Tranzystory bipolarne elementarne układy pracy i polaryzacji Ryszard J. Barczyński, 2016 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego
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.
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 R1 i RN.
Układ wspólnego emitera z równoległym napięciowym sprzężeniem zwrotnym Rezystancja wejściowa RN r 1 '=R 1 r BE R 1 ku Rezystancja wyjściowa R C r CE r 2 '= g Wzmocnienie napięciowe 1 1 R1 = + k u ' ku R N gdzie R C r CE ku=β r BE gdzie ku g= ku '
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
Układ wspólnego emitera z szeregowym prądowym sprzężeniem zwrotnym Rezystancja wejściowa r 1 '=r BE R E Rezystancja wyjściowa r 2 '=R C Wzmocnienie 1 1 RE = + ku ' ku R C gdzie RC r CE ku=β r BE
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
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.
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 UBE jest równe wzmocnieniu użytecznemu (dosyć dużemu). W rezultacie układ nie nadaje się do praktycznego zastosowania. UC k D= =ku U BE
Układ polaryzacji tranzystora stałym prądem bazy Prosty układ z dużym rezystorem polaryzującym bazę stałym prądem jest mało czuły na dryf napięcia UBE (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.
Układ polaryzacji tranzystora z dzielnikiem napięciowym i napięciowym sprzężeniem zwrotnym Wzmocnienie dryfu UC RN k D= =1 U BE R1 Oporność wejściowa układu jest mała RN r 1=r BE R1 ku Zasada sprzężenia zwrotnego
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 RN na wzmocnienie układu i rezystancję wewnętrzną nie psując stabilności?
Układ polaryzacji tranzystora ze sprzężeniem prądowym Wzmocnienie dryfu U C RC k D= U BE R E Układ jest w praktyce bardzo często stosowany (typowy koń roboczy ), przyjrzyjmy się zatem bliżej jego wzmocnieniu napięciowemu.
Układ polaryzacji tranzystora ze sprzężeniem prądowym Wzmocnienie stopnia bez CE 1 1 RE '= ku ku R C Ponieważ interesuje nas wzmacnianie prądów zmiennych uwzględniamy impedancję kondensatora 1 R E 1 1 j C '= ku ku RC Stąd możemy określić jaka powinna być pojemność kondensatora C przy zadanej dolne granicy pasma przenoszenia fd.
Układ polaryzacji tranzystora ze sprzężeniem prądowym Pojemność kondensatora C przy zadanej dolne granicy pasma przenoszenia fd. ku C E= 2 f d RC Jeżeli jest potrzebne również sprzężenie zwrotne dla prądów zmiennych (oczywiście słabsze niż dla prądu stałego) możemy szeregowo z CE włączyć rezystor o odpowiedniej wielkości.
Układ wspólnego kolektora (wtórnik emiterowy) W układzie wtórnika emiterowego występuje pełne napięciowe sprzężenie zwrotne. Wzmocnienie: r BE ku=1 1 R E r CE Rezystancja wejściowa r 1=r BE R E Rezystancja wyjściowa r BE R g r 2=R E
Układ wspólnego kolektora polaryzacja w układzie ze sprzężeniem pojemnościowym Rezystancja wejściowa r 1= r BE R E R1 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.
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.
Układ wspólnego kolektora polaryzacja z układem bootstrap Rezystancja wejściowa R E r CE r 1= r BE R E R3 r BR Dzielnik R1, R2 określa punkt pracy tranzystora. Napięcie jest jednak doprowadzane do bazy przez rezystor R3, na którym występuje jedynie bardzo małe napięcie zmienne.
Układ wspólnej bazy Wzmocnienie prądowe IC ki = = = 1 IE 1 Wzmocnienie napięciowe RC r CE RC ku= r BE r BE Rezystancja wejściowa r BE r 1= Rezystancja wyjściowa r 2=R C r CE
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.
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.
Źródło prądowe w układzie WE ze sprzężeniem zwrotnym prądowym Prąd wyjściowy UE I 2= RE Rezystancja wewnętrzna d U 2 RE r g= =r CE 1 d I2 r BE R E Tranzystory pracują w układach ze wspólnym emiterem z silnym sprzężeniem zwrotnym szeregowym prądowym i przy stałym napięciu wejściowym.