Pojačalo u spoju ZE Najčešće korišten spoj tranzistorskog pojačala (najbitniji)
description
Transcript of Pojačalo u spoju ZE Najčešće korišten spoj tranzistorskog pojačala (najbitniji)
1
Pojačalo u spoju ZE
Najčešće korišten spoj tranzistorskog pojačala (najbitniji)
Veliko i AI i AV – najveći dobitak snage G od svih spojeva!
Analiza pojačala se sprovodi u 2 temeljna koraka:
• Istosmjerni (DC) uvjeti rada – određivanje statičke radne točke
• Izmjenični (AC) uvjeti rada – pojačanja (strujno i naponsko te dobitak snage), kao i ulazni/izlazni otpori (tj. impedancije ako je frekvencija signala viša, pa moramo uzeti u obzir i kapacitivnosti tranzistora) → AC uvjeti direktno ovise o statičkoj radnoj točki (tj. o definiranim DC uvjetima) određenim u prvom koraku
2
Pojačalo u spoju ZE – DC analiza Prvo je potrebno odrediti tzv. statičku radnu točku
Sklop koji se analizira (ovo je najjednostavniji spoj, no rijetko se koristi jer je termički nestabilan – statička r.t. nije stabilna; promatra se kao strujno pojačalo):
RGI0
RP
E
CB UCC
ip
iul ib
RB
3
Pojačalo u spoju ZE – DC analiza Analiza pod istosmjernim uvjetima (DC analiza):
• Podrazumijeva određivanje istosmjerne (DC) kolektorske struje (IC=ip) i napona (UCE) tranzistora, te bazne struje (IB =ib) kada ulaz ne postoji (iul=0), tj. kad postoje samo istosmjerne struje → s ovim je određena statička radna točka Q. Q je potrebno odrediti kako bi tranzistor pojačavao što linearnije (da su izobličenja pojačane struje što manja).
• Najjednostavnija analiza koristi samo izlazne karakteristike tranzistora
• Istosmjerni uvjeti određeni su sa vrijednostima RB , RP i UCC
RGI0
RP
E
CB UCC
ip
iul ib
RB Pogledajmo detaljnije!
4
Pojačalo u spoju ZE – DC analiza Za neki odabrani IBQ, koliki su ICQ i UCEQ?
Ovo određujemo iz izlazne karakteristike tranzistora (pomoću radnog pravca):
RGI0
RP
E
CB UCC
ip
iul ib
RB
UCE
IC
UCC
UCC
RP
Q
UCEQ
ICQ
IB1
IB2
IB3
IB4=IBQ
IB5
IB6
PODRUČJE ZASIĆENJA (UCE≈0.2V)
PODRUČJE ZAPIRANJA (IB=0)
AKTIVNO PODRUČJE
radni pravac
UC
EQ
Grafička analiza izlazne petlje pojačala
izlazna petlja
5
Pojačalo u spoju ZE – DC analiza Točke ICQ i UCEQ ograničene su na radni pravac
Radni pravac je određen naponom napajanja pojačala (UCC) i otporom potrošača (RP), kako pokazuje slika
• Presjek radnog pravca i izlazne karakteristike za odgovarajuću baznu struju IBQ (u primjeru slici IB4) definira radnu točku Q
• Q se u pravilu odabire što bliže sredini aktivnog područja (UCEQ=UCC/2), kako bi se omogućio maksimalni “prostor” za simetričnu promjenu izlazne struje i napona tako da tranzistor ostane u aktivnom području (na slici desno nije točno na sredini; za ovo bi trebali odabrati malo manju IBQ)
UCE
IC
UCC
UCC
RP
Q
UCEQ
ICQ
IB1
IB2
IB3
IB4=IBQ
IB5
IB6
PODRUČJE ZASIĆENJA (UCE≈0.2V)
PODRUČJE ZAPIRANJA (IB=0)
AKTIVNO PODRUČJE
6
Pojačalo u spoju ZE – DC analiza No, da bi odredili presjek radnog pravca sa izl. karakteristikom, moramo
prvo znati kolika je struja IBQ
Ako je iul=0 (nije ništa spojeno na ulaz), kolika je ib ?
• Istosmjerni uvjeti: ib=IBQ (Q [eng. Quiescent – mirno, neaktivno] je tipična oznaka statičke radne točke). S obzirom da je sada ovo ujedno i struja koja teče kroz RB, (jer nije spojen ulazni generator) prema 2. K.Z. i Ohmovom Z. slijedi za ulaznu petlju:
IBQ=(UCC – UBE )/RB
*Aproksimacija: UBE=0.7 V uvijek, pa:
IBQ=(UCC – 0.7)/RBRGI0
RP
E
CB UCC
ip
iul ib
RB
UCC
UBE
DAKLE, uz fiksiran UCC, biranjem vrijednosti otpornika RB, biramo i struju IBQ, a samim tim i položaj radne točke Q na radnom pravcu (tj. izlaznu struju ICQ i napon UCEQ tranzistora)
( egzaktno, IBQ se može naći iz presjeka ulaznih karakteristika za spoj ZE IB(UBE) i radnog pravca određenog sa RB i UCC (kako smo pokazali kod obične diode), no napon će imati iznos približno jednak naponu koljena diode BE,(sjetimo se UI karakteristike diode) pa je gornja aproksimacija opravdana )
UC
C -
UB
E
ulazna petlja
7
Pojačalo u spoju ZE – tranzistor kao sklopka Ako se IB bira tako da radna točka Q leži u područjima zasićenja i zapiranja
(umjesto u aktivnom), tranzistor ne radi kao pojačalo nego kao sklopka!
UCE
IC
UCC
UCC
RP
Q
UCEQ
ICQ
IB1
IB2
IB3
IB4=IBQ
IB5
IB6
PODRUČJE ZASIĆENJA (UCE≈0.2V)
PODRUČJE ZAPIRANJA (IB=0)
AKTIVNO PODRUČJE
• Ako je pad napona na izlazu tranzistora cca 0.2V (zasićenje) , tranzistor se ponaša približno kao zatvorena sklopka – ovo se postiže dovoljno velikom ulaznom strujom (IB), čije povećavanje uzrokuje pomijeranje Q po radnom pravcu prema gore lijevo. Nakon ulaska u područje zasićenja, daljnje povećanje IB praktično ne pomjera dalje Q (na slici je ovo za IB6). Može se uzeti da je tada napon na izlazu tranz. (UCE) minimalan - konstantnih cca. 0.2 V, a struja IC maksimalna. Daljnje povećanje IB nema utjecaja na tranzistor (ne pomjera Q, tj. IC stoji na maksimumu) – “zasićen” je! Stoga, ako želimo da se tranzistor ponaša kao zatvorena sklopka, na ulazu dovedemo IB dovoljnu da uđe u zasićenje – najčešće se odabere i 50-tak % veća IB od ove, radi pouzdanosti.• Ako nema ulazne struje (IB=0), nema ni izlazne struje (IC ≈ 0 - zapiranje – napon
na tranzistoru UCE je maksimalan, tj. UCE≈UCC) - tranzistor se ponaša kao otvorena sklopka.
8
Pojačalo u spoju ZE – AC analiza Analiza pod izmjeničnim uvjetima (AC analiza) podrazumijeva:
• Određivanje AI i AV pojačala, te ulazne i izlazne impedancije (pojednostavljeno, otpora) čitavog pojačala
• Statička r. t. Q se postavlja tako da osigurava da se u okolini Q tranzistor ponaša približno linearno (pod uvjetom da su promjene dovoljno male, tj. da radi u režimu malih signala). Pod ovim uvjetima tranzistor možemo zamijeniti linearnim elementima za izmjenični signal (pretpostavljamo linearnu zavisnost promjene struje o promjeni napona).
• Temelji se na parametrima tranzistora kao četveropola (tranzistor se predstavlja preko linearnih elemenata kao četveropol) – mi ćemo koristiti prije pokazani H-model. Ovo neće unijeti veliku grešku u analizu, jer pretpostavljamo linearnost!
• Pod izmjeničnim uvjetima, istosmjerni (DC) izvori nemaju nikakvog utjecaja na promjene signala, tj. na AC analizu – tretiraju se kao:
kratki spoj za idealni istosmjerni naponski izvor
otvoreni krug za idealni istosmjerni strujni izvor
Prve izmjene nakon kojih se dobiva modificirana (jednostavnija) shema.
9
Pojačalo u spoju ZE – AC analiza Prvo prilagodimo shemu analizi pod izmjeničnim uvjetima:
RGI0
RP
E
CB UCC
ip
iul ib
RB
istosmjerni naponski izvorizamjenjuju se kratkim spojem
RGI0
RP
E
CB
ip
iul ib
RB
10
Pojačalo u spoju ZE – AC analiza
Urednije...
RGI0
RP
E
CB
ip
iul ib
RB
RGI0
RPE
CBip
iul ib
RB
Pojačalo (AC uvjeti)
11
Pojačalo u spoju ZE – AC analiza
Još urednije...
GRPE
CB
ip
iul ib
RB
Pojačalo (AC uvjeti)RGI0
RPE
CBip
iul ib
RB
Pojačalo (AC uvjeti)
12
Pojačalo u spoju ZE – AC analiza Zamijenimo tranzistor četveropolom (H-model):
GRPE
CB
ip
iul ib
RB
Pojačalo (AC uvjeti)
G RB
hie
hreuce hfeib
hoe RP
iul ib iizlic
1
Pojačalo (AC uvjeti)
Tranzistor (H-model)
13
Pojačalo u spoju ZE – AC analiza Donja shema može se još pojednostavniti aproksimacijama u H-modelu
tranzistora.
G RB
hie
hreuce hfeib
hoe RP
iul ib iizlic
1
Pojačalo (AC uvjeti)
Tranzistor (H-model)
14
Pojačalo u spoju ZE – AC analizaTipično hre<<1, pa se utjecaj izlaznog napona uCE na ulaz tranzistora može
zanemariti (uzeti da je hreuCE≈0, tj. da je iznos naponskog izvora 0, tj. naponski izvor predstavlja kratki spoj):
G RB
hie
hreuce hfeib
hoe RP
iul ib iizlic
1
Pojačalo (AC uvjeti)
Tranzistor (H-model)
G RB
hie
hfeib
hoe RP
iul ib iizlic
1
Pojačalo (AC uvjeti)
Tranzistor (H-model)
hreuCE ≈ 0
15
Pojačalo u spoju ZE – AC analizaTakođer, tipično je RB>>hie, pa se RB može zanemariti prema hie: (komponenta
ulazne struje koja teče kroz RB je znatno manja od ib, pa možemo uzeti da je približno 0, tj. da je iul ≈ ib)
G RB
hie
hfeib
hoe RP
iul ib iizlic
1
Pojačalo (AC uvjeti)
Tranzistor (H-model)
RB >>hie → iul ≈ ib
G
hie
hfeib
hoe RP
iul ib iizlic
1
Pojačalo (AC uvjeti)
Tranzistor (H-model)
16
Pojačalo u spoju ZE – AC analizaSlijedi konačna, pojednostavljena shema:
G
hie
hfeib
hoe RP
iul ib iizlic
1
Pojačalo (AC uvjeti)
Tranzistor (H-model)
17
Pojačalo u spoju ZE – AC analiza
Ulazni i izlazni otpor pojačala ?
hie
hfeib
hoe Rizl
ib ic
1
Pojačalo (AC uvjeti)
Tranzistor (H-model)
Rul
1;ul ie izoe
R h Rh
18bulieul iihR
Pojačalo u spoju ZE – AC analiza
Strujno pojačanje, AI ?
G
hie
hfeib
hoe RP
iul ib iizlic
1
Pojačalo (AC uvjeti)
Tranzistor (H-model)
fepiz
iz
bbfe
poe
oe
biz
b
iz
ul
izI h
RRR
iih
Rhh
ii
ii
iiA
1/1
/11
1/iz oeR h
feh
strujno djelilo (**)
19
(*) Naponsko djelilo (U1=?)
1 1 1 1 11
1 2 1 2 1 2( )uk
U I R U R RU U
U I R I R R U R R R R
(**) Strujno djelilo (I1=?)
R2
R1
I
I1
I2
U
I
R2
R1 U1
U
11
1 2
1 21 2 1 2
1 2
1 1 2 21
1 2 1 2 1 2
1 2
(1)
(2)
1
uk
UIR
R RU U UI UR RR R R R R
R R
I R R RI I
R RI R R R RR R
DODATAK: (vrlo) korisne relacije
*prisjetiti se realnih naponskih i strujnih izvora: isti princip!
20
Pojačalo u spoju ZE – AC analiza
Strujno pojačanje, AI ?
piz
izI RR
RA
Ako je otpor potrošača znatno veći ili manji (što je često slučaj) od izlaznog otpora,
vrijede dodatne aproksimacije:
Iizp ARR
p
izIizp R
RARR
(najčešće!)
21
Pojačalo u spoju ZE – AC analiza
Naponsko pojačanje, AV ?
G
hie
hfeib
hoe RP
iul ib iizlic
1
Pojačalo (AC uvjeti)
Tranzistor (H-model)
uul uizl
ul
pfe
ul
pI
ul
p
ulul
izlp
ul
izlV R
Rh
RR
ARR
iRiR
uu
A
feI hA
22
Pojačalo u spoju ZE – AC analiza
Pojačanje snage (dobitak), G ?
Pojačalo ZE ima znatno i strujno i naponsko pojačanje – najveće pojačanje
snage!
2ul
pVI R
RAAG
feI hA ul
pV R
RA
23
Ulazna struja: IE ; Izlazna IC ; IB << → IE ≈IC →
Naponsko pojačanje znatno
[ Rul vrlo malen (propusno polar. PN spoj)
u odnosu na RP ]:
RG RP
iC
RB
UEE UCCuG
Pojačalo u spoju ZB
1 fbI hA
1ul
pV R
RA
Održavanje statičke radne točke ako se uG isključi
24
Veliko AI ≈ β , nema AV (tj. AV ≈ 1)
Iako se iz sheme odmah ne vidi spoj ZC, u AC uvjetima (baterija je KS) kolektor (C) je spojen na uzemljenje, dakle, C je priključak zajednički ulazu i izlazu
AC izlazni napon “slijedi” (praktično je isti kao) ulazni: emitersko slijedilo (nema pojačanja ni okretanja u fazi)
Pojačalo u spoju ZC
RP
UCC
R1
R2
RGizlaz
U ovom primjeru statička radna točka (tj. potencijal baze) ostvarena je naponskim djelilom, umjesto još jedne baterije u ulaznom krugu. Napomena: ovakav način realizacije statičke radne točke mogao se koristiti i u spoju ZE i ZB (ima neke prednosti u odnosu na korištenje samo 1 otpornika), no ovo je nešto složenije za analizu nego jednostavno korištenje baterije i/ili samo 1 otpornika.
propusno polarizirani ulazni PN spoj BE ima vrlo mali dinamički otpor (gotovo 0), tako da se praktično kompletna promjena napona na ulazu "preslikava" na izlaznom
otporniku RP .
25
• Ulazni otpor prema bazi je vrlo velik (sklop djeluje kao “pojačalo” otpora RP ): RULB ≈ β·RP
Pojačalo u spoju ZC
RP
UCC
R1
R2
RGizlaz
1 2
1 2: ,
( .)
(2. . ), 0, :
1 1 1 1.
ululb
b
ul be izl
be ul izl
p e p b
p b
b
UL p
ul izl
ulb p UL UL ulb
uR Ohmov Z
iu u u K Z
no u pa u uR iu u
R R ukupni R R
R i
R i
i
R R R
R R
tjR
R
Dokaz: ulu beu
izlu
ul bi i
e bi i
• Odabirom dovoljno velikih vrijednosti i R1 i R2 , ukupni ulazni otpor je velik
• Izlazni otpor je vrlo malen: RIZL ≈ RG / β
26
Najčešće se koristi za prilagođenje impedancije (ne za pojačanje):
Pojačalo u spoju ZC
Ako se direktno spoje generator i potrošač, na potrošaču “ostane” samo dio napona generatora (većina pada napona formira se na unutrašnjem otporu, jer potrošač ima mali otpor u odnosu na unutr. otpor generatora– o ovome je bila riječ kod poglavlja o realnim naponskim izvorima)
Drugim riječima, posljedica priključenja potrošača na generator (“opterećenja” generatora) je da potrošač “vidi” tek manji dio stvarnog iznosa napona generatora
Još bitnije, napon na potrošaču jako ovisi o iznosu potrošača (umjesto samo o naponu generatora, a što manje o potrošaču)
Problem: želimo naponski generator velikog unutrašnjeg otpora (“loš” naponski generator) spojiti na mali otpor potrošača, tako da potrošač “vidi” što više napona generatora (idealno bi bilo sav).
Rješenje: naponski generator spojimo na ulaz transformatora impedancije (npr. emiterskog sljedila, koji ima vrlo velik ul.otpor), a onda potrošač na njegov izlaz
Veliki ulazni otpor emiterskog sljedila drži napon na ulazu gotovo isti kao napon generatora (ulazni otpor transformatora impedancije >> unutrašnjeg otpora generatora)
Izlazni napon transf. imp. je gotovo isti kao ulazni (čak i za mali otpor potrošača na izlazu) → zahvaljujući velikom ulaznom otporu transformatora impedancije, generator je “rasterećen”
Efektivno, transf.imp. transformira loš naponski generator (sa velikim unutrašnjim otporom RG) u dobar naponski generator (sa malim RG u odnosu na RP).
27
Veliko AV
Rul→∞, Rizl >>
Pojačalo u spoju ZS
G
S
D
+
uG
+ +
RGRD
UDD
UGG
Uizl
RP
MOSFET osiromašenog tipa, obogaćeni mod rada (UGG takav da UGS>0)
Strminsko pojačalo: ulazni napon upravlja izl. strujom
28
AI >> , AV ≈ 1
Rul>>, nema okretanja faze
Naponsko djelilo umjesto baterije u ulaznom krugu
D spojen na bateriju: za izmj. signal D je uzemljen!
Također radi u obogaćenom modu
Pojačalo u spoju ZD
Ista uloga kao emitersko sljedilo: za prilagođavanje impedancije
G
S
D
uG
+
+
RG
UDD
R1
R2RP
29
Pojačalo u spoju ZG
UDD
+
R P
DS
GR G
U G
+
+
-
+
R S
R 1
- -
R 2
ID
C
C – praktično K.S. za izmjenični signal - G je uzemljen za izmjenični signal (pogledati nadomjesnu shemu)
Naponsko djelilo za osiguravanje statičke radne
točke
Ako se odspoji generator, održava statičku radnu točku, osigurava mali ulazni otpor
30
Pojačalo u spoju ZG
U DD
+
R P
DS
GR G
U G
+
+
-
+
R S
R 1
- -
R 2
ID
C
AV >> , AI ≈ 1
Rul<<, Rizl>>
Koristi se kao transformator impedancije, no za strujne generatore – (za strujne generatore sa malim unutrašnjim otporom (“loše” generatore) u odnosu na otpor potrošača)