Tranzystory bipolarne elementarne układy pracy i polaryzacji

Transkrypt

1 Tranzystory bipolarne elementarne układy pracy i polaryzacji Ryszard J. Barczyński, Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Układy pracy tranzystora W zeszłym semestrze poznaliśmy trzy podstawowe możliwości włączenia tranzystora i ich podstawowe cechy. Teraz postaramy się rozważyć najprostsze układy praktyczne wykorzystujące te możliwości. Zwrócimy przy tym uwagę nie tylko na parametry układów, ale także na ich stabilność i inne cechy użytkowe.

3 Układ wspólnego emitera z równoległym napięciowym sprzężeniem zwrotnym Uproszczony schemat wyjaśniający zasadę sprzężenia zwrotnego Tranzystor włączony w układzie WE jest wzmacniaczem odwracającym o dużym wzmocnieniu. Można w nim zrealizować ujemne sprzężenie zwrotne za pomocą rezystorów R 1 i R N.

4 Układ wspólnego emitera z równoległym napięciowym sprzężeniem zwrotnym Rezystancja wejściowa r 1 '=R 1 r BE R N k u R 1 Rezystancja wyjściowa Wzmocnienie napięciowe r 2 '= R C R CE g gdzie g= k u k u ' 1 k u '= 1 k u R 1 R N gdzie k u = R C r CE r BE

5 Układ wspólnego emitera z równoległym napięciowym sprzężeniem zwrotnym Przypomnijmy: Współczynnik wzmocnienia g razy mniejszy Zniekształcenia nieliniowe g razy mniejsze Szerokość pasma g razy większa Rezystancja wyjściowa g razy mniejsza Mała rezystancja wejściowa

6 Układ wspólnego emitera z szeregowym prądowym sprzężeniem zwrotnym Rezystancja wejściowa r 1 '=r BE R E Rezystancja wyjściowa r 2 '=R C Wzmocnienie 1 k u '= 1 k u R E R C gdzie k u = R C r CE r BE

7 Układ wspólnego emitera z szeregowym prądowym sprzężeniem zwrotnym Przypomnijmy: Współczynnik wzmocnienia g razy mniejszy Zniekształcenia nieliniowe g razy mniejsze Szerokość pasma g razy większa Rezystancja wyjściowa większa Duża rezystancja wejściowa

8 Układy polaryzacji tranzystora By tranzystor mógł pracować w aktywnym zakresie swojej charakterystyki musimy ustalić odpowiedni spoczynkowy punkt jego pracy. Konieczne są do tego odpowiednie układy polaryzacji. Układy polaryzacji dostarczają też energii z układu zasilania. Energia ta w układzie wzmacniającym przekształcana jest w energię sygnału użytecznego. Ważną cechą układów polaryzacji jest ich stabilność i mała wrażliwość na rozrzut i dryf (na przykład temperaturowy) parametrów tranzystora.

9 Układ polaryzacji tranzystora z dzielnikiem napięciowym Najprostszy wydawało by się układ polaryzacji, z dzielnikiem napięcia zastosowanym do uzyskania wstępnej polaryzacji bazy, charakteryzuje się tym, że wzmocnienie dryfu napięcia U BE jest równe wzmocnieniu użytecznemu (dosyć dużemu). W rezultacie układ nie nadaje się do praktycznego zastosowania. k D = U C U BE =k u

10 Układ polaryzacji tranzystora stałym prądem bazy Prosty układ z dużym rezystorem polaryzującym bazę stałym prądem jest mało czuły na dryf napięcia U BE (o ile napięcie zasilania jest odpowiednio duże). Niestety, trudno go zastosować ze względu na rozrzut współczynnika wzmocnienia prądowego tranzystora. Układ również bardzo mało przydatny do praktycznego zastosowania.

11 Układ polaryzacji tranzystora z dzielnikiem napięciowym i napięciowym sprzężeniem zwrotnym Wzmocnienie dryfu k D = U C U BE =1 R N R 1 Oporność wejściowa układu jest mała r 1 =r BE R 1 R N k u Zasada sprzężenia zwrotnego

12 Układ polaryzacji tranzystora z dzielnikiem napięciowym i napięciowym sprzężeniem zwrotnym Układ nadaje się do zastosowań praktycznych, ale mała rezystancja wejściowa stanowi problem. Można pominąć R1, układ wtedy staje się podobny do układu z polaryzacją stałym prądem bazy, ale ma większą stabilność. Do przemyślenia: jak zmniejszyć wpływ R N na wzmocnienie układu i rezystancję wewnętrzną nie psując stabilności?

13 Układ polaryzacji tranzystora ze sprzężeniem prądowym Wzmocnienie dryfu k D = U C U BE R C R E Układ jest w praktyce bardzo często stosowany (typowy koń roboczy ), przyjrzyjmy się zatem bliżej jego wzmocnieniu napięciowemu.

14 Układ polaryzacji tranzystora ze sprzężeniem prądowym Wzmocnienie stopnia bez C E 1 k u '= 1 k u R E R C Ponieważ interesuje nas wzmacnianie prądów zmiennych uwzględniamy impedancję kondensatora 1 '= 1 R E 1 j C k u k u R C Stąd możemy określić jaka powinna być pojemność kondensatora C przy zadanej dolne granicy pasma przenoszenia f d.

15 Układ polaryzacji tranzystora ze sprzężeniem prądowym Pojemność kondensatora C przy zadanej dolne granicy pasma przenoszenia f d. k u C E = 2 f d R C Jeżeli jest potrzebne również sprzężenie zwrotne dla prądów zmiennych (oczywiście słabsze niż dla prądu stałego) możemy szeregowo z C E włączyć rezystor o odpowiedniej wielkości.

16 Układ polaryzacji tranzystora ze sprzężeniem prądowym Gdy do dyspozycji mamy dodatnie i ujemne napięcia zasilania możemy prosto zrealizować ten układ bez potrzeby stosowania dzielnika w bazie, która znajduje się tu na potencjale zerowym i jest sterowana bezpośrednio ze źródła napięcia zmiennego.

17 Układ wspólnego kolektora (wtórnik emiterowy) W układzie wtórnika emiterowego występuje pełne napięciowe sprzężenie zwrotne. Wzmocnienie: k u =1 r BE R E r CE 1 Rezystancja wejściowa r 1 =r BE R E Rezystancja wyjściowa r 2 =R E r BE R g

18 Układ wspólnego kolektora polaryzacja w układzie ze sprzężeniem pojemnościowym Rezystancja wejściowa r 1 = r BE R E R 1 R 2 Ze względu na wzmocnienie napięciowe mniejsze od jedności stabilność punktu pracy jest bardzo dobra. Niestety, rezystory dzielnika w obwodzie bazy psują podstawową zaletę układu duży opór wejściowy.

19 Układ wspólnego kolektora polaryzacja przy podwójnym napięciu zasilania Gdy mamy do dyspozycji dwa napięcia zasilania dodatnie i ujemne możemy łatwo pozbyć się dzielnika z bazy.

20 Układ wspólnego kolektora polaryzacja z układem bootstrap Rezystancja wejściowa r 1 = r BE R E R E r CE r BR R 3 Dzielnik R1, R2 określa punkt pracy tranzystora. Napięcie jest jednak doprowadzane do bazy przez rezystor R3, na którym występuje jedynie bardzo małe napięcie zmienne.

21 Układ wspólnej bazy Wzmocnienie prądowe k i = I C = = I E 1 1 Wzmocnienie napięciowe k u = R C r CE r BE R C r BE Rezystancja wejściowa r 1 = r BE Rezystancja wyjściowa r 2 =R C r CE

22 Układ wspólnej bazy ustalanie punktu pracy za pomocą prądowego sprzężenia zwrotnego W układach wspólnej bazy i wspólnego emitera nie ma różnic w ustalaniu punktu pracy. Stosuje się te same sposoby.

23 Układ wspólnej bazy ustalanie punktu pracy za pomocą napięciowego sprzężenia zwrotnego W układach wspólnej bazy i wspólnego emitera nie ma różnic w ustalaniu punktu pracy. Stosuje się te same sposoby.

24 Układ kaskody Wzmocnienie napięciowe k u = R C r BE1 Rezystancja wejściowa r 1 =r BE1 Rezystancja wyjściowa r 2 =R C Kaskoda to połączenie dwóch tranzystorów pracujących w układach WE i WB. Stosowany jest głównie w układach wielkiej częstotliwości.

25 Źródło prądowe w układzie WE ze sprzężeniem zwrotnym prądowym Prąd wyjściowy I 2 = U E R E Rezystancja wewnętrzna r g = du 2 d I 2 =r CE 1 R E r BE R E Tranzystory pracują w układach ze wspólnym emiterem z silnym sprzężeniem zwrotnym szeregowym prądowym i przy stałym napięciu wejściowym.