Elektronika

Maturitní otázky

PŘEDZESILOVACÍ STUPNĚ

24.Předzesilovací stupně

Nízkofrekvenční zesilovače – úvod do problému

Nízkofrekvenční zesilovače se navrhují pro zesilování signálů v kmitočtovém pásmu do několika set kilohertz, pro audiopásmo obyčejně od 30 Hz do 20 kHz, pro méně náročné účely i pro pásmo užší.

Podle určení se dělí na:

-          předzesilovače

-           korekční zesilovače

-           koncové zesilovače

 Předzesilovače používáme k dvěma základním účelům:

1) sejmutí signálu z čidel (antén, termočlánků, krystalových výbrusů ap.)

2) zesílení vstupních signálů na úroveň, schopnou dalšímu zpracování (úprava kmitočtového pásma, korekce amplitud. charakteristik a p.)

U předzesilovačů musíme hlavně dbát na provedení prvních stupňů, protože ty nám nejvíce ovlivňují šumové vlastnosti zesilovače.

Pro velké vstupní odpory (např. pro kondenzátorové mikrofony) se volí na vstupu tranzistory řízené elektrickým polem (např. KF 521), pro běžné vstupní odpory 1 - 10kW křemíkové nebo germaniové tranzistory s malým šumem, např. KC 509, BC 179 aj. a nastavujeme pracovní bod do optimální oblasti podle údajů výrobce.

 Pro malé vstupní odpory, např. pro antény, termočlánky apod. používáme na vstupu zapojení se společnou bází.

Zesilovací stupně s bipolárními tranzistory

1) Tranzistorový stupeň se společným emitorem

Společnou elektrodou vstupního a výstupního obvodu je emitor. Schéma zapojení je na obr.

Napěťový přenos  se určí z rovnic

Řešením rovnic dostaneme   , kde

Pro R_Z = 0    je

pro R_Z ® ¥    je

V praxi velmi často platí, že R_Z «   a  « . Potom je napěťový přenos dán vztahem  . Znaménko minus znamená, že výstupní napětí má opačné znaménko než napětí vstupní, čili že dané zapojení otáčí napěťovou fázi o 180º. Největší napěťové zesílení je u tranzistoru s velkým proudovým činitelem h_21e a malým vstupním odporem nakrátko. Nejvyšší hodnota bývá řádu stovek až tisíců.

Proudový přenos je definován vztahem . Vypočítá se z rovnic

Dostaneme 

Minimální proudový přenos je při , t.j. . Maximální proudový přenos je při ,  potom .

Výkonový přenos je definován

Pro  i   je .

Pro malé odpory R_Z je _p ≈ .

Při velkých R_Z  je  ≈ - _.

Výkon se zvětšuje s druhou mocninou parametru h_21e.

Vstupní odpor je dán vztahem

  a určí se z rovnic 

Řešením těchto rovnic dostaneme

Pro  a  je   a  . Tento vstupní odpor nezahrnuje vliv napájecího odporu v bázi.

Výstupní odpor je definován vztahem   a určí se z rovnic

Řešením rovnic dostaneme vztah   . V mezních případech pro    a  je    a   .

Uvedený vztah nezahrnuje kolektorový odpor R_C. Skutečný výstupní odpor je  . Často ovšem platí, že r₂ » R_C a potom je R_výst ≈ R_C.

Tento odpor je nutno rozlišovat od skutečného zatěžovacího odporu R_Z. Odpor R_C je odpor v kolektoru řešeného stupně a odpor R_Z je zatěžovací odpor řešeného stupně a paralelně vstupní odpor následujícího stupně.

Vstupní kapacita stupně v zapojení SE je dána vztahem

kde C_BE  je kapacita báze - emitor tranzistoru. C_BC  je průchozí kapacita tranzistoru. Tento druhý člen má rozhodující vliv u stupňů s velkým zesílením.

Výstupní kapacita se určí ze vztahu .  Obyčejně bývá h_11e » R_g, potom C_výst ≈ C_CE.

Jen v případě proudového buzení je h_11e « R_g a potom má druhý člen tvar h_21e.C_BC.

2)    Tranzistorový zesilovací stupeň se společným kolektorem - SC

V katalogu udává výrobce pro tranzistory pouze v zapojení SE. Používáme-li tranzistor v zapojení SC nebo SB, přepočteme parametry pro zapojení SE na parametry pro zapojení SC (SB) a tyto parametry dosazujeme do vzorců pro A_U, A_i, Ap, r1, r₂.

Dosazením přepočtených vztahů do vzorců pro A_U dostaneme:

pro   je . Pro  je . Napěťový přenos dosahuje maximálně 1, znaménko je kladné, t.zn. zapojení neotáčí fázi napětí.

Proudový přenos A_i je největší při -(1+h_21e) a R_Z < 1/h_22e. S rostoucím R_Z proudový zesilovací činitel klesá.

Výkonové zesílení A_p má největší hodnotu číselně rovnou parametru h_21e. Závislost vstupního odporu na zatěžovacím odporu a výstupního odporu na odporu R_g je uvedena na obr.

Výstupní impedance unipolárního zesilovač v zapojení SC.

Pro určení výstupní impedance odpojíme zátěž a předpokládáme, že na výstupních svorkách je připojen externí zdroj o napětí u₂, který protlačuje do zesilovače proud i.

Velikost proudu je

  , protože .

Výstupní impedance mezi emitorem a je společnou svorkou je

  , protože platí SR_i = m.

Zatěžovací impedance R_z = R_E je připojena k impedanci r₂ paralelně.

Vstupní impedance.

Do vstupu teče proud .

Odtud vstupní odpor . Pro A®1  je R_g ® ¥.

Vstupní odpor tranzistoru je v tomto zapojení o tři řády větší, než odpor h_11e a je ovlivňován hlavně proudovým zesilovacím činitelem.

Výstupní odpor je pro R_g = 0 roven h_11e/h_21e a pro R_g ® ¥ je 1/h_22e.

Tento stupeň se také nazývá emitorový sledovač, protože emitorové napětí sleduje fázi vstupního napětí. Napěťový přenos je vždy < 1. Vstupní odpor je tím větší a výstupní tím menší, čím je větší h_21e.

3) Tranzistorový stupeň se společnou bází - SB

Teoreticky se hodnota napěťového přenosu liší málo od zapojení SE, pouze zde není fázový  posuv  mezi vstupním  a  výstupním  napětím. Pro R_z®¥ je napěťový přenos přibližně h_21e/Dh_e a pro R_z = 0 je napěťový přenos roven 0. Závislost napěťového zesílení A_U na R_z je na obr. Proudové přenosy pro R_z = 0 jsou  a pro R_z ® ¥ je A_i = 0. Výkonové zesílení v zapojení SB se pohybuje ve stovkách.

Vstupní odpor má pro R_z = 0 hodnotu h_11e/h_21e a pro R_z ® ¥ je Dh_e/h_22e. Při zatěžovacích odporech do 10⁴ W je vstupní odpor malý (desítky ohmů). Při větších odporech R_z je stovky ohmů.

Výstupní odpor se pohybuje v hodnotách jednotek až stovek ohmů. Závislosti odporů jsou rovněž na obrázku.

Shrnutí vlastností jednotlivých zapojení

Zapojeni SE:

Výkonové zesílení je největší ze všech sledovaných zapojení, ale je velmi závislé na parametru h_21e. Napěťové zesílení se pohybuje ve stovkách, ale zapojení otáčí fázi napětí. Proudové zesílení je rovněž velké, výstupní proud  je ve fázi se vstupním. Vstupní odpor je řádově jednotky kilohmů, výstupní odpor jsou desítky kilohmů.

Zapojení SC:

Napěťové zesílení je vždy menší než jedna, výstupní napětí je ve fázi s napětím vstupním. Proudové zesílení je velké, výstupní proud je v protifázi oproti vstupnímu. Vstupní odpor je velký (o několik řádů větší, než u zapojení SE), výstupní odpor je malý. Zapojení se používá buď k snímání signálu ze zdrojů s velkým vnitřním odporem (např. krystalové přenosky) nebo k přizpůsobení výstupu zesilovače na malý zatěžovací odpor (např. na koaxiální kabel).

Zapojení SB:

Napěťové zesílení je velké (jako u zapojení SE), výstupní signál je ale ve fázi se vstupním. Proudové zesílení je vždy menší než jedna. Vstupní odpor je malý (jednotky až desítky ohmů), výstupní odpor je velký (stovky kilohmů až jednotky megohmů). Zapojení se používá k snímání signálů zdrojů s malým vnitřním odporem (antény, termočlánky).

Zesilovací stupně s unipolárními tranzistory

Napíšeme-li čtyřpólové rovnice pro unipolární tranzistor ve tvaru pro y-parametry, odpadá první rovnice, protože vstupní proud i₁ = 0 a vstupní vodivost y₁₁ je rovněž nula. Zůstává pouze druhá rovnice

U unipolárních tranzistorů (stejně jako u elektronek) se zavádí pojmy:

         při U_CE = 0   strmost,

        při U_GE = 0 vnitřní odpor.

        při i_C = 0  zesilovací činitel

Mezi těmito vztahy platí tzv. Barkhauzenův vztah  S.R_i = m. Pomocí těchto veličin lze nakreslit náhradní schéma unipolárního tranzistoru. Tranzistor nahradíme mezi kolektorem a emitorem buď zdrojem konstantního napětí mU_GE v sérii s vnitřním odporem R_i, nebo zdrojem konstantního proudu SU_GE s paralelně připojeným odporem R_i (viz obr.)

1) Zesilovací stupeň s unipolárním tranzistorem v zapojení SE

Schéma zapojení je na obr.

Z náhradního schématu lze napsat rovnici:

  ,   .

Výstupní odpor r₂ = R_i. Vstupní odpor je velmi vysoký, je dán typem tranzistoru a bývá 10¹¹ - 10¹³W. Protože není přesně definován, zapojuje se na vstupu odpor R₁, který potom vstupní odpor přesně definuje. Volí se obvykle 10¹⁰W, abychom neztratily celkový požadovaný vysoký vstupní odpor.

Pro R_c « R_i je A_U = -SR_c, pro R_c ® ¥ je A_U = -m = .

2) Zesilovací stupeň s unipolárním tranzistorem v zapojení SC

Schéma zapojení je na obr.

Řídící napětí je dáno rozdílem (u₁ - u₂).Z náhradního schématu lze napsat rovnici:

  , z čehož 

Pro R_z = 0, je A_U = 0. Pro R_z ® ¥ je  .

Pro vstupní odpor lze odvodit vztah .

Výstupní odpor je dán vztahem .

3) Zesilovací stupeň s unipolárním tranzistorem v zapojení SG

Schéma zapojení je na obr.

Z náhradního schématu lze napsat rovnici:

,       .