przykładzie wyszło nam około 180 omów. A czy pamiętasz, że tamte rozważania wskazywały, iż rezystancja wejściowa nie jest stała, tylko zmienia się w zależności od prądu bazy i kolektora? Doszliśmy do wniosku, iż sygnał wyjściowy w najprostszym układzie wzmacniacza tranzystorowego będzie bardzo zniekształcony? Spójrz na rysunek 8 i 9 w tej części. Zwróć uwagę, że tamte rozważania tak naprawdę dotyczyły właśnie wzmacniacza OE i dotyczą również naszych układów z rysunku 8.

Mało tego! Przecież wtedy na stały prąd bazy i prąd kolektora będą mieć znaczny wpływ nawet maleńkie zmiany stałego napięcia na bazie! Porównaj rysunek 6 w tym odcinku. Zmiana stałego napięcia polaryzującego bazę o około 60 mV spowodowałaby dziesięciokrotną zmianę wartości stałego prądu kolektora. Czyli tranzystor albo by się nasycił (napięcie kolektora bliskie masy, prąd ograniczony wartością R_C), albo spadek napięcia na rezystorze kolektorowym byłby bardzo mały (napięcie kolektora bliskie dodatniemu napięciu zasilania). W obu przypadkach układ nie mógłby prawidłowo wzmacniać przebiegów zmiennych, które przecież muszą występować „na tle” napięcia stałego (najlepiej około połowy napięcia zasilającego). Czyżbyś też zapomniał o wpływie temperatury na napięcie U_BE (−2,2mV/°C)?, w układzie z rysunku 8a.

Wzrost temperatury struktury tranzystora tylko o 8°C (przy niezmiennym napięciu bazy) zmieni prąd kolektora dwukrotnie, tym samym doprowadzi do nasycenia i uniemożliwi pracę wzmacniacza.

Co prawda obecność rezystancji R_B (R_B1 i R_B2) znacznie poprawia sytuację, jednak mimo wszystko stabilność cieplna i napięciowa układów z rysunku 8 jest bardzo słaba. Nie musisz rozumieć wszystkich szczegółów, zapamiętaj tylko podany właśnie wniosek.

Czy już zauważyłeś, że istnieje bardzo prosty sposób na zmniejszenie wpływu zmian temperatury i napięcia zasilającego? Oczywiście chodzi o obecność rezystora emiterowego R_E. Jeśli spoczynkowe napięcie stałe na R_E będzie wynosić choćby tylko 0,3 V, wpływ zmian napięcia bazy i temperatury zostanie zredukowany do około 20% podanych przed chwilą wartości. Gdy napięcie stałe na R_E wyniesie 1,2 V ten wpływ zmniejszy się dwudziestokrotnie. Nie musisz zapamiętywać tych szczegółów – musisz tylko wiedzieć, że czym większe napięcie stałe na R_E, tym spoczynkowy prąd kolektora mniej zależy od temperatury i wahań napięcia polaryzującego bazę. Inaczej mówiąc, zwiększanie wartości R_E czyni układ bardziej stabilnym, niezależnym od wielu czynników, w tym temperatury.

Oczywiście jak zwykle nie można przesadzić. Nadmierne zwiększanie rezystancji R_E zwiększa napięcie U_RE i ogranicza zakres zmian napięcia kolektora – porównaj rysunki 3b, 4b, 5b i 6b.

Jeśli to rozumiesz, właśnie skutecznie ominąłeś nudne podręcznikowe rozważania na temat sprzężenia zwrotnego w tranzystorowym układzie OE. Nie twierdzę, że takie rozważania są niepotrzebne – może kiedyś wrócisz do nich. Twierdzę tylko stanowczo, że próba tłumaczenia początkującym właściwości tranzystora za pomocą zawiłych rozważań i wzorów dotyczących różnych rodzajów sprzężenia zwrotnego, przynosi więcej szkody niż pożytku i niepotrzebnie ich stresuje.

Ty uzbrojony w świeżo zdobytą wiedzę, być może zaproponujesz, żeby pozostać przy stabilnym układzie z rysunku 6, a w celu zwiększenia wzmocnienia zredukować R_E1 do zera, uzyskując układ pokazany na rysunku 9a.

Świetnie! Zrobiłeś spory postęp! Czasami rzeczywiście stosujemy taki układ. Niekiedy stosujemy również układ z rysunku 9b. Dzięki dołączeniu rezystora R_B3 do kolektora, a nie do dodatniego bieguna zasilania, znacznie poprawia się stabilność stałoprądowego punktu pracy. Jeśli z jakichkolwiek powodów (np. zmiany temperatury) prąd stały kolektora wzrośnie, to napięcie kolektora obniży się, i tym samym obniży się napięcie na bazie. Spowoduje to zmniejszenie prądu kolektora. W praktyce wahania stałego napięcia kolektora pod wpływem zmian temperatury nie będą większe niż 1 V – wynik zupełnie wystarczający do wielu zastosowań. Obliczanie wartości elementów nie jest trudne. Zwykle chcemy, żeby stałe napięcie na kolektorze było równe połowie napięcia zasilającego (U_RC = 0,5 Uzas). Zakładamy jakiś prąd kolektora (zwykle od 1 mA do kilku mA) i obliczamy wartość R_C = 0,5 Uzas / I_c

Prąd dzielnika R_B1, R_B2 powinien wynosić około 0,1 Ic, by był znacznie większy od prądu bazy. Napięcie na rezystorze R_B1 będzie wynosić około 0,6 V.

Stąd R_B1 = 0,6 V / 0,1 I_c = 6 V / I_c

Ponieważ suma napięć na R_B2 i R_B3 ma wynosić 0,5 Uzas – 0,6 V, a prąd dzielnika wynosi 0,1 I_c (pomijamy prąd bazy), więc (R_B2+R_B3) = (0,5 Uzas – 0,6 V) / 0,1 I_c

Zamiast przeprowadzać obliczenia, można przyjąć R_B2 = R_B3 = 5R_c, a wartość R_B1 dobrać eksperymentalnie, by napięcie na kolektorze wynosiło 0,5 Uzas.

Do zastosowań audio pojemność kondensatora (elektrolitycznego _CB) może wynosić 100 μF.

Zauważ, że duży kondensator C_B dla sygnałów zmiennych stanowi zwarcie. Tym samym nie przepuszcza zmiennych sygnałów (sprzężenia zwrotnego) z kolektora na bazę. Dzięki temu dla przebiegów zmiennych układ ma duże wzmocnienie, ale małą rezystancję wejściową i duże zniekształcenia. Natomiast spoczynkowy (stałoprądowy) punkt pracy jest stabilizowany dzięki (silnemu ujemnemu) sprzężeniu zwrotnemu z kolektora na bazę.

Oczywiście w układach z rysunku 9 można dodać niewielki rezystor emiterowy, by kosztem zmniejszenia wzmocnienia zwiększyć rezystancję wejściową i poprawić liniowość.

I wychodzi na to, że w praktyce najczęściej będziemy stosować układ pokazany na rysunku 10.

W następnym odcinku wrócimy do tego tematu. Ale wcześniej kolejna ogromnie ważna sprawa.

Oporność wyjściowa wzmacniacza OE

Z dotychczasowych rozważań wynika niedwuznacznie prosta zależność: zwiększając wzmocnienie, zmniejszamy rezystancję wejściową. A zmniejszanie rezystancji wejściowej jest istotną wadą.

Czy jest to nieuniknione?

Może zaproponujesz po prostu, by zwiększyć wszystkie rezystancje, na przykład dziesięciokrotnie. Jeśli wszystkie rezystancje wzrosną w takim samym stopniu, napięcia w układzie nie powinny się zmienić – zmniejszą się tylko prądy (ale to chyba dobrze, bo układ będzie zużywał mniej energii).

Rzeczywiście, zwiększenie rezystancji (w tym rezystancji w emiterze) korzystnie zwiększy rezystancję wejściową.

Zwiększajmy więc…

Czy już widzisz problem? Nie?

To przeanalizuj podany przykład.

Na rysunku 11a pokazano fragment wzmacniacza tranzystorowego. Załóżmy, że bez zewnętrznego obciążenia, na wyjściu występuje napięcie sinusoidalne 1 kHz o wartości skutecznej 2 V. Co się stanie, jeśli do wyjścia dołączymy rezystor obciążenia o rezystancji 220 Ω, jak pokazano na rysunku 11b? Odpowiedz na pytania:

1. Czy zmieni się wartość zmiennego napięcia wyjściowego?

2. Czy zmieni się napięcie stałe na kolektorze tranzystora?

3. Czy pojawią się zniekształcenia sygnału sinusoidalnego?

4. Czy zmieni się częstotliwość sygnału?

Spróbuj odpowiedzieć sam!

Słusznie! Dodanie zewnętrznego obciążenia zmniejsza wypadkową rezystancję dołączoną do źródła prądowego, jakim jest obwód kolektora. Zgodnie z prawem Ohma: U = I × R

Czym mniejsza dołączona rezystancja, tym mniejsze napięcie wyjściowe. Prąd kolektora się nie zmienił, natomiast rezystancja obciążenia zmniejszyła się z 2 kΩ do około 200 Ω. A więc spadek napięcia na rezystorze RC zmniejszył się dziesięciokrotnie, czyli napięcie zmienne na kolektorze zmniejszyło się dziesięciokrotnie. Natomiast napięcie stałe na kolektorze, mierzone względem masy, zwiększyło się. Nie pojawiły się zniekształcenia, ani nie zmieniła się częstotliwość.

Tak na marginesie − te 200 Ω to wypadkowa rezystancja równoległego połączenia rezystancji 2 kΩ i 220 Ω. Ściśle biorąc, wynik obliczeń to: 198,2 Ω − ale w elektronice, inaczej niż w szkolnej matematyce, nie musimy wykonywać idealnie precyzyjnych obliczeń, choćby dlatego, że rzeczywiste elementy mają znaczny rozrzut parametrów, przykładowo tolerancja typowych rezystorów wynosi: 1…5%. Dlatego zaokrąglenie wartości rezystancji obliczonej w tym przykładzie o mniej niż pół procenta nie ma najmniejszego znaczenia.

A teraz wyobraź sobie, że dziesięciokrotnie zwiększyłeś wszystkie rezystancje w układzie. Wszystkie prądy zmniejszą się dziesięciokrotnie. Bez zewnętrznego obciążenia napięcie wyjściowe (na rezystorze R_C o wartości 20 kΩ) nadal jest równe 2 Vsk. Ale jeśli teraz do wyjścia dołączysz rezystancję obciążenia równą 220 Ω, to…

No właśnie – ponieważ rezystancja obciążenia zmniejszy się z 20 kΩ do 217 Ω, a prąd kolektora jest teraz dziesięciokrotnie mniejszy, napięcie wyjściowe drastycznie spadnie około 92 razy z 2Vsk do 21,7 mV!
Czy teraz już wiesz, dlaczego zwiększanie wszystkich rezystancji w układzie (w tym rezystancji w kolektorze i emiterze) nie rozwiązuje problemu. Chcieliśmy tym zwiększyć rezystancję wejściową i zwiększyliśmy. Niestety, okazało się, że po dołączeniu obciążenia napięcie wyjściowe niedopuszczalnie się zmniejszyło.

Okazuje się, że nasz wzmacniacz w układzie OE ma dużą rezystancję wyjściową.

Co prawda my zwykle traktujemy obwód kolektora jako źródło prądowe pracujące na obciążeniu R_C, sytuację dla przebiegów zmiennych pokazuje rysunek 12a, ale śmiało możemy narysować schemat zastępczy wzmacniacza OE w bardziej zrozumiałej postaci, ze źródłem napięciowym i szeregową rezystancją wyjściową jak na rysunku 12b.

Nasz wzmacniacz zachowuje się tak, jakby na wyjściu umieszczono jakąś szeregową rezystancję – właśnie jego rezystancję wyjściową. Oczywiście po dołączeniu zewnętrznego obciążenia napięcie wyjściowe zmniejszy się. Czym większa będzie wewnętrzna rezystancja wyjściowa R_WY w stosunku do rezystancji obciążenia R_L, tym napięcie wyjściowe będzie mniejsze.

A jaka jest wartość rezystancji wyjściowej w układzie OE? Nie będziemy się rozdrabniać, jeśli chcesz, sprawdź sam – rezystancja wyjściowa układu OE jest równa rezystancji opornika R_C umieszczonego w kolektorze.

To zupełnie inaczej niż w układzie wspólnego kolektora, gdzie (przy niezbyt dużych sygnałach) dołączenie rezystancji obciążenia R_L przez kondensator praktycznie nie zmieniało zmiennego napięcia wyjściowego. Czyli rezystancja wyjściowa była bardzo mała. Skąd taka różnica?

Tam była inna sytuacja – napięcie (stałe i zmienne) na emiterze było wymuszone przez napięcie na bazie. Tu masz praktyczny przykład właściwości źródła prądowego. Napięcie na wyjściu jest wynikiem przepływu prądu przez obciążenie kolektorowe. Czyli wszystko zależy od oporności w obwodzie kolektora. Zauważ, że decydujący wpływ na wzmocnienie napięciowe ma wypadkowa oporność (impedancja) obciążenia. Do tego wątku wrócimy w następnym odcinku.

Tymczasem przeanalizujmy kolejny przykład. Wzmacniacz jest ten sam co na rysunku 11, napięcia stałe i zmienne bez obciążenia też takie same. Tylko teraz zewnętrzny rezystor obciążenia (220 Ω) jest dołączony nie wprost, tylko przez kondensator o bardzo dużej pojemności. Wygląda to jak na rysunku 13a lub 13b.

Czy sposób dołączenia obciążenia coś zmienia? Oczywiście nie! Dla przebiegów zmiennych zupełnie nie ma różnicy, czy obciążenie podłączone jest do plusa zasilania czy do masy – przecież dla sygnałów zmiennych szyna zasilania to to samo co obwód masy.

Jeśli tak, to odpowiedz na pytania:

1. Czy zmieni się wartość zmiennego napięcia wyjściowego?

2. Czy zmieni się napięcie stałe na kolektorze tranzystora?

Odrobinę trudniejsze, prawda? Kondensator separujący dla przebiegów zmiennych stanowi zwarcie, dla stałych stanowi przerwę. Już wiesz:

1. Wartość napięcia zmiennego powinna się zmniejszyć do 0,2 Vsk, bo dla prądów zmiennych rezystancja obciążenia widziana od strony kolektora zmniejszyła się tak samo jak w poprzednim przykładzie z 2 kΩ do 200 Ω.

2. Napięcie stałe na kolektorze tranzystora nie zmieniło się, bo wskutek obecności kondensatora rezystancja dla prądu stałego widziana od strony kolektora nadal jest równa 2 kΩ.

Ma to bardzo ważne konsekwencje praktyczne.

Przypuśćmy, że zaprojektowałeś oszczędny wzmacniacz z rysunku 14a (przypuśćmy, że rezystancje R₁ i R₃ mają mieć po 430 kΩ), który jak łatwo obliczyć, ma wzmocnienie równe 20 razy.

To trochę za mało do Twoich celów, więc do jego wyjścia dołączasz drugi taki sam stopień wzmocnienia . Układ wygląda jak na rysunku 14b. Czy wypadkowe wzmocnienie wyniesie 20 × 20 = 400 razy?

Po stokroć nie!

Zrozum to i zapamiętaj raz na zawsze. Niedoświadczeni elektronicy bardzo często zapominają o wpływie oporności wejściowej i wyjściowej we wzmacniaczu OE. Zacznijmy od końca. Wzmocnienie wzmacniacza z tranzystorem T2 będzie równe 20 (R_C2/R_E2) tylko wtedy, gdy wzmacniacz nie będzie obciążony, a praktycznie wtedy, gdy zewnętrzne obciążenie R_L będzie zdecydowanie większe niż R_C2. Po obciążeniu wzmocnienie będzie wyznaczone stosunkiem wypadkowej rezystancji kolektorowej i R_E2, czyli wyniesie (R_C2 || R_L) / R_E2. Możesz obliczyć, że drugi stopień będzie miał wzmocnienie równe 4.

Ale to nie koniec. Oblicz, jaka jest oporność wejściowa R_WE2 wzmacniacza z tranzystorem T2. Nie musisz liczyć dokładnie, wystarczą wartości przybliżone. Przy założeniu, że β=100 i R_E2=1 kΩ rezystancja samego tranzystora wynosi około 100 kΩ, a po uwzględnieniu rezystancji polaryzujących R₃ i R₄ wypadkowa rezystancja wejściowa wynosi około 20 kΩ.

Tym samym − uważaj – obciążeniem tranzystora T1 będzie nie tylko rezystor R_C1, ale rezystancja równoległego połączenia R_C1 (20 kΩ) i obliczonej właśnie rezystancji wejściowej następnego stopnia (około 20 kΩ). Obciążenie w kolektorze będzie więc mieć około 10 kΩ, czyli uwzględniając wartość R_E1 wzmocnienie pierwszego stopnia będzie równe nie 20, tylko 10.

Przy podanych wartościach okazało się, że wzmocnienie pierwszego stopnia wyniesie 10 razy, wzmocnienie drugiego 4 razy, czyli wypadkowe wzmocnienie zamiast spodziewanego 400 razy wyniesie jedynie 40 razy.

W zasadzie to jeszcze nie wszystko. Cały układ ma rezystancję wejściową około 20 kΩ, co może być istotnym obciążeniem dla źródła sygnału i wtedy wypadkowe wzmocnienie będzie jeszcze mniejsze.

Przeanalizuj dokładnie podany przykład. Czy teraz już dokładnie rozumiesz, że nie wolno zapominać o rezystancji wyjściowej i wejściowej wzmacniacza OE?

Umęczyłem Cię zależnościami występującymi we wzmacniaczu ze wspólnym emiterem. Co z tego koniecznie musisz zapamiętać?

Najważniejsze są następujące wnioski:

1. Zwiększanie wzmocnienia następuje kosztem zmniejszania rezystancji wejściowej.

2. Rezystancja wyjściowa jest równa rezystancji R_C umieszczonej w obwodzie kolektora.

W następnym odcinku zaprojektujemy też wspólnie dwa wzmacniacze OE. A ponieważ wzmacniacz OE nadal kryje pewne tajemnice, podam Ci kilka dalszych ciekawych informacji.

Piotr Górecki