Poznajemy tranzystory – część 16

Po zapoznaniu się z właściwościami wzmacniacza ze wspólnym emiterem w poprzednim odcinku masz wszystkie informacje potrzebne do samodzielnego zaprojektowania takiego wzmacniacza. Dziś wspólnie wykonamy dwa przykłady. Co trzeba wiedzieć na wstępie i jakie przyjąć założenia.

Projektowanie wzmacniacza OE

W podręcznikach spotkasz różne schematy i różne sposoby obliczeń. Nie ma jednego, najlepszego schematu i sposobu. Możesz na przykład wykorzystać „przejrzysty” układ z rysunku 1, który znajduje się w tej części cyklu jako rysunek 10.

Nie znaczy, że powinien się on stać podstawą konstruowanych przez ciebie wzmacniaczy. Czasem wykorzystasz któryś układ z rysunku 9 znajdujący się również w tej samej części cyklu. Ale w praktyce i tak najczęściej będziesz wykorzystywał wzmacniacze operacyjne. Tranzystory będziesz stosował raczej tylko w układzie wtórnika (ze wspólnym kolektorem) oraz w układach przełączających. Ale nie wypada, byś nie potrafił w razie potrzeby zaprojektować wzmacniacza tranzystorowego. Spróbujmy więc zaprojektować wspólnie dwa wzmacniacze w układzie OE.

1. Pierwszy − wzmacniacz mikrofonu dynamicznego − powinien mieć wzmocnienie dla przebiegów zmiennych (akustycznych) równe 20, a zniekształcenia powinny być możliwie małe. Napięcie zasilające wynosi 12 V.

2. Drugi, przeznaczony do jakiegoś urządzenia sygnalizacyjnego ma wzmacniać przebiegi zmienne (akustyczne) z mikrofonu elektretowego jak najwięcej, a poziom zniekształceń nie ma znaczenia. W każdym przypadku musisz nie tylko skupić się na wzmacniaczu, ale też uwzględnić „co siedzi” na wyjściu i wejściu.

Przykład 1

Niech w pierwszym przypadku mikrofon dynamiczny ma rezystancję wewnętrzną 200 Ω, a wyjście projektowanego wzmacniacza będzie obciążone rezystancją następnego stopnia równą 10 kΩ. Zastosujemy układ z rysunku 1. Aby sygnał nie był niepotrzebnie tłumiony, rezystancja wejściowa naszego wzmacniacza powinna być 5…10 razy większa od rezystancji wewnętrznej mikrofonu, a rezystancja wyjściowa naszego wzmacniacza 5…10 razy mniejsza od rezystancji obciążenia. Rezystancja wyjściowa wzmacniacza OE jest równa rezystancji rezystora w kolektorze − a więc rezystor R_c powinien mieć wartość: 1…2,2 kΩ. Przyjmijmy wartość 2,2 kΩ, by zmniejszyć prąd pobierany przez nasz wzmacniacz. Jeśli wzmocnienie ma być równe 20, wypadkowa „rezystancja emiterowa” musi wynieść 110 Ω. Aby zwiększyć stabilność stałoprądowego punktu pracy, niech rezystancja emiterowa dla prądu stałego R_E wynosi na przykład R_C/5, czyli około 470 Ω. Teraz należy jeszcze dobrać rezystory dzielnika w obwodzie bazy.

Przy dobieraniu rezystorów w obwodzie bazy należy wziąć pod uwagę kilka czynników. Dzielnik należy dobrać tak, by napięcie stałe na kolektorze było ustawione „w połowie zakresu roboczego”. Ponieważ w tym przypadku wzmacniamy niewielkie sygnały mikrofonowe, bez zastanowienia możemy ustawić napięcie kolektora równe połowie napięcia zasilającego. Dzielnik: R_B1, R_B2 w układzie z rysunku 1 ma dać na bazie takie napięcie stałe, by na kolektorze napięcie stałe wynosiło około 6 V.

Wynika stąd, że prąd kolektora wyniesie około 6 V/2,2 kΩ=2,7 mA, a napięcie na rezystorze R_E 1,27 V (2,7 mA×470 Ω). Stąd napięcie stałe na bazie (i rezystorze R_B2 powinno wynosić mniej więcej 1,27 V+0,6 V=1,87 V, a na R_B1 około (12 V−1,87 V) 10,13 V. Przy założeniu, że nie zastosujemy jakiegoś archaicznego tranzystora z odzysku, śmiało możemy założyć, że współczynnik wzmocnienia prądowego β nie będzie mniejszy niż 100. Tym samym prąd bazy nie będzie większy niż 2,7 mA/100=27 μA. Prąd dzielnika w obwodzie bazy powinien być kilkakrotnie większy od maksymalnego spodziewanego prądu bazy. Niech będzie 10−krotnie większy: 10×27 μA=0,27 mA. Suma rezystancji dzielnika (dla ułatwienia pomijamy prąd bazy) wyniesie więc około (12 V/0,27 mA) 44 kΩ. W pierwszym przybliżeniu (znów pomijając prąd bazy) możemy przyjąć, że stosunek rezystancji R_B1/R_B2 musi być równy stosunkowi napięć na nich występujących czyli, około (10,13 V/1,87 V) 5,42 do 1. Nietrudno obliczyć, że rezystancja R_B2 wyniesie mniej więcej 44 kΩ/(5,42+1) czyli 6,8 kΩ, a R_B1 (5,42×6,8 kΩ) 36 kΩ. W tych uproszczonych obliczeniach pominąłem prąd bazy (nie większy niż 27 μA). Nie zmieni to w istotnym stopniu warunków pracy, ale w praktycznym układzie można zmierzyć rzeczywiste napięcie stałe na kolektorze i ewentualnie skorygować wartość któregokolwiek z rezystorów R_B1 lub R_B2.

Aby wzmocnienie napięciowe wyniosło 20, wypadkowa rezystancja emiterowa dla przebiegów zmiennych powinna być równa 110 Ω. Na tę rezystancję złożą się wewnętrzna rezystancja emiterowa r_e, wynosząca około 10 Ω (26 mV/2,7 mA) i równoległe połączenie R_E i R_E1 (100 Ω). Ponieważ R_E ma wartość 470 Ω, R_E1 musi mieć wartość:

R_E1 = R_RE||RE1×R_E / (R_E−R_RE||RE)

R_E1 = 100 Ω×470 Ω / (470 Ω−100 Ω) = 47000/370 = 127 Ω.

W praktyce zastosujemy najbliższą wartość z szeregu, czyli 120 Ω lub 130 Ω.

Wypadałoby jeszcze sprawdzić, jaką rezystancję wejściową będzie mieć nasz wzmacniacz. Sam tranzystor (o wzmocnieniu co najmniej 100) będzie miał rezystancję wejściową nie mniejszą niż 100×100 Ω czyli 10 kΩ. Rezystancja wejściowa całego wzmacniacza dla przebiegów zmiennych będzie równa równoległemu połączeniu tej rezystancji wejściowej tranzystora (min. 10 kΩ) i rezystancji: R_B1, R_B2 (6,8 kΩ, 36 kΩ). Nietrudno obliczyć, że wyniesie ona co najmniej (10 kΩ||6,8 kΩ||36 kΩ) 3,6 kΩ.

To bardzo dobrze, bo rezystancja wejściowa jest ponad 10 razy większa od rezystancji wewnętrznej mikrofonu (mikrofon 200−omowy nie powinien być obciążony rezystancją mniejszą niż 1 kΩ).

Ostatecznie układ będzie wyglądał jak na rysunku 2.

Do pełni szczęścia brakuje jeszcze wartości pojemności. Dla najniższych częstotliwości roboczych (przyjmujemy 20 Hz) reaktancja pojemnościowa powinna być mniejsza niż współpracująca z nią rezystancja. Dla C1 będzie to rezystancja wejściowa (3,6 kΩ), dla C2 − rezystancja R_E1 (120 Ω), dla C3 − R_L (10 kΩ).

Skorzystamy ze wzoru: C= 0,16 / (f×R)

pamiętając, że gdy podajemy częstotliwość w hercach, a rezystancję w omach to, wynik wychodzi w faradach.

Stąd minimalne pojemności:
C1 − 2,2 μF
C2 − 67 μF
C3 − 800 nF

Zastosujemy wartości większe, na przykład:
C1 − 4,7 μF
C2 − 100 μF
C3 − 4,7 μF

W obliczeniach tych nie zajmowaliśmy się poziomem zniekształceń i szumów. Wiedza, którą już posiadłeś zapewne podpowiada, że należałoby zastosować stabilizację lub filtrację napięcia zasilającego. Nie będę tego omawiał, ponieważ to jest już wyższy stopień wtajemniczenia i wymaga wielu dodatkowych informacji. Nie będziemy się w to wgłębiać, ponieważ dziś wzmacniacze o wysokich parametrach budujemy z wykorzystaniem układów scalonych. Podany przykład ma tylko pokazać, jak można w prosty (wystarczający w praktyce) sposób obliczyć elementy wzmacniacza. Pamiętaj, że takie obliczenia nie uwzględniają wszystkich szczegółów i że po zbudowaniu wzmacniacza warto sprawdzić napięcie stałe na kolektorze i wartość wzmocnienia i w razie potrzeby skorygować wartość tego czy innego rezystora.

W każdym razie zawsze musisz uwzględnić zarówno rezystancję źródła sygnału − wzmacniacz musi mieć rezystancję wejściową (kilkakrotnie) większą niż rezystancja wewnętrzna źródła oraz rezystancję obciążenia − rezystancja wyjściowa (praktycznie wartość R_C) powinna być mniejsza niż zewnętrzna rezystancja obciążenia. W przypadku, gdy zewnętrzna rezystancja obciążenia jest mała, należy dodać na wyjściu wtórnik emiterowy.

Przykład 2

Drugi wzmacniacz ma wzmacniać przebiegi z dwukońcówkowego mikrofonu elektretowego (który możemy śmiało traktować jako źródło prądowe), a obciążeniem jest wejście bramki CMOS (Schmitta). Tym samym rezystancja obciążenia tym razem jest bardzo duża i wynosi setki megaomów. Zastosujemy zmodyfikowany schemat z rysunku 9b w tej części cyklu − ostatecznie układ będzie wyglądał jak na rysunku 3.

Analizę zaczniemy tym razem od wejścia. Mikrofon elektretowy, będący w istocie źródłem prądowym (dzięki obecności wbudowanego weń tranzystora polowego) daje sygnał proporcjonalny do wartości rezystora obciążenia. W roli obciążenia mikrofonu zastosujemy potencjometr o wartości 10 kΩ, by móc regulować czułość układu. Rezystancja wejściowa naszego wzmacniacza powinna być większa od rezystancji potencjometru i powinna wynosić co najmniej kilkadziesiąt kiloomów. Na razie pomińmy rezystancję R_B2. Rezystancja wejściowa samego tranzystora w takim układzie pracy będzie równa wewnętrznej rezystancji r_e pomnożonej przez wzmocnienie prądowe tranzystora. Ponieważ rezystancja wejściowa tranzystora ma być duża, co najmniej 50 kΩ, zastosujemy tranzystor BC548 z grupy B lub C o wzmocnieniu prądowym nie mniejszym niż 200. Przy danych wartościach wewnętrzna rezystancja tranzystora r_e nie może być mniejsza niż 250 Ω (50 kΩ/200). Rezystancja r_e zależy od prądu kolektora (r_e=26 mV/I_C). Stąd prąd kolektora nie może być większy niż 0,1 mA (26 mV/250 Ω). Może być mniejszy − wtedy rezystancja wejściowa będzie jeszcze większa.

Przy wzmocnieniu prądowym powyżej 200 prąd bazy (płynący z kolektora przez R_B1, R_B2) będzie mniejszy niż 0,5 μA (0,1 mA/200). Oczywiście wartości R_B1, R_B2 powinny być możliwie duże. Jeśli założymy maksymalny spadek napięcia na tych opornikach równy 0,5 V, to ich sumaryczna rezystancja powinna wynosić około 1 MΩ (0,5 V/0,5 μA). Mogą to więc być dwa rezystory o wartości 470…510 kΩ. Przy tak dużych rezystancjach pojemność C3 nie musi być duża − dla najmniejszych częstotliwości użytecznych (powiedzmy 50 Hz) reaktancja tego kondensatora powinna być kilkakrotnie mniejsza od wartości tych rezystorów (powiedzmy Xc=100 kΩ). Stąd minimalna pojemność:

C3min = 1 / (2×π×f×Xc) = 0,16 / (f×Xc)
C3min = 0,16 / (50 Hz×0,1 MΩ) = 0,033 μF=33 nF

My zwiększymy tę pojemność do 100 nF. Taką też pojemność może mieć kondensator C2.

Spadek napięcia na rezystorach: R_B1, R_B2 jest mniejszy niż 0,5 V, stąd napięcie na kolektorze tranzystora nie będzie większe niż 1…1,1 V (napięcie U_BE tranzystora plus spadek napięcia na rezystorach: R_B1, R_B2). Tym samym napięcie na rezystorze R_C (rysunek 3) wyniesie około 8 V. Prąd kolektora powinien być mniejszy niż 0,1 mA, stąd wartość R_C nie powinna być mniejsza niż 80 kΩ (8 V/0,1 mA). Przyjmiemy „okrągłą” wartość 100 kΩ. Tak duża wartość R_C tym razem jest dopuszczalna, ponieważ zewnętrznym obciążeniem jest wejście bramki CMOS, mające ogromną (pomijalnie wielką) rezystancję. W rezultacie wzmocnienie wzmacniacza nie powinno być mniejsze niż 400 (100 kΩ/250 Ω), co z powodzeniem powinno wystarczyć. W praktyce może być zauważalnie mniejsze ze względu na wpływ h₂₂, ale i tak zapewne wystarczy.

I to w zasadzie koniec obliczeń.

Tym razem konieczne jest zastosowanie obwodu R1C1 filtrującego napięcie zasilające mikrofonu. Bez tego obwodu, ze względu na duże wzmocnienie, układ w pewnych warunkach mógłby się wzbudzać.

Ktoś mógłby jeszcze zaproponować zwiększenie rezystancji R_C do na przykład 4,7 MΩ (R_B1, R_B2 do 22 MΩ) by jeszcze zwiększyć rezystancję wejściową. Taka operacja jest jednak ryzykowna z kilku powodów. Po pierwsze przy bardzo małych prądach tranzystor może mieć zdecydowanie mniejsze wzmocnienia. Po drugie wzmocnienie napięciowe może zostać ograniczone przez nieuwzględnione w obliczeniach właściwości tranzystora reprezentowane przez parametr h₂₂. Po trzecie należy pamiętać nie tylko o rezystancji, ale też o pojemności obciążenia. Pojemność wejściowa bramki CMOS wynosi 5…10 pF. Przy częstotliwości 10 kHz będzie to oporność (reaktancja) rzędu:

Xc = 0,16 / (10 kHz×10 pF) = 1,6 MΩ

czyli mniejsza niż rezystancja R_C. Jak z tego widać, nadmierne zwiększanie R_C spowoduje obcięcie pasma od strony wysokich częstotliwości. Lepszym, choć bardziej kłopotliwym sposobem byłoby zastosowanie obciążenia w postaci źródła prądowego, ale to wymaga użycia dodatkowych elementów.

I to wszystko, co powinieneś wiedzieć o układzie OE. Upewnij się, czy wszystko zrozumiałeś, jeśli nie − albo popytaj znajomych, albo napisz do mnie.

W następnym odcinku zajmiemy się króciutko wzmacniaczem ze wspólną bazą i kilkoma innymi ciekawymi zagadnieniami.

Piotr Górecki