Struktura

Základní zapojení zesilovačů

Základní zapojení zesilovačů

Nízkofrekvenční zesilovač

Zesiluje kmitočty akustického pásma, tj. 16 Hz až 20 kHz.

Obr. 1: Zapojení jednostupňového nf zesilovače

Popis jednostupňového zesilovače třídy „A”

Vstup zesilovače tvoří svorky 1-1´, na které je přivedeno napětí ze střídavého zdroje signálu u1. Výstup 2-2’ je připojen na zátěž RZ. Zdroj a vnější zátěž jsou od zesilovače stejnosměrně odděleny vazebními kondenzátory CV1 a CV2. Stejnosměrný pracovní bod je nastaven rezistorem RB, RC, RE a napětím UCC.

Klidový pracovní bod

Klidový pracovní bod P0 je zvolen ve třídě A, takže tranzistorem prochází trvale stejnosměrné proudy i bez přivedení signálu. Třída A vykazuje oproti jiným třídám největší linearitu na úkor účinnosti. Využívá se u předzesilovačů, kde nezáleží tolik na účinnosti, ale hlavně na linearitě a nízkém šumovém činiteli. Ve výstupních charakteristikách je nastaven pracovní bod stejnosměrným kolektorovým proudem lC, kolektorovým napětím UCE a proudem báze lB.

Obr. 2: Nastavení pracovního bodu zesilovače

Požadované hodnoty napětí a proudů se nastaví ve vstupním obvodu rezistorem RB, ve výstupním obvodu rezistory RC a RE. Obvody zesilovače prochází stejnosměrný proud a naměříme zde pouze stejnosměrná napětí. Jedná se o stejnosměrné nastavení pracovního bodu a říkáme, že se obvod nachází ve statickém stavu. Rezistor RE zavádí zápornou zpětnou vazbu, důležitou pro teplotní stabilizaci pracovního bodu tranzistoru, nebo omezení vlivu stárnutí součástek. Kondenzátor CE zajišťuje, že se emitorový rezistor RE pro střídavou složku emitorového proudu takřka neuplatní, neboť je kondenzátorem zkratován. Zapojuje se proto, aby nedošlo ke snížení zesílení užitečného signálu. Jeho hodnota se volí tak, aby pro kmitočet fd platilo XC << RE a pro nf zesilovače se pohybuje kolem 100μF.

Nejdříve musíme nastavit klidový pracovní bod P0 tranzistoru tak, aby rozkmit přiváděného vstupního signálu nevybočil z aktivní pracovní oblasti. Aktivní pracovní oblast tranzistoru (viz obr. 3) je vymezena hranicemi maximálního dovoleného napětí mezi kolektorem a emitorem UCEMAX, největším dovoleným klidovým proudem ICMAX, největší dovolenou kolektorovou ztrátou tranzistoru PCMAX, mezní přímkou a minimálním proudem IB.

Poloha P0 leží dále vždy na příslušné zatěžovací přímce z.p., udávající velikost kolektorového odporu RC. Protože klidový pracovní bod tranzistoru P0 je určen dvěma nezávislými veličinami, volíme je jako UCE a IC, resp. UCE a IB.

obrazek

Obr. 3: Aktivní pracovní oblast tranzistoru

Jelikož se v praxi nejčastěji užívá zapojení tranzistoru SE, ukážeme postup pro stanovení P0 v tomto zapojení, a to analytickou metodou. Ze zadaných hodnot a požadavků na požadovanou funkci tranzistoru určíme vždy zbývající hodnoty následujícím postupem:

Návrh zesilovače

Zesilovač navrhujeme při znalosti napájecího napětí UCC, kolektorového proudu IC, proudového zesílení β, popřípadě s použitím výstupních charakteristik tranzistoru.

 
  • Použité vztahy

Pro β≫1 se vztah zjednoduší: 

Z tohoto vztahu lze vypočítat velikost odporu RB. Napětí UBE je v zapojení SE prakticky konstantní. U většiny křemíkových tranzistorů můžeme použít hodnotu UBE = 0,65V.

Ve výstupních charakteristikách musí pracovní bod ležet na zatěžovací přímce dané rovnicí:

  • Postup návrhu

  1. UCC … je zadáno, např. 12V.
  2. Velikost kolektorového odporu RC se volí dle vztahu: RC ≤ RZ/10.
  3. Kolektorový proud IC v pracovním bodě P0 lze přibližně určit z výstupních charakteristik tranzistoru a zatěžovací přímky dané body UCC a UCC/1,1RC. Pro třídu A se volí pracovní bod P0 přibližně uprostřed zatěžovací přímky. Jeho polohou se zároveň určí i proud IB. Je možné také IC zvolit, např. pro předzesilovač IC = 1mA. Z V-A charakteristik při daném napětí UCC a volbě polohy P0 lze graficky určit ICMAX (nesmí překročit mezní hodnotu) a vypočítat hodnoty RC a RE: RC + RE = (UCC – UCE)/IC.
  4. UCE se určí z V-A charakteristiky pro pracovní bod P0.
  5. Proudový zesilovací činitel β – změřen na tranzistoru.
  6. Napětí UBE se volí 0,65 V.
  7. Velikost emitorového odporu RE se volí: RE ≈ RC/10.
  8. Napětí na emitoru: UE ≈ RE IC.
  9. Napětí báze: UB = UE + UBE.
  10. Proud báze: IB = IC/ β.
  11. Velikost odporu RB se vypočte dle vzorce: RB = (UCC – UB)/IB.
  12. CE se vypočte pro kmitočet fd s použitím podmínky: XC < RE. XC = 1/2πfdCE.

.

Kontrolu pracovního bodu lze provést podle vzorců: UC = UCC – RC IC, a UCE = UC – UE.
Součástí návrhu zesilovacího stupně bývá také výpočet dynamických parametrů. Podrobnější informace lze nalézt např. v materiálu:
http://panwiki.panska.cz/index.php/Praktick%C3%BD_v%C3%BDpo%C4%8Det_tranzistorov%C3%A9ho_stupn%C4%9B

 

 

Zdroje

  • BRINDL, Pavel. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_09_Základní zapojení nf zesilovače s bipolárními tran. Přerov, 2013.
  • BIOLEK, Dalibor, Karel HÁJEK a Antonín KRTIČKA. FEKT VUT BRNO. Analogové elektronické obvody: přednášky [online]. Brno, 2007, 30.11.2007 [cit. 2015-01-20]. Dostupné z: http://user.unob.cz/biolek/vyukaVUT/skripta/BAEY_prednasky.pdf
  • Zjednodušený výpočet tranzistorového zesilovače [online]. [cit. 2015-01-20]. Dostupné z: http://www.souch.cz/dok/e/zesil.pdf

Obrázky

  •  Obr. 1: BRINDL, Pavel. Zapojení jednostupňového nf zesilovače. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_09_Základní zapojení nf zesilovače s bipolárními tran. Přerov, 2013.
  •  Obr. 2: BRINDL, Pavel. Nastavení pracovního bodu zesilovače. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_09_Základní zapojení nf zesilovače s bipolárními tran. Přerov, 2013.
  •  Obr. 3: BRINDL, Pavel. Aktivní pracovní oblast tranzistoru. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_09_Základní zapojení nf zesilovače s bipolárními tran. Přerov, 2013.
Logolink