Zesilovač tranzistorového emitoru: princip činnosti

Historie tranzistorů začíná v polovině 20. století, kdy v roce 1956 získali Nobelovu cenu "Pro výzkum polovodičů a objev tranzistorového efektu" tři americkí fyzici - D. Bardin, U. Brattein a V. Shockley.

Rádiové inženýrství, které začíná pracovat ve svém oboru, je občas obtížné pochopit elektronické obvody a účel jedné nebo druhé z jejích součástí. K tomu dochází k určitému vývoji - již vytvořeným schématem zapojení pro tranzistory a další prvky s určitými vlastnostmi, ze kterých mohou být vyrobena různá zařízení. Jednou z těchto "cihel" v budově elektronických obvodů je emitor na tranzistoru.

Schéma zapojení tranzistorů

Existují tři typy bipolárních tranzistorů - se společnou základnou (OB), společným emitorem (OE) a společným kolektorem (OK).

Nejběžnější spojení (OE), protože poskytuje velký zisk napětí a proudu. Jednou z funkcí tohoto připojení je inverze vstupního napětí na 180 ⁰ . Nevýhodou spojení je malý vstup (stovky ohmů) a velký odpor (desítky ohmů).

Při použití vstupního napětí se tranzistor otevře a proud prochází základnou k emitoru a proud kolektoru se zvětší. Proud emitoru je součtem ze základního proudu a kolektorového proudu: A _E = AND _B + AND _K

V kolektorovém obvodu na rezistoru _se objeví napětí mnohem vyšší než vstupní signál, což vede k nárůstu výstupního napětí a odpovídajícím proudovým proudům.

Zapojení tranzistoru podle schématu (ON) poskytuje zisk napětí a umožňuje pracovat s širším kmitočtovým rozsahem než režim s (OE), takže se často používá na anténních zesilovačích. Tato schéma umožňuje plně využít schopnost tranzistoru amplifikovat vysoké frekvence signálu (frekvenční charakteristiky). Čím vyšší je frekvence zesíleného signálu, tím nižší je zisk napětí. Tato kaskáda má malou vstupní a výstupní impedanci.

Zapojení tranzistoru s (OK) dává proudový zisk a často se používá jako adaptér mezi vysokofrekvenčním napájením a nízkoimpedančním zatížením. Také toto zařazení může být použito pro porovnávání různých kaskádových obvodů, nemění to polaritu vstupního signálu.

Obecné pojetí opakovače

Zesilovač emitoru je zesilovač signálu proud, ve kterém dochází k zařazení tranzistoru podle schématu (OK). Napěťový zisk signálu je prakticky stejný jako jeden, napětí emitoru se rovná vstupnímu signálu, proto se obvod nazývá sledovač emitoru. Princip fungování zařízení bude popsán níže.

Navzdory skutečnosti, že sledovač emitorů má poměr přenosu napětí jednoho, může být klasifikován jako zesilovač, protože dává zisk v proudu a tudíž na výkonu: A = _E = (β + 1) x a _B , kde AND - proud emitoru a _B - proud proudu.

S nízkým odporem napájení kolektor tranzistoru je připojen ke společné sběrnici a odpor, ze kterého je odpojeno výstupní napětí, je připojen k okruhu emitoru. Připojení vstupu a výstupu k externím obvodům pomocí kondenzátorů C ₁ a C ₂ . Při malém faktoru zvýšení napětí dosáhne současný faktor zvýšení maximální hodnoty v režimu zkratů svorek na výstupu.

Princip činnosti

Zatížení kaskádového obvodu opakovače je odporem na emitoru Р Е. Vstupní signál je přiváděn prvním kondenzátorem C ₁ a odstranění výstupního signálu probíhá přes druhý kondenzátor C ₂ .

Sledovač emitorů má velmi malý vstup a velkou výstupní impedanci. S střídavý proud, kdy polovina vlny kladného střídavého napětí prochází tranzistorem typu pnp, otevírá se silněji a dochází ke zvýšení proudu s negativní poloviční vlnou - naopak. Výsledkem je, že výstupní střídavé napětí má stejnou fázi se vstupem a je zpětnovazebním napětím. Výstupní napětí je směrováno k vstupu a je zapojeno do série, takže sledovač emitoru používá konzistentní negativní zpětnou vazbu. Výstupní napětí je menší než vstupní napětí v malém množství (napětí základny-emitoru je asi 0,6 V).

Jak vytvořit schéma výpočtu

Počátečními údaji pro výpočet sledovače emitoru jsou kolektorový proud ( _IK ) a napájecí napětí (V I):

• Napětí emitoru (U _E ) musí odpovídat: U _E = 0,5 x U _BX (aby byl zajištěn maximální rozsah pro výstupní napětí).
• Teď je třeba provést výpočet odporu odporu na emitoru: Р _Е = У _Е / И _К.
• Odpor odporového děliče se vypočítá: P ₁ -P ₂ (vybereme odpor tak, aby proud na děliči byl asi desetkrát menší než proud na základně): A _D = 0,1 x I _K / β, kde β je aktuální faktor zesílení tranzistor. Odpor P ₁ + Р ₂ = У _ВХ / И _Д.
• Vypočítáme napětí základny vzhledem k zemi: У _Б = У _Е + 0.7.

Výrazné vlastnosti

Zesilovač emitoru má zajímavý rys - kolektorový proud je závislý pouze na zatěžovacím odporu a vstupním napětí a parametry tranzistoru nehrají významnou roli. Takové schémata se považují za 100% napěťovou zpětnou vazbu. Nemůžete se bát spálit tranzistor, přivádět sílu k základně bez omezujícího odporu.

Provoz emitoru je založen na vysoké vstupní impedanci, která vám umožňuje připojit k němu zdroj signálu s velkou komplexní impedancí (například vysílač v rádiu). Zesilovač výkonu

Velmi často se jako výkonový zesilovač používá výstupní zesilovač ve výstupních stupních zesilovačů. Hlavním úkolem takových uzlů je přenášet určitý výkon na zatížení. Nejdůležitějším parametrem nastaveným v výpočtech výkonu zesilovače je přírůstek výkonu , zkreslení přenosu signálu a účinnost (jeho zvýšení je nezbytné díky spotřebě většiny napájecího výkonu výstupním zesilovačem) . Napěťový zisk není hlavním parametrem a obvykle se blíží jednotě.

Existuje několik způsobů, jak pracovat s takovým stupněm zesilovače, v závislosti na umístění operačního bodu na grafu charakteristik a podle toho s různou účinností a charakteristikami výstupního signálu.

Provozní režimy

V uvažovaných případech provozu operátora emitoru bude spojení kolektoru zpětně posunuto a provozní režim bude záviset na spojení emitoru:

1. V prvním případě dochází k posunu spojení emitorů tak, že tranzistor stabilně nepřejde do režimu saturace a opakovač pracuje na přímém úseku přenosové charakteristiky (napětí Y _K a Y _{E jsou} stejné). Maximální výstupní napětí je menší než vstupní napětí. Účinnost se rovná poměru dodávaného výkonu k zátěži k napájení ze sítě a dosahuje maxima (25%) při nejvyšší amplitudě výstupního napětí. Aby se zabránilo nesouladu výstupního a vstupního signálu, musí být amplituda výstupního napětí snížena, což také snižuje účinnost. Nízká účinnost v tomto režimu provozu opakovače je způsobena nezávislostí proudu, který prochází tranzistorem, od napájecího napětí a výkon, který je spotřebován ze zdroje energie, je konstantní hodnota. Při nepřítomnosti vstupního signálu je největší výkon rozptýlený tranzistorem. V tomto režimu se tedy sledovač emitoru nepoužívá jako výkonový zesilovač, ale spíše jako vysílač mírně zkresleného signálu.
2. Další provozní režim stupně zesilovače, ve kterém posunutí spojení emitoru přináší pracovní bod tranzistoru na hranici uzamykací oblasti. Pokud přijmeme napětí emitoru (U _E = 0) a vstupní signál není přijat, křižovatka emitoru je reverzně zkreslená a tranzistor je v uzavřeném stavu. Výsledkem je nižší spotřeba energie. Při průchodu z napájecího zdroje kladné poloviční vlny se tranzistor odblokuje (otevře se spojení emitoru) a negativní ho blokuje (neexistuje žádný výstupní signál). Druhý případ zesilovacího stupně řeší problém se zvýšením účinnosti zesilovače, protože na tranzistoru není žádný proud, pokud není napájecí napětí. Existuje však nevýhoda - silné zkreslení výstupního signálu.

Push-pull obvod

Sledovač emitorů push-pull umožňuje současné zesílení v pozitivním i záporném rozsahu. Chcete-li získat bipolární výstupní signál, můžete použít doplňkový sledovač emitorů. Pohyblivým obvodem jsou v zásadě dva opakovače, z nichž každý zesiluje signál v kladné nebo záporné poloviční vlně. Obvod se skládá ze dvou typů bipolárních tranzistorů (s pnp a pnp - přechody).

Princip fungování doplňkové schémy

Když chybí vstupní výkon, oba tranzistory jsou vypnuty kvůli nepřítomnosti napětí v křižovatce emitoru. Při průchodu poloviční vlny kladné polarity dojde k otevření npn tranzistoru, podobně dochází k průchodu negativní poloviny způsobující otevření pnp-tranzistoru.

Výkonný sledovač emitorů má výpočet účinnosti (K = Pi / 4 x Y _OUT / U _K ), kde U _o je amplituda výstupního signálu; _K - napětí na kolektorovém uzlu.

Z vzorce je zřejmé, že K se zvyšuje se stoupající amplitudou _OO a stává se maximálním, přičemž UO = A _K (K = Pi / 4 = 0,785).

To ukazuje, že sledovač emitoru na doplňkovém schématu má výrazně vyšší účinnost než konvenční opakovač.

Vlastnost tohoto schématu je velké (přechodné) nelineární zkreslení. Vykazují se ve větším rozsahu než méně vstupní napětí ( _VB ).

Výpočet push-pull zesilovače

Vzhledem k tomu, že pro zvýšení výkonu potřebujeme sledovač emitorů, zdrojové údaje pro výpočet emitoru budou: odpor zátěže (RN), zatížení ( _RN ). Pro snížení nesouladu výstupního a vstupního signálu by mělo být napájecí napětí vyšší než 5 V od amplitudy výstupního napětí.

Vzorce pro výpočet stupně zesilovače:

• Výstupní napětí: _{O OUT} = druhá odmocnina (2P _N PN).
• Napájecí napětí: _VX = V _E + 5.
• Výstupní proud: A _Е = У _Е / Р _Н.
  
• Napájení ze zdroje: P ₊ + P _- = 2 / Pi × U _E / P _N × U _K.
• Maximální ztráta výkonu na každém z tranzistorů: П ₁ = П ₂ = У _К ² / Пи ² Р _Н.
  

Snížené zkreslení výstupního napětí

Sledovač emitujícího tahu, jehož princip je popsán výše, lze dále zlepšit snížením přechodového zkreslení výstupního signálu v jeho obvodu.

Pro snížení zkreslení napětí na výstupu kaskády lze použít na základnu napětí tranzistorů, zkreslení výstupní charakteristiky.

Diody nebo tranzistory se používají pro zkreslení, které přivádějí signál k základům pracovních tranzistorů opakovače.

Diodový obvod

Na tranzistorech tranzistorů emitorů T1 a T2 se vyskytuje přesazení diodami D1 a D2, které jsou propojeny mezi základnami tranzistorů. Pokud je vstupní napětí nulové, jsou tranzistory aktivní. Když je polarita napětí kladná, tranzistor T2 _je uzamčen a se zápornou polaritou napětí je tranzistor T1 uzamčen. Když je vstupní signál nulový, je jeden z tranzistorů aktivní, takže diodový obvod poskytuje výstupní charakteristiku, která je velmi blízká lineární. Namísto diod mohou být použity tranzistory se zkratovaným kolektorem.

Zesilovač výkonu s dalšími opakovači emitorů

Další schéma, která snižuje zkreslení výstupního signálu, jehož vstup zahrnuje dva tranzistory.

V tomto obvodu jsou na vstupu vloženy dva zesilovače na tranzistoru, které vytvářejí napěťový posun pro přechody emitorů dvou výstupních tranzistorů. Významnou výhodou tohoto zařazení bude zvýšený odpor na vstupu kaskády. Emitorové proudy vstupních a základních proudů výstupních tranzistorů nastavují první dva odpory _. Druhé dva odpory jsou obsaženy v obvodu zpětné vazby pro výstupní tranzistory.

Tato možnost připojení je zesilovač s jedním ziskem.

Kompozitní tranzistory

Nyní jsou tranzistory vyráběny jako samostatná kaskáda dvou tranzistorů v jednom obvodu (obvod Darlington). Používají se v čipu v zesilovačích na diskrétních součástech. Výměna konvenčního tranzistoru s integrálem zvyšuje vstup a snižuje výstupní impedanci obvodu.