[Type text]

Elektronika

Prvi modul

Poluprovodničke komponente

1

[Type text]

Diode

Poluprovodnički PN-spoj sa metalnim priključcima predstavlja poluprovodnički element diodu.

a) b)Oznake diode

Priključak P-oblasti se zove anoda (A), a priključak N-oblasti se zove katoda (K). Struja teče od anode ka katodi.

Šema za snimanje karakteristika diode u propusnom (direktnom) smjeru

E je izvor jednosmjernog napona (obično 10 V)R je otpornik koji služi za ograničenje struje u slučaju pogrešnog

rukovanja, štiti elemente kola od pregorijevanja (oko 1 K)Struja kroz diodu se mjeri miliampermetrom (mA), a napon na njoj

pomoću digitalnog (ili analognog elektronskog) voltmetra.Potenciometar P služi za mijenjanje napona na diodi. Kada je njegov

klizač u krajnjem donjem položaju, tada je napon na diodi (između tačke A i mase) jednak nuli.

(Napon na diodi treba povišavati u skokovima po 100mV, od nule do 1V za S i diodu, i pri tome mjeriti struju kroz nju. Kod Ge diode skokovi treba u početku da budu oko 20mV, a kasnije mogu da budu i veći. Podaci dobijeni mjerenjem se unose u tabelu, a zatim se crta dijagram I = f(U).)

Snimanje karakteristika diode u inverzom smjeru izvodi se za Ge diode (jer je za Si diode inverzna struja veoma mala, oko 1nA).

Šema za snimanje karakteristika diode u inverznom smjeru

2

[Type text]

Mikroampermetar (A) služi za mjerenje struje, a elektronski voltmetar za mjerenje napona. Ovdje je potrebno staviti voltmetar prije mikroampermetra, da mikroampermetar ne bi mjerio struju kroz voltmetar.

(Napon može da se mijenja u većim skokovima po 1V ili 5V).Realna karakteristika Si diode ima prag provođenja, odnosno dio

karakteristike u kojoj struja praktično ne teče. Direktna struja počinje da teče oko 0,6V i naglo raste sa povišenjem napona. Inverzna struja se može zanemariti.

Realna karakteristika Si diode

Kod Ge dioda inverzna struja može da bude znatna (oko 1000 puta veća nego kod Si dioda), prag provođenja je niži (oko 0,2V). Ge diode se manje upotrebljavaju jer imaju znatno lošije karakteristike od Si dioda (u većini slučajeva). Koriste se samo tačkaste Ge diode jer imaju nizak prag provođenja i malu kapacitivnost PN-spoja.

Karakteristika Ge diode

Vrste dioda:

3

[Type text]

Usmjeračke Impulsne Kapacitivne Mješačke Detektorske Stabilizatorske, ...

Proizvodnja diodaDiode se proizvode u planarnoj, planarno-epitaksijalnoj i meza-

tehnologiji. U planarnoj (ravnoj) tehnologiji diode se izrađuju na ravnoj ploči pa se

mogu odjednom praviti u velikom broju (100000).

Faze proizvodnje diode u planarnoj tehnici

U podlogu N-tipa se posebnom vrstom difuzije, na temperaturi od oko 1000C, unosi primjesa P-tipa, pa se dobije PN-spoj. Na poluprovodnik se nanose metalni kontakti, a na njih se zavaruju provodnici koji čine spoljne priključke. Između N-oblasti i metala formira se N+ oblast (oblast sa velikom koncentracijom primjesa). N+ oblast se ubacuje kao prelaz od N-oblasti ka metalu, i ponaša se kao otpornik.

U planarno-epitaksijalnoj tehnici diode se izrađuju ako otpornost osnove treba da im bude što manja.

Faze proizvodnje diode u epitaksijalnoj tehnici

Na poluprovodnik N+ tipa, naparavanjem se nanosi tanak sloj skoro čistog silicijuma, pa se dobije epitaksijalni sloj. U epitaksijalni sloj se difuzijom unosi

4

[Type text]

P-primjesa pa se dobije PN-spoj. Na N+ i P sloj se nanose metalni kontakti i na njih se zavaruju provodnici koji čine metalne izvode diode.

Da bi se smanjila iskrivljenost između P i N-sloja, hemijskim putem se skida zakrivljeni dio diode. Ostatak ima oblik visoravni pa se naziva meza (po visoravni MesaVerde).

Dioda u električnom kolu

Na slici je prikazana dioda u električnom kolu. Dioda je propusno polarisana, kolo je zatvoreno i u njemu teče struja.

Dioda u električnom kolu

Prema II Kirhofovom zakonu važi: E - UD - RID = 0Ovo je jednačina prave, gdje je ID zavisno promjenljiva, UD nezavisno

promjenljiva, a E i R su konstante kola. Matematičkim transformacijama se dobije:

Ovo je jednačina prave koja pokazuje zavisnost struje ID od napona UD. Ova prava se lako može nacrtati kroz dvije tačke.

Prva tačka je na horizontalnoj osi. Tada se za ID = 0 dobije da je UD = E (npr. UD = E = 3V).

Druga tačka je na vertikalnoj osi. Tad se za UD = 0 dobije da je npr.

E = 3V i R = 1K, (Ova prava se može odrediti i po pravilima iz matematike gdje je -1/R

koeficijent smjera, a E/R odsječak na vertikalnoj osi).

5

[Type text]

Karakteristika diode sa radnom pravom i radnom tačkom

Mjesto gdje prava siječe karakteristiku diode zove se radna tačka (tačka A na slici). Vrijednosti napona i struje u ovoj tački pokazuju koliki je napon na diodi i struja kroz nju u ovom kolu. Mijenjanjem vrijednosti napona napajanja E i otpornosti R mijenjaju se i struja i napon u radnoj tački.

Neka je struja u radnoj tački A jednaka I1, a napon U1. Otpornost koja se dobije dijeljenjem napona U1 sa strujom I1 naziva se statička otpornost diode. Promjenom struje kroz diodu ova otpornost se jako mijenja. (zato što se za male promjene napona struja mnogo mijenja)

(primjer: knjiga str. 25)

Statička i dinamička otpornost diode

Ako se napon na diodi mijenja od U2 do U3, struja kroz diodu mijenja od I2 do I3. Promjena napona na diodi U3 - U2 podijeljena promjenom struje I3 – I2

naziva se dinamička otpornost diode rd:

Dinamička otpornost diode takođe mnogo zavisi od radne tačke. Što je struja diode veća, veća je i njena promjena za istu promjenu napona.

(Primjer: knjiga str. 25)

6

[Type text]

Usmjerači

Elektronski uređeji obično rade sa jednosmjernim izvorima napajanja i sa manjim vrijednostima napona. Zbog toga se naizmjenični napon iz gradske mreže prvo pomoću transformatora snižava (npr. na 10V), a zatim se pomoću usmjerača pretvara u jednosmjerni.

Usmjeračke diode su većinom silicijumske. Germanijumske diode se koriste u specijalnim usmjeračkim kolima (detektori kod radio i TV uređaja, neki mjerni uređaji), itd.

Usmjeračke Si diode se obično izrađuju za struje od 1A pa naviše (npr. dioda 1N4004) i potrebno ih je dodatno hladiti. Diode se mogu hladiti pomoću priključaka (hladnjak je štampano kolo), mogu imati tijelo sa navojem pa se priključuju na hladnjak pomoću navrtke, a mogu biti u obliku tablete (za struje od 1000A) pa im se hladnjak stavlja sa obe strane.

Spoljni izgled nekih dioda

Jednostrani usmjeračNajjednostavniji usmjerač se sastoji od jedne diode, transformatora i

potrošača.

Šema usmjerača sa jednom diodom

Na primar transformatora se dovodi naizmjenični napon od 220V. Na sekundaru se dobije niži napon (npr. 10V), koji se usmjerava pomoću diode i na potrošač RP se dovodi jednosmjerni napon.

7

[Type text]

U pozitivnoj poluperiodi naizmjeničnog napona (od t0 do t1) dioda je polarisana u propusnom smjeru i kroz nju teče struja. U negativnoj poluperiodi naizmjeničnog napona dioda je inverzno polarisana, pa kroz nju ne teče struja. (Napon na sekundaru u1, struja kroz diodu i, kao i napon na potrošaču uP prikazani su na slikama; vrijedi da je Ief = Im / 2 i Uef = Um / 2).

Napon na sekundaru u1, struja kroz diodu i, napon na potrošaču uP

U negativnoj poluperiodi najveći mogući inverzni napon na diodi jednak je amplitudi naizmjeničnog napona Um. To znači da dioda treba da bude takva da može da izdrži taj inverzni napon.

Ovakvim kolom se dobije promjenljivi jednosmjerni napon koji se zove pulsirajući i kao takav je obično neupotrebljiv jer elektronski uređaji trebaju stalni jednosmjerni napon.

Mnogo bolji jednosmjerni napon se dobije dodavanjem kondenzatora velike kapacitivnosti ( npr. 1000F, obično elektrolitskog) paralelno potrošaču.

8

[Type text]

Šema usmjerača sa filterskim kondenzatorom

Oblik naizmjeničnog napona, struja kroz diodu, napon na potrošaču

U jednom dijelu pozitivne poluperiode kondenzator se puni iz sekundara transformatora, a u preostalom vremenu se prazni kroz otpornik RP.

Punjenje transformatora počinje u trenutku t1 kada naizmjenični napon u tački C postane viši od napona na kondenzatoru (jer je tada dioda propusno polarisana) i traje do trenutka t2 ( za to vrijeme napon na njemu i na RP raste). Punjenje je kratkotrajno jer je otpornost u kolu punjenja veoma mala (npr. 1, čini je uglavnom otpornost sekundara transformatora).

9

[Type text]

Pražnjenje kondenzatora traje od trenutka t2 do t3, pa se opet puni od t3 do t4, itd. i na potrošaču se dobije jednosmjerni napon koji se malo mijenja. Dobijeni jednosmjerni napon je približno jednak amplitudi naizmjeničnog napona.

Kapacitivnost kondenzatora se određuje tako da napon na njemu tokom pražnjenja malo opadne.

(U praksi se uzima da vremenska konstanta pražnjenja RC bude bar 5 puta veća od vremena pražnjenja; ovde je to perioda gradske mreže koja je jednaka 20ms; tj RC > 5T).

Primjer:Neka je potreban jednosmjerni napon od 10V i struja potrošača od

100mA. Tada je RP = U/I = 10V/0,1A = 100. Kapacitivnost elektrolitskog kondenzatora se dobije iz nejednačine

C > 5T/R, tj. C > 52010-3s/100 = 10-3F = 1000F(Ako se na usmjerač priključuje elektronski stabilizator napona, tada se može dozvoliti

veća talasnost usmjerenog napona i manja kapacitivnost kondenzatora , pa može da bude RC > 3T, npr. 600F u prethodnom primjeru).

Struja punjenja kondenzatora teče u kratkim intervalima i ima znatno veću efektivnu vrijednost od srednje (oko 3 puta). Za njeno mjerenje se koriste ampermetri za mjerenje tačne efektivne vrijednosti: ampermetri sa mekim gvožđem, digitalni multimetri za mjerenje tačne efektivne vrijednosti napona ili struje, itd. (Tačno mjerenje je važno zbog hlađenja diode jer od efektivne vrijednosti zavisi njeno zagrijavanje).

Ako je ugao proticanja znatno manji od 1800, struja teče u impulsima i tad je njena maksimalna vrijednost ograničena i odnosi se na maksimalnu ponavljajuću struju.

Prije uključivanja usmjerača filtarski kondenzator je prazan. U trenutku uključenja usmjerača, početna (udarna) struja punjenja kondenzatora može biti veoma velika (npr. 50A, to je dozvoljena neponavljajuća maksimalna struja kod diode 1N4004). Tada se kondenzator ponaša kao kratak spoj i to može da izazove uništenje diode. Zbog toga se u kolo po potrebi dodaje, na red sa diodom, odgovarajuća otpornost (npr. 1), za ograničavanje udarne struje.

Najveći inverzni napon koji dioda treba da izdrži jednak je dvostrukoj amplitudi naizmjeničnog napona tj. 2Um.

(Zato što je u negativnoj poluperiodi naizmjeničnog napona napon u tački B pozitivan, a u tački C negativan; na kondenzatoru je jednosmjerni napon koji je približno jednak amplitudi naizmjeničnog; ova dva napona su istog smjera i sabiraju se).

Usmjerači se jednom diodom se upotrebljavaju kada je potrebna mala jednosmjerna struja (npr. 10mA) i kada je potrebno da cijena usmjerača bude što niža.

(Slično se pravi i usmjerač za negativni jednosmjerni napon, samo se dioda i kondenzator postave obrnuto).

Udvostručavač napona

10

[Type text]

Udvostučavač napona

Dioda D1 sa kondenzatorom C1 čini jednostrani usmjerač za pozitivan napon u odnosu na tačku B. Dioda D2 sa kondenzatorom C2 čini jednostrani usmjerač za negativan napon u odnosu na tačku B. Zato je jednosmjerni napon od tačke E do tačke F približno 2Um, tj. dobije se dvostruko viši jednosmjerni napon.

Koristi se kada je potreban viši napon i kada je struja potrošača mala, i kada imamo samo jedan sekundar na transformatoru, a potreban je i pozitivan i negativan jednosmjerni napon za neki potrošač. (Tada se tačka B uzemljuje i postaje masa, napon u tački E je pozitivan u odnosu na masu, a napon u tački F je negativan u odnosu na masu).

Nedostaci su što struja teče samo u jednoj poluperiodi, i što se neravnomjerno opterećuje izvor naizmjenične struje, pa se češće koriste usmjerači sa dve ili četiri diode.

Dvostrani usmjeračKod ovog usmjerača struja teče u obe poluperiode naizmjeničnog napona,

i to kroz jednu diodu u pozitivnoj, a kroz drugu u negativnoj poluperiodi.

Usmjerač sa dve diode sa označenim smjerom struje u pozitivnoj poluperiodi naizmjeničnog napona

11

[Type text]

Usmjerač sa dve diode sa označenim smjerom struje u negativnoj poluperiodi naizmjeničnog napona

Oblik naizmjeničnog napona u1, struje i, napona na potrošaču up

U trenutku t' napon u1 je pozitivan i maksimalan, a u2 je negativan i maksimalan. Ovi naponi se sabiraju pa je tada inverzni napon na diodi D2 jednak 2Um. (Slično se pokaže i za diodu D1)

Efektivne vrijednosti dobijenog jednosmjernog napona i struje kroz diodu i potrošač su: U = 0,707Um i I = 0,707Im.

Dobijeni jednosmjerni napon nije pogodan za napajanje elektronskih uređaja, pa se zato dodaje kondenzator za filtriranje jednosmjernog pulsirajućeg napona.

12

[Type text]

Usmjerač sa dve diode i filtarskim kondenzatorom

Talasni oblici napona

Kondenzator se puni od trenutka t1 do t2 preko diode D1, zatim se prazni od t2 do t3, ponovo se puni od t3 do t4 preko diode D2, zatim ponovo prazni od t4

do t5, itd. Dobijeni jednosmjerni napon se manje mijenja i približan je amplitudi

naizmjeničnog napona. Maksimalni inverzni napon na diodi D1 jednak je 2Um.(Nedostatak ovog usmjerača je što mu je potreban dvostruki sekundarni namotaj).Kapacitivnost filterskog kondenzatora može da bude dva puta manja nego

kod jednostranog usmjerača jer je i vrijeme pražnjenja dva puta manje.Primjer:R = 100 i RC > 2,5T, gdje je T = 20msC > 2,52010-3s / 100 = 500F

Grecov (Mosni) usmjerač

13

[Type text]

Usmjerač sa četiri diode i smjerom struje u pozitivnoj poluperiodi naizmjeničnog napona

Usmjerač sa četiri diode i smjerom struje u negativnoj poluperiodi naizmjeničnog napona

Kada je napon u1 pozitivan, struja teče od tačke A kroz diodu D2, potrošač Rp i diodu D3 ka tački B. Kada je napon u1 negativan, struja teče od tačke B kroz diodu D4, potrošač Rp i diodu D1 ka tački A.

U oba slučaja smjer struje kroz potrošač je isti, pa je struja kroz njega jednosmjerna. Maksimalni inverzni napon na nekoj diodi je Um.

Talasni oblici naizmjeničnog i jednosmjernog napona

Ako se u ovo kolo doda kondenzator dobiće se ravnomjerniji napon na potrošaču.

14

[Type text]

Usmjerač sa četiri diode i filterskim kondenzatorom

Oblici naizmjeničnog i jednosmjernog napona

Filterski kondenzator se puni u obe poluperiode, pa je dobijeni napon bliži stalnom jednosmjernom naponu. Prednost ovakvog usmjerača je u upotrebi transformatora sa jednim sekundarnim namotajem.

(Maksimalni inverzni napon na nekoj diodi je Um. Kapacitivnost filterskog kondenzatora se određuje kao i kod dvostranog usmjerača).

Stabilizatorske (Cener) diodeTo su diode koje rade u oblasti inverznih probojnih napona.

Karakteristike sedam stabilizatorskih dioda u oblasti probojnih napona

(Karakteristika proboja do oko 5,5V je dosta zakrivljena, dok je iznad ove oblasti znatno strmija i pogodna za stabilizaciju napona. Diode sa pravim Cenerovim probojem od

15

[Type text]

oko 5V imaju malu strminu inverznog proboja i rijetko se upotrebljavaju. Najniži inverzni probojni napona je obično oko 3V. Ispod ovog napona se koriste diode polarisane u propusnom smjeru sa naponom oko 0,8V, . . . )

Za Cenerove diode se obično daje probojni napon (do 200V) i dozvoljena snaga (do 50W), a iz njih se izračunava struja dozvoljena kroz diodu prilikom normalnog rada.

(Najčešće se koriste diode sa probojnim naponom između 6 i 15 V, i snage do 1W.)

Oznaka stabilizatorske (Cener) diode, njemačka oznaka, američka oznaka

Najviše se upotrebljavaju za stabilizaciju napona. Inverzno su polarisane i rade u oblasti proboja.

Princip stabilizacije napona pomoću stabilizatorske diode

Napon na diodi se vrlo malo mijenja pri velikoj promjeni struje kroz diodu.

Stabilizator napona je kolo na čiji ulaz se dovodi napon koji se relativno mnogo mijenja (npr. 10%), a na izlazu daje napon koji se relativno malo mijenja (npr. 1%).

Stabilizator napona sa stabilizatorskom diodom

Na ulaz se dovodi nestabilisani napon U1, a na izlazu se dobije stabilisani napon U2. Otpornik R služi za ograničenje struje kroz stabilizatorsku diodu, a Rp

je potrošač, kojem treba obezbijediti stabilan napon.

16

[Type text]

(Povećanjem ulaznog napona U1, povećava se struja IR kroz otpornik R. Napon na stabilizatorskoj diodi je približno konstantan, pa se struja kroz potrošač praktično ne povećava).

Obično je promjena izlaznog napona oko 10 puta manja nego kod ulaznog. Ulazni napon treba da bude oko dva puta viši od izlaznog.

Proračun stabilizatora sa Cenerovom diodom:Prema potrebi potrošača se odrede naponi U1 i U2; zatim se odredi struja

potrošača IP = U2/RP; Otpornost R se određuje iz jednačine U1 = RIR + U2. Struja IR je jednaka IP + IZ. Snage na otporniku R se određuju prema vrijednostima struja i napona.

(Ako se ukloni potrošač tada sva struja ide kroz diodu i onda je na diodi najveća snaga. Snaga se takođe može povećati povećanjem ulaznog napona, jer se time povećava struja kroz diodu.)

(Potrebno je voditi računa o snazi zagrijavanja stabilizaorske diode Pz = UZIZ, pa je obično potrebno i dodatno hlađenje).

Primjer:Neka je potreban stabilisani napon U2 = 7V i struja potrošača IP = 10mA. Tada je U1 = 2U2 = 14V. Struja kroz diodu IZ se određuje iz iskustva i obično je IZ = IP/2 = 5mA.Snaga na diodi je 5mA7V= 35mW.Struja kroz otpornik za ograničenje struje IR je 10 mA + 5mA = 15mA, a

snaga na njemu je 15mA7V = 105mW, ali se usvaja veća standardna vrijednost 250mW.

(Može se uzeti i otpornik snage 125 mW, ali je zbog mogućih preopterećenja pogodnije uzeti 250mW).

Otpornost R se određuje po Omovom zakonu i iznosi 7V/15mA = 466, što se zaokružuje na sledeću veću standardnu vrijednost 470.

(Ako se potrošač ukloni, sva struja ide kroz cener diodu, pa je snaga na njoj 15mA7V =105mW, sledeća veća vrijednost je obično 250mW).

Zener diode se sve manje koriste za stabilizaciju napona jer imaju velike gubitke energije u diodi i otporniku za ograničenje struje. Stabilizacija napona nije najbolja jer su promjene izlaznog napona od 1% dosta velike. Zato se sve više koriste integrisani stabilizatori koji su jeftiniji i mnogo kvalitetniji.

Danas se ove diode više koriste za izradu stabilizatora kod kojih je struja potrošača mala (npr. 10mA), kao izvori referentnog napona, kao ograničavači napona i kao izvori električnog šuma.

(Električni šum je obično neželjeni napon slučajne amplitude, učestanosti i faze).

Kapacitivnost PN-spoja

PN-spoj se ponaša kao kondenzator u kom se na jednoj strani nalaze šupljine, a na drugoj elektroni. Postoje dve vrste kapacitivnosti PN-spoja: difuzna i barijerna.

17

[Type text]

Difuzna kapacitivost se javlja kod propusno polarisanog PN-spoja koji se tada ponaša kao kondenzator. Priključivanjem spoljnog napona, koji propusno polariše PN-spoj dolazi do naglog početnog kretanja velikog broja šupljina u N-oblast. Kada se N-oblast napuni šupljinama, njihovo pridolaženje se smanji na istu vrijednost, one se rekombinuju i čine normalnu struju kroz PN-spoj. To početno uvećano kretanje šupljina u N-oblast čini povećanu početnu struju, što odgovara punjenju kondenzatora.

(Analogno se dešava se elektronima koje je spoljno polje potisnulo u P-oblast).Smanjenjem spoljnog napona direktne polarizacije na nulu, nestaje

električno polje, i šupljine se sada postepeno vraćaju u P-oblast. To odgovara pražnjenju kondenzatora.

Tipična vrijednost difuzne kapacitivnosti je 100 pF.Barijerna kapacitivnost se javlja kod nepropusno polarisanog PN-spoja.

Oblast prostornog naelektrisanja je izolator jer tu nema ni slobodnih elektrona ni šupljina.Oblasti lijevo i desno od prostornog naelektrisanja su provodne i čine obloge kondenzatora. Ako se PN-spoj nepropusno polariše, razmak između šupljina i elektrona se povećava, te se smanjuje kapacitivnost kondenzatora.

Kapacitivnost i oznaka varikap diode

Varikap diode su posebna vrsta dioda koje služe kao promjenljivi kondenzatori. Kapacitivnost im se mijenja pomoću inverznog napona. Koriste se u oscilatornim kolima, kod radio i TV uređaja u oblasti visokih učestanosti. Kod diode BB105B kapacitivnost je relativno mala i malo se mijenja, npr. od 2pF na 25V do 10pF na 3V. Kod diode BB312 su promjene veće, od 25pF na 30V do 500pF na 1V.

U oblasti mikrotalasa se primjenjuje posebna vrsta varikap dioda, tzv. varaktor-diode koje služe za umnožavanje učestanosti.

Prekidačke, Pin i Šotkijeve diodePrekidačke diode se izrađuju u planarnoj tehnici. Imaju male dimenzije i

male količine primjesa, kapacitivnost im je mala, a brzina uključivanja i isključivanja velika (zbog male difuzne kapacitivnosti). Vrijeme isključivanja

18

[Type text]

je duže od vremena uključivanja i tipično iznosi nekoliko ns (za diodu 1N4148 je 4ns). Upotrebljavaju se u digitalnim i impulsnim kolima.

Šotkijeve diode se izrađuju direktnim nanošenjem metala na poloprovodnik N-vrste. Zbog difuzije elektroni prelaze iz poluprovodnika u metal, pa u poluprovodniku ostaju nekompenzovani pozitivni joni.Elektroni mogu da prelaze iz poluprovodnika u metal jer je enegija elektrona u metalu manja, ali obrnuto ne mogu. Tako se dobije priključak za anodu i usmjerački spoj između poluprovodnika i metala. Drugi priključak se dobije obrazovanjem oblasti sa velikom koncentracijom N primjesa, pa se dobije N+ oblast slična provodniku. Na N+ oblast se nanosi metal sa kojim se obrazuje neusmjerački kontakt koji čini katodu diode.

Struktura Šotkijeve diode Oznaka Šotkijeve diode

Kod Šotkijevih dioda ne postoji difuzna kapacitivnost spoja (jer nema prelaska šupljina iz P u N-oblast, niti elektrona iz N u P-oblast). Vrijeme uključivanja i isključivanja je veoma kratko i iznosi tipično 100 ps.

Karakteristike Šotkijevih dioda za različite koncentracije primjesa

Prag provođenja Šotkijevih dioda je manji nego kod običnih Si dioda jer je potencijalna barijera manja. Povećavanjem koncentracije primjesa smanjuje se inverzni napon i time i prag provođenja.

Šotkijeve diode se koriste u veoma brzim prekidačkim kolima, kao mješači ili detektori u oblasti mikrotalasa i kod impulsnih regulatora napona.

PIN-diode osim P i N oblasti imaju između njih I-oblast koja je skoro čist poluprovodnik.

19

[Type text]

Struktura i oznaka PIN-diode

Kod direktne polarizacije, glavni nosioci elektriciteta prolaze kroz I-oblast i PIN-dioda radi kao i obična dioda.Otpornost I-oblasti se ponaša kao termogena otpornost (velika kod male jednosmjerne struje, a mala kod velike jednosmjerne struje). Mijenjanjem jednosmjerne struje kroz diodu može se mijenjati njena dinamička otpornost za naizmjeničnu struju. Vrijeme isključivanja kod PIN diode je relativno dugo.

Upotrebljavaju se kao promjenljivi otpornici u kolima automatske regulacije pojačanja, kao modulatori i kao prekidači.

Tunel diode se prave od Ge sa velikom koncentracijom primjesa, i imaju veoma uzan prelaz između P i N-oblasti.

Karakteristika tunel diode Oznaka tunel diode

U nepropusnom smjeru struja počinje da teče odmah, tako da praktično nema praga provođenja.

U propusnom smjeru, sa porastom napona direktne polarizacije, raste i struja kroz diodu i to od nule do tačke A. Daljim povećavanjem napona do tačke B struja se smanjuje zbog tunel efekta. Daljim povećavanjem napona desno od tačke B struja ponovo raste.

U oblasti od tačke A do tačke B tunel dioda ima negativnu dinamičku otpornost jer se povećavanjem napona smanjuje struja.

Tunel diode se koriste kao oscilatori ili kao pojačavači u oblasti mikrotalasa.

BIPOLARNI TRANZISTORI

Princip rada tranzistora

20

[Type text]

Naziv tranzistor nastao je od engleskih riječi TRANsfer reSISTOR (prenosni otpornik). To je najvažniji poluprovodnički element, koristi se kao osnova za izradu pojačavača, digitalnih kola, oscilatora, itd.

Sadrži dva PN spoja i ima tri priključka: emitor (E), bazu (B) i kolektor (C),

Unutrašnja struktura tranzistora i presjek u planarnoj tehnici

Bipolarni tranzistori mogu biti NPN i PNP tipa.

Komponente struje kroz NPN tranzistor i simbol NPN tranzistora

Prva oblast je emitor, koji je poluprovodnik N-tipa, sa velikom koncentracijom primjesa.

Druga oblast je baza, koja je poluprovodnik P-tipa, sa znatno manjom koncentracijom primjesa nego kod emitora, i znatno je uža.

Treća oblast je kolektor, koji je poluprovodnik N-tipa, sa koncentracijom primjesa manjom nego u emitoru.

Između emitora i baze je PN-spoj koji je direktno polarisan izvorom EBE, a između baze i kolektora je PN-spoj koji je inverzno polarisan izvorom ECE.

Glavni nosioci elektriciteta u emitoru su elektroni, a u bazi su to šupljine. Zbog direktne polarizacije elektroni iz emitora se kreću ka bazi, a šupljine iz baze ka emitoru, pa se struja sastoji iz dve komponente.

Šupljine koje pređu u emitor, rekombinuju se sa elektronima u emitoru. Tih slobodnih šupljina ima mali broj (zbog male koncentracije primjesa u bazi), pa je ova komponenta struje mala.

Drugu komponentu struje čine elektroni kojih u emitoru ima veoma mnogo i koji prelaze u bazu. Manji dio tih elektrona se rekombinuje sa

21

[Type text]

šupljinama u području baze (jer je baza veoma uska i ima malo šupljina), a veći dio nastavlja da se difuzno kreće ka drugom PN-spoju. Drugi izvor ECE stvara takvo električno polje (usmjereno od kolektora ka bazi), koje usmjerava elektrone iz baze ka kolektoru (sakupljaču), i dalje ka metalnom spoljnom priključku kolektora, pa kroz provodnik ka izvoru ECE.

Veći dio elektrona koji su krenuli iz emitora, dolazi u kolektor, a manji dio se rekombinuje u bazi.

Osnovno svojstvo tranzistora, nazvano tranzistorski efekat je da se pomoću malog ulaznog napona između baze i emitora ili male ulazne struje baze upravlja znatno većom izlaznom strujom koja teče kroz kolektor.

Malim povećanjem ulaznog napona iz emitora krene znatno veća količina elektrona, njihov manji dio se rekombinuje u bazi, a veći dio dođe u kolektor pa se kolektorska struja mnogo poveća.

Ako se ulazna struja (struja baze) malo poveća (npr. za 1mA), izlazna struja (struja kolektora) poveća se mnogo više (npr. 100mA). To znači da se od tranzistora može napraviti pojačavač, tj. elektronski uređaj koji na svom izlazu daje veću promjenu napona ili struje od ulazne.

Kod PNP tranzistora je emitor poluprovodnik P-tipa, baza N-tipa, a kolektor je P-tipa. Princip rad je isti kao i kod NPN tranzistora, samo su struje i naponi obrutog smjera, a elektroni i šupljine su zamijenili mjesta.

Komponente struje kroz PNP tranzistor i simbol PNP tranzistora

Ovi tranzistori se zovu bipolarni zato što struju kroz tranzistor čine elektroni i šupljine.

Koeficijenti strujnog pojačanjaKada se na simbol NPN tranzistora priključe spoljni izvori za polarizaciju,

dobije se kolo na slici.

22

[Type text]

Šema NPN tranzistora sa izvorima napajanja

Struja emitora izlazi iz tranzistora, a struje baze i kolektora ulaze u tranzistor, pa vrijedi:

IE = IC + IB(Struja baze je oko 100 puta manja od struje kolektora ili emitora pa se može

zanemariti, a to onda znači da su struje emitora i kolektora približno jednake.) Kod nekih kola je ulazna struja IE, a izlazna struja je IC, pa se količnik

naziva koeficijentom jednosmjernog strujnog pojačanja. Tipična vrijednost mu je 0,99.

Najčešći slučaj u praksi je da je ulazna struja IB, a izlazna struja je IC, pa je sada koeficijent strujnog pojačanja:

i znatno je veći od jedinice (tipična vrijednost 100).(Npr. kod tranzistora BC108 koeficijent h21E je između 110 i 800, pa se grupišu u tri

grupe: za BC108A je h21E je između 110 i 220, za BC108B je h21E je između 200 i 450, za BC108C je h21E je između 420 i 800).

Osim navedenih struja, postoji i inverzna struja kolektorskog spoja ICB0,

koja teče kod inverzne polarizacije spoja baza-kolektor.

Definicija inverzne struje kolektorskog spoja

Kod silicijumskog PN-spoja inverzna struja je zanemarljivo mala (od 200pA do 200A). Ova struja se udvostručava pri svakom povišenju temperature PN-spoja za oko 10C, ali praktično ne utiče na rad silicijumskih tranzistora.

23

[Type text]

Kod germanijumskih tranzistora ova struja je oko 100 puta veća i znatno utiče na rad tranzistora.

Definicija struje ICE0

Ako se baza ostavi otvorena, onda kroz tranzistor teče struja ICE0 (oko 50nA), njen uticaj je obično zanemarljiv kod silicijumskih tranzistora i vrijedi:

ICE0 = h21E ICB0

Kada se na simbol PNP tranzistora priključe spoljni izvori za polarizaciju, dobije se kolo na slici.

Šema PNP-tranzistora sa izvorima napajanja

Za PNP tranzistore važe sve jednačine kao i za NPN. Naponi i struje imaju suprotan smjer od smjerova kod NPN tranzistora.

U praksi se najviše koriste NPN tranzistori, tamo gdje ne mogu NPN koriste se PNP, a u nekim kolima se koriste oba tipa.

Načini vezivanja tranzistoraTranzistori se koriste u pojačavačima i drugim elektronskim kolima koja

imaju ulaz i izlaz. Ulaz nekog uređaja (npr. pojačavač) ima dva kraja za priključivanje ulaznog signala (npr. iz mikrofona). Izlaz nekog uređaja isto ima dva kraja za priključivanje potrošača (npr. zvučnik).24

[Type text]

Ako se tranzistor koristi kao pojačavač, i on mora da ima dva ulazna i dva izlazna kraja. Pošto tranzistor ima tri kraja: emitor, bazu i kolektor, to znači da se jedan od njih mora koristiti kao zajednički za ulaz i izlaz.

Sa zajedničkim emitorom Sa zajedničkom bazom Sa zajedničkom kolektoromNačini vezivanja tranzistora

Kod spoja sa zajedničkim emitorom, koji se najčešće koristi, ulaz kola je između baze i emitora, a izlaz između kolektora i emitora.

Spoj sa zajedničkom bazom se koristi na visokim učestanostima, a spoj sa zajedničkim kolektorom se koristi za prilagođenje otpornosti ili za pojačanje struje.

Proizvodnja tranzistoraTranzistori se najčešće proizvode u planarnoj i epitaksijalnoj tehnici.

Proizvodnja tranzistora u planarnoj tehnici je slična proizvodnji dioda, samo ima jednu difuziju više (slično je i u epitaksijalnoj i meza tehologiji).

Podloga N-tipa Difuzija P-primjesa Difuzija N-primjesaFaze proizvodnje planarnog tranzistora

PN-spoj baza-kolektor se dobije kada se u podlogu N-tipa difuzijom ubacuju primjese P-tipa, ali u količini koja je potrebna da nadvlada primjese N-tipa.

N+ oblast, koja čini emitor, dobije se kada se u sredinu područja sa P-primjesama difunduje velika količina N-primjesa.

N+ oblast (za kolektor), dobije se kada se u područje sa N-primjesama difunduje velika količina N-primjesa.

Karakteristike tranzistoraTranzistor je nelinearni element čije se osobine mogu sagledati iz

njegovih grafičkih karakteristika, koje se dobijaju mjerenjem.Karakteristike tranzistora se dijele na ulazne, prenosne i izlazne. Ulazne

karakteristike predstavljaju međusobnu zavisnost između ulaznih veličina, uz uticaj ostalih veličina tranzistora.

25

[Type text]

Primjer: Kod snimanja zavisnosti ulazne struje od ulaznog napona, izlazni napon se održava konstantnim.

Kolo za snimanje karakteristika tranzistora

U ovom kolu se koriste dva izvora: EB za polarizaciju baze i EC za polarizaciju kolektora. Otpornici Rb i Rc služe za ograničenje struje kod pogrešnog uključivanja.

Pomoću mikroampermetra µA, voltmetra V1 i V2 snimaju se ulazne karakteristike IB=f(UBE) za napon UCE konstantan.

Pomoću mikroampermetra µA i miliampermetra mA snimaju se prenosne karakteristike IC=f(IB) za napon UCE konstantan.

Pomoću mikroampermetra µA, miliampermetra mA i voltmetra V2

snimaju se izlazne karakteristike IC=f(UCE) za konstantnu struju IB.

Ulazne karakteristike tranzistora za dve vrijednosti napona UCE

Potenciometrom P1 mijenja se napon u tački K1, a time i napom UBE i struja baze IB tranzistora. Struja baze se očitava na mikroampermetru µA, a napon UBE na digitalnom voltmetru V1.

(Napon UBE treba povećavati u skokovima od 100 mV).Dobijena karakteristika je veoma slična karakteristici diode u propusnom

smjeru. Za više napona UCE dobije se familija karakteristika. Povećanjem UCE

karakteristika se pomjera udesno i za isti napon UBE dobije se manja struja IB.

26

[Type text]

Razlog je što se povećanjem napona UCE povećava oblast prostornog naelektrisanja između kolektora i baze. Zbog toga se oblast kroz koju protiče struja baze sužava i struja baze se smanjuje. Ova pojava se zove širinska modulacija baze.

Prag provođenja je UBE=0,6V , a normalni radni napon je oko 0,7V.

Kod snimanja izlazne karakteristike IC=f(UCE), pomoću potenciometra P1

se podesi struja baze IB i održava se konstantnom. Potenciometrom P2 se mijenja napon UCE koji se očitava na voltmetru V2, a struja IC se očitava na miliampermetru mA.

Izlazna karakteristika je podijeljena na tri oblasti: oblast zasićenja, aktivna oblast i oblast proboja.

Karakteristika tranzistora za konstantnu struju baze

U oblasti zasićenja malim povećanjem napona UCE struja kolektora IC

naglo raste.U aktivnoj oblasti, povišenjem napona UCE struja kolektora IC se malo

povećava i tranzistor se u ovoj oblasti ponaša kao izvor konstantne struje.U oblasti proboja kolektorska struja naglo raste i ako se ne ograniči

nekim spoljnim elementom može doći do uništenja tranzistora.

27

[Type text]

Izlazne karakteristike tranzistora

Za IB=0 kolektorska struja praktično je jednaka nuli za sve vrijednosti napona UCE. Kod Ge tranzistora ova struja curenja postoji.

Kod snažnih tranzistora sve struje su veće pa se tranzistori zagrijavaju. Zato treba obezbijediti odgovarajuće kolo za napajanje i odgovarajuće hlađenje tranzistora.

Direktno prenosne karakteristike IC=f(IB) se snimaju za UCE kao parametar. (proizvođači tranzistora ih obično ne daju za Si tranzistore).

Direktno prenosne karakteristike tranzistora IC=f(IB)

Povišenjem napona UCE karakteristika se malo mijenja jer napon UCE malo utiče na struju IC.

Češće se daju povratno prenosne karakteristike IC=f(UBE) koje su slične karakteristikama IB=f(UBE) (podjela na vertikalnoj osi je približno h21E puta veća). Ovde se povišenjem napona UCE struja IC malo povećava.

28

[Type text]

Povratno prenosne karakteristike tranzistora IC=f(UBE)

Znatno češće se daje karakteristika koja pokazuje kako se koeficijent strujnog pojačanja h21E mijenja sa promjenom struje IC.

Zavisnost parametara h21E od struje IC

Zamjenom mjesta kolektora i emitora dobija se tranzistor sa znatno lošijim karakteristikama. Dobije se manji koeficijent strujnog pojačanja, dobije se manji probojni napon i dolazi do Cenerovog proboja, koji je u ovom slučaju oko 6V, što je znatno manje nego kod normalnih tranzistora.

Definicija probojnih napona tranzistora

29

[Type text]

Granični napon kod koga dolazi do proboja tranzistora označava se sa UCE0. Proboj tranzistora se dešava u kolektoru i lavinskog je tipa, a napon pri kome dolazi do proboja zavisi od uslova u kojima je tranzistor.

Prvo dolazi do proboja ako je baza otvorena i probojni napon je U’CE0.Ako se baza spoji sa emitorom, probojni napon je U’CES i veći je.Ako se između baze i emitora postavi otpornik R, probojni napon U’CER

zavisi od njegove otpornosti i nalazi se između U’CE0 i U’CES.Ako se spoj baza-emitor inverzno polariše, probojni napon U’CEV je

najviši.I spoj baza-emitor može da bude probijen u inverznom smjeru, tada je

probojni napon oko 6V i spoj se ponaša kao Cenerova dioda sa malom dozvoljenom strujom (npr. 2mA).

Primjer: Za tranzistor 2N3055 je: UCE0 = 60V, UCER=70V (za R=100Ω), UCEV=90V (za UBE=-1,5V)

Karakteristike tranzistora u oblasti proboja

Ograničenja u radu tranzistoraNapon UCE koji se priključuje između kolektora i emitora se mora

ograničiti, i označava se sa UCEM. (Maksimalnu vrijednost daje proizvođač u podacima o tranzistoru).Proizvođač daje i maksimalnu vrijednost struje ICM koja može da teče kroz

tranzistor.Snaga na tranzistoru PC dobije se množenjem napona između kolektora i

emitora UCE i struje IC:

PC = UCE ∙ IC

30

[Type text]

Snaga na tranzistoru je takođe ograničena, i njenu maksimalnu vrijednost PCM takođe daje proizvođač, uz odgovarajuće hlađenje. Ako se pređe PCM, uništi se tranzistor zbog pregrijavanja. Zbog toga je korisno da znamo kolika struja može da se dozvoli kroz tranzistor za neki napon na njemu.

Iz jednačine za snagu se dobije:

, odnosno zamjenom PC sa PCM dobije se , a to je

dozvoljena struja kroz tranzistor pri maksimalnoj dozvoljenoj snazi PCM.Ova jednačina se zove hiperbola snage, gdje je snaga PCM konstantna, a

napon UCE promjenljiv.

Oblast dozvoljene upotrebe tranzistora

Prva tačka se crta za IC=ICM=200mA, tada je U=1W/200mA=5V.Druga tačka se crta za UCE=UCEM=40V, tada je IC=1W/40V=25mA.Treća tačka se dobije za UCE=10V, tada je IC=1W/10V=100mA, itd.Hiperbola snage takođe određuje granice upotrebe tranzistora. Šrafirani

dio predstavlja oblast u kojoj se smije upotrebljavati tranzistor. Ako se izađe izvan šrafirane oblasti, može doći do trenutnog uništenja tranzistora.

Oznake tranzistora

31

[Type text]

Osim tranzistora malih snaga (do 300mW), postoje i tranzistori većih snaga, visokofrekventni tranzistori, itd. Različiti tranzistori imaju različite oznake koje mogu biti američkog ili evropskog porijekla.

Američke oznake počinju sa 2N (npr. 2N3055) i teško je odmah razlikovati velike od malih snaga itd.

Evropske oznake su pogodnije. Prvo slovo označava vrstu poluprovodnika: A je za germanijum, a B

je za silicijum. Npr. AC342 je germanijumski tranzistor.Drugo slovo označava namjenu tranzistora: C je za niskofrekventni,

D je za niskofrekventni snažni tranzistor, F je za visokofrekventni, U je za tranzistor za visoki napon, S je za prekidački tranzistor. Npr. BC107 je niskofrekventni Si tranzistor za male snage (300mW), a BD675 je niskofrekvantni Si tranzistor za velike snage (40W), itd.

Treće slovo ne postoji uvijek, i nije isto kod svih proizvođača, pa ne predstavlja sigurnu oznaku. Ako je treće slovo R, to je tranzistor za vrlo visoke učestanosti (do 5GHz). Ako je treće slovo Q, to je mikrotalasni tranzistor. Ako je treće slovo X, to je prekidački tranzistor.

Japanske oznake počinju sa 2S, 2SB, 2SC, 2SD, itd. 2SA i 2SB su PNP, a 2SC i 2SD su NPN tranzistori.

Proizvođači daju dve vrste kataloga sa podacima o tranzistorima. U prvoj vrsti se daju opštiji podaci (UCE, IC, itd.) koji služe za brzo

odabiranje tranzistora, ali nisu pogodni za detaljan proračun.U drugoj vrsti se daju kompletni dijagrami i tabelarni podaci i služe za

detaljan proračun i analizu osobina tranzistora. Poznati katalozi proizvođača tranzistora su: Valvo, ITT, Philips,

Siemens, EINiš, itd.

POJAČAVAČI SA BIPOLARNIM TRANZISTORIMA

32

[Type text]

Opšte osobine pojačavačaSignal je fizička veličina čija vrijednost ili promjena tokom vremena

sadrži neku informaciju. U elektrotehnici se informacija često prenosi pomoću napona ili struje, pa imamo naponski ili strujni signal.

(Npr. veličina napona iz mikrofona pokazuje koliko je zvuk bio jak, a frekvencija napona ppokazuje kolika je bila visina tona).

Pojačavač je elektronsko kolo na čiji ulaz se dovodi neki signal i na njegovom izlazu se dobije signal istog oblika , ali veće vrijednosti.

(Npr. na ulaz pojačavača se dovodi naizmjenični napon od 1mV, a na njegovom izlazu se dobije takođe naizmjenični napon istog oblika od 100mV).

Tranzistori se napajaju iz jednosmjernog električnog izvora, a često služe za pojačanje naizmjeničnog signala.

Tranzistorski pojačavač se ponaša približno kao linearan (kod malih promjena), tj. ako se ulazni signal poveća dva puta i izlazni se poveća dva puta.

Često se u elektrotehnici neko kolo posmatra kao četveropol. Četveropol je kolo koje ima četiri kraja: dva ulazna i dva izlazna.

Tranzistor kao linearni četveropol

Ovo je ekvivalentna šema pojačavača sa bipolarnim tranzistorom, kod pojačavanja malih naizmjeničnih napona, predstavljena linearnim četveropolom. Na ulazu je ulazni napon U1 i struja I1, a na izlazu izlazni napon U2 i struja I2.

(Npr. ulaz može biti neki mikrofon, a izlaz neki zvučnik).Pojačavač služi za pojačanje napona, struje ili snage. Veličine koje se

koriste u izrazima za pojačanja (U1, U2, I1, I2, P1, . . . ) su naizmjenične i posmatraju se kao male promjene jednosmjernih veličina.

(Mjerenja treba obavljati instrumentima za naizmjenični napon).

Pojačanje napona se definiše kao količnik izlaznog i ulaznog napona:

Primjer: U1=10mV, U2=1V; Au=1V/10mV=100Ako je pojačanje napona pozitivno, to znači da je izlazni napon istog

polariteta kao i ulazni, tj. da se kod pozitivne poluperiode ulaznog napona dobije

33

[Type text]

takođe pozitivna poluperioda izlaznog napona. Tada kažemo da su ulazni i izlazni napon u fazi.

(Ako je pojačanje negativno tada su ulazni i izlazni napon u protivfazi. Ako je pojačanje manje od jedinice, tada imamo slabljenje).

(Pojačanje napona se mjeri tako što se izmjere izlazni i ulazni napon pomoću dva voltmetra i dobijeni rezultati se podijele).

Pojačanje struje se definiše kao količnik izlazne i ulazne struje:

Primjer: I1=100µA, I2=5mA; Ai=5mA/100µA=50(Pojačanje struje se rijetko mjeri).

Ulazna otpornost Rul je otpornost između ulaznih krajeva pojačavača i definiše se kao količnik ulaznog napona i ulazne struje:

Primjer: U1=100mV, I1=100µA; Rul=100mV/100µA=1kΩ.Obično je veoma teško izmjeriti ulaznu struju, pa se za mjerenje ulazne

otpornosti koristi sledeća šema.

Mjerenje ulazne otpornosti pojačavača

Izmjere se naponi Ug i U1, pa se izračuna struja I1=(Ug-U1)/R1, koja predstavlja ulaznu struju pojačavača. Na kraju se podijeli U1 sa I1 i dobije se Rul.

Primjer: Ug=15mV, U1=10mV i R1=1kΩ I1=(15mV-10mV)/1000Ω=5µA Rul=U1/I1=10mV/5µA=2kΩ

Izlazna otpornost Riz se definiše kao količnik izlaznog napona praznog hoda U0 (kada potrošač nije priključen) i izlazne struje kratkog spoja Iks (kada se izlazni krajevi kratko spoje).

34

[Type text]

Mjerenje izlaznog napona praznog hoda

Napon praznog hoda je U20=Eiz.Kada se izlazni krajevi kratko spoje, tada je Iks=Eiz/Riz.Djeljenjem U20 sa Iks se dobije:

Primjer: U20=2V, Iks=100mA; Riz=2V/100mA=20Ω

U praksi je često opasno mjeriti struju kratkog spoja, pa se izlazna otpornost može definisati tako što se izmjeri napon praznog hoda (U20=Eiz), a zatim se priključi potrošač otpornosti Rp kao na sledećoj šemi.

Mjerenje izlaznog napona kod priključenog potrošača

Za ovo kolo II Kirhofov zakon ima oblik:Eiz - Riz∙I - Up = 0

Odavde je: , i pošto je I=Up/Rp zamjenom se dobije:

Primjer: Eiz=1V, Up=0,6V i Rp=1kΩ; Riz=(1V-0,6V)∙1000Ω/0,6V=0,66kΩVeličine Eiz, Up i Rp se mogu leko mjeriti, pa se onda izračuna Riz.

Pojačanje snage Gp se definiše kao količnik izlazne i ulazne snage:

35

[Type text]

Primjer: Au=100, Ai=50; Gp=100∙50=5000

Pojačavač treba biti prilagođen pobudnom generatoru i potrošaču na svom izlazu.

Ako je ulazna otpornost pojačavača jednaka unutrašnjoj otpornosti generatora tada je pojačavač prilagođen pobudnom generatoru. Tada se iz generatora u pojačavač prenosi najveća snaga. Isto tako otpornost potrošača treba biti jednaka izlaznoj otpornosti pojačavača.

Princip prilagođenja potrošača i generatora

Na slici je realni generator predstavljen pomoću idealnog generatora i unutrašnje otpornosti generatora Rg, i na njega je priključen potrošač Rp.

Ako je Rp << Rg tada su napon i snaga na potrošaču Rp mali, jer se veći dio snage troši na unutrašnjoj otpornosti generatora Rg.

Ako je Rp >> Rg tada je struja kroz potrošač mala i snaga na njemu je mala.

Najveća snaga na potrošaču se dobije za Rp=Rg; tada se polovina snage potroši na unutrašnjoj otpornosti generatora, a druga polovina na potrošaču.

Ovaj uslov traba da je ispunjen u nekim slučajevima: kod pojačavača snage, kod električnih filtara, električnih vodova, . . .

Kod pojačavača napona ne mora biti ispunjen, nego je važno da Rul

bude što veća (da što manje opterećuje generator ili prethodni pojačavač), i da Riz bude što manja (da na njoj ne dođe do slabljenja korisnog signala).

IzobličenjaKod idealnog tranzistora izlazni napon treba da bude linearna funkcija

ulaznog napona. To nije uvijek ispunjeno pa se javljaju izobličenja koja mogu biti: nelinearna (harmonična), linearna (amplitudna), fazna, itd.

36

[Type text]

Nelinearna izobličenjaČesto se dešava da pojačavač sa tranzistorom više pojača pozitivnu

poluperiodu nego negativnu, kao na slici.

Primjer nelinearno izobličenog napona

Ovo su nelinearna izobličenja jer izlazni napon nije jednako viši u negativnoj i pozitivnoj poluperiodi, odnosno izlazni napon nije linearna funkcija ulaznog napona.

Ova izobličenja se još nazivaju i harmonična jer se, pored osnovnog pojavljuju i viši harmonici. Harmonična izobličenja su naročito važna kod audio pojačavača jer mijenjaju boju i kvalitet tona, i kod televizije jer mijenjaju kontrast slike.

Amplitudna izobličenjaČest je slučaj da pojačavač nejednako pojačava naizmjenični napon na

različitim učestanostima.Npr. osnovni pojačavač sa bipolarnim tranzistorom jednako pojaćava sve

napone u jednom opsegu učestanosti, a van tog opsega pojačanje se smanjuje.

Amplitudna karakteristika pojačavača

Ovakav pojačavač se upotrebljava samo u opsegu učestanosti gdje je njegovo pojačanje konstantno. Amplitudna pojačanja su važna kod širokopojasnih pojačavača, npr. kod video pojačavača u televiziji, gdje treba pojačati signale svih učestanosti od 0 Hz (jednosmjerni napon) pa do oko 5 MHz.

Fazna izobličenja

37

[Type text]

U osnovnim pojačavačima faza se obično pomjera za 180˚. Zbog parazitnih kapacitivnosti pomjeranje faze na jednoj učestanosti može biti 180˚, a na drugoj manje ili više, kao na slici.

a) Složeni periodični napon sa prvim i trećim harmonikom bez faznih izobličenja; b) sa faznim izobličenjem

Na ulaz pojačavača se dovodi složeni signal (sličan pravougaonom) koji se sastoji od prvog i trećeg harmonika. Slika a) prikazuje slučaj kada nema faznih izobličenja, pa je izlazni napon istog oblika kao i ulazni, ali pojačan. Pomjeraj faze prvog harmonika je 0˚, a isto toliko i trećeg.

Na slici b) postoje izobličenja, pomjeraj faze za prvi harmonik je 180˚, dok je za treći 0˚. Napon prvog harmonika na izlazu je u protivfazi sa naponom prvog harmonika na ulazu. Napon trećeg harmonika na izlazu je u fazi sa naponom trećeg harmonika na ulazu. Sabiranjem prvog i trećeg harmonika na izlazu dobije se napon drugačijeg oblika.

Fazna izobličenja su posebno nepovoljna u telegrafiji jer novi signal je u stvari lažni signal. Takođe su važna i kod televizije jer se može dobiti izobličena slika itd.

Pojačavač sa zajedničkim emitoromDa bi tranzistor radio kao pojačavač, PN-spoj između emitora i baze treba

biti propusno polarisan, a PN-spoj između baze i kolektora inverzno. Polarizacija oba PN-spoja se može izvesti sa jednim izvorom napajanja EC.

38

[Type text]

Pojačavač sa zejedničkim emitorom (sa prikazanim pobudnim generatorom i potrošačom)

Uloga otpornika Rb je da se pomoću njega odredi struja baze IB koja teče u bazu tranzistora i propusno polariše spoj baza-emitor.

Približno, jednosmjerna struja baze iznosi:

jer je UBE (0,7V) obično znatno niži od napona izvora EC (tipično 10V) i može se zanemariti.

Preko otpornika RC na kolektor se dovodi pozitivan napon iz izvora EC i RC služi za dobijanje izlaznog naizmjeničnog napona U2. Kolektor se nalazi na višem potencijalu od baze i kolektorski spoj je nepropusno polarisan.

Tranzistor sa otpornicima Rb i Rc i izvorom napajanja Ec predstavlja osnovni oblik pojačavača sa zajedničkim emitorom.

(Ulaz pojačavača se nalazi između baze i mase, a izlaz između kolektora i mase).Na ulaz pojačavača je preko kondenzatora za spregu CS1 priključen

pobudni generator Eg. Generator i ulaz pojačavača su preko kondenzatora CS1

spojeni za naizmjeničnu struju, ali su razdvojeni za jednosmjernu.(Na taj način baza tranzistora nije spojena na masu preko male unutrašnje otpornosti

generatora).Drugi kondenzator za spregu CS2 služi da se na potrošač RP odvodi samo

naizmjenična komponenta izlaznog napona.

(Prvo ćemo posmatrati samo jednosmjerne veličine kod ovog pojačavača).Za konturu na slici 2. Kirhofov zakon ima sledeći oblik:

EC - IC∙RC – UCE = 0

odakle je:

Veličine EC i Rc su konstantne, UCE je nezavisno promjenljiva, a IC je zavisno promjenljiva veličina (sve veličine su jednosmjerne), pa je ovo jednačina prave koja se može nacrtati kroz dve tačke.

Prva tačka se crta na horizontalnoj osi, gdje je IC=0 pa se dobije UCE=EC.

39

[Type text]

To je tačka B na slici. (Npr. za EC=10V je UCE=10V).

Druga tačka se crta na vertikalnoj osi, za UCE=0, pa se dobije:

To je tačka C na slici. (Npr. UCE=10V, Rc=2kΩ, tada je IC=10V/2000Ω=5mA).

Radna prava

Povećanjem napona UCE smanjuje se struja IC. U tački B napon je UCE=EC=UCM, a IC=0.U tački C je UCE=0, a IC=ICM=EC/Rc.Nagib prave zavisi od otpornosti Rc, jer je tgα=-ICM/EC=-1/Rc.(Na radnoj pravoj se može pratiti promjena napona i struje kroz tranzistor u toku

njegovog rada. Radna tačka mora biti na radnoj pravoj, jer samo na njoj svaka tačka zadovoljava drugi Kirhofov zakon).

Za normalan rad pojačavača treba odabrati radnu tačku, koja određuje napone i struje pojačavača kada na njegovom ulazu nema signala iz pobudnog generatora.

Najbolje je da se radna tačka nalazi na sredini radne prave (tačka A na slici).

U tački A je I’C=ICM/2, i U’C=UCM/2.(Na ovaj način se kolektorski napon i struja mogu mijenjati na više ili na niže za

približno isti iznos).

U radnoj tački treba odrediti i struju baze. Na slici se vidi da struja baze iznosi približno 7μA. Pomoću struje IB se može izračunati otpornost Rb:

Rb=EC/I’B=10V/7μA=1,42MΩ (Ovo treba zaokružiti na najbližu standardnu vrijednost 1,5MΩ).Zbog razlike između pojedinih primjeraka tranzistora radna tačka se može

dobiti na sasvim drugom mjestu, pa je pogodnije uzeti promjenljivi otpornik od oko 2,5MΩ vezan redno sa otpornikom od 100kΩ; Podešavanjem tog promjenljivog otpornika radna tačka se može postaviti na sredinu radne prave.

40

[Type text]

(Radna tačka se takođe mora nalaziti ispod hiperbole snage. Snaga na tranzistoru, u radnoj tački, treba da bude za oko 30% niža od maksimalno dozvoljene, zato što se proračun izvodi sa približnim, a ne tačnim karakteristikama i vrijednostima).

Hibridni parametri tranzistoraPojačavač sa tranzistorima ima dva ulazna i dva izlazna kraja i koristi se

za pojačanje naizmjeničnih napona.Na ulazu je naizmjenični napon Ube i naizmjenična struja Ib, a na izlazu

naizmjenični napon Uce i struja Ic.Na ulaz pojačavača se obično dovodi napon iz nekog izvora (npr.

mikrofon), pa ulazni napon Ube treba izraziti pomoću ostalih veličina koje karakterišu tranzistorski pojačavač.

Na izlaz pojačavača se priključuje potrošač (npr. zvučnik), kroz kojeg protiče izlazna struja Ic, pa treba vidjeti kako izlazna struja zavisi od ostalih veličina.

Ova zavisnost se izražava hibridnim (mješovitim) parametrima ili h-parametrima koji imaju različite jedinice. Parametri su h11e, h12e, h21e i h22e, gdje indeksi "11", "12", itd. označavaju redni broj parametra, a indeks "e" da se radi o pojačavaču sa zajedničkim emitorom.

Tranzistor kao četveropol definisan parametrima h11e, h12e, h21e, h22e

Na slici je pojačavač sa tranzistorom, koji ima ulazne veličine Ube i Ib, izlazne veličine Uce i Ic, dok je on sam okarakterisan hibridnim parametrima h11e, h12e, h21e i h22e.

Za ovaj tranzistor se mogu napisati dve jednačine sa hibridnim parametrima:

Ube = h11e ∙ Ib + h12e ∙ Uce

Ic = h21e ∙ Ib + h22e ∙ Uce

Prva jednačina pokazuje kao ulazni napon Ube zavisi od ulazne struje Ib i izlaznog napona Uce.

Druga jednačina pokazuje kako izlazna struja Ic zavisi od ulazne struje Ib i izlaznog napona Uce.

41

[Type text]

Parametar h11e ima prirodu otpornosti i jedinica mu je Ω, a parametar h12e

je neimenovan broj (nema jedinicu).Parametar h21e je neimenovan broj, a parametar h22e ima prirodu

provodnosti i jedinica mu je S (simens).

Parametar h11e se može naći iz prve jednačine kada se stavi da je Uce=0. Tada je naizmjenična komponenta kolektorskog napona UCE jednaka nuli, tj. napon UCE je konstantan, pa slijedi:

Ube = h11e ∙ Ib

Određivanje parametara tranzistora h11e

Na slici je ulazna karakteristika za jedan konstantan napon UCE. Dio karakteristike od A’ do A’’ je približno linearan. Promjena napona od UBE1 do UBE2 jednaka je dvostrukoj amplitudi naizmjeničnog napona ube, tj.

UBE1 - UBE2 = 2∙Ubem

Analogno tome je: IB1 - IB2 = 2∙Ibm

Dijeljenjem promjene napona sa promjenom struje dobije se:

Dijeljenjem brojnika i nazivnika sa dobiju se efektivne vrijednosti napona i struje, a ukupan količnik promjene napona i struje jednak je parametru h11e:

42

[Type text]

Parametar h11e se dosta mijenja sa promjenom radne tačke, a takođe se dosta razlikuje od primjerka do primjerka iste vrste tranzistora.

Slika: ∆UBE=100mV, ∆IB=50μA, slijedi h11e=2kΩ.

Parametar h12e se može naći iz prve jednačine kada se stavi da je Ib=0. To znači da je naizmjenična komponenta struje baze Ib=0, tj. da je struja baze konstantna (IB=const., ∆IB=0), pa se dobije:

Ube = h12e ∙ Uce

Određivanje parametra h12e

Horizontalna prava na slici označava konstantnu struju baze IB. Iz prethodne jednačine slijedi:

Parametar h12e manje zavisi od radne tačke nego parametar h11e.Slika: ∆UBE=50mV, ∆UCE=8V, slijedi h12e=0,0062

Treći parametar h21e se dobije kada se u drugoj jednačini stavi da je naizmjeničan napon Uce=0, tj. da je jednosmjerni napon UCE konstantan.

Ic=h21e∙Ib

43

[Type text]

Odavde je:

Određivanje parametra h21e

Slika: ∆IC=3mA, ∆IB=10μA, slijedi h21e=300

Četvrti parametar h22e se dobije kad se u drugoj jednačini stavi da je Ib=0 (∆IB=0), tj. kad je struja baze konstantna:

Ic=h22e∙Uce

Odavde je:

44

[Type text]

Određivanje parametra h22e

Promjena struje kolektora je veoma mala (slika, (∆IC=0,1mA), a promjena napona između kolektora i emitora je velika ((∆UCE=10V), pa je ovaj parametar malen, dobije se h22e=0,00001S.

Iz prve jednačine sa hibridnim parametrima se vidi da se napon Ube sastoji od dve komponente: h11e ∙ Ib i h12e ∙ Uce koje se sabiraju, a to znači da su vezane redno. Prva komponenta označava otpornost h11e kroz koju teče struja Ib, a druga označava generator čija je elektromotorna sila h12e ∙ Uce.

Iz druge jednačine se vidi da se kolektorska struja Ic sastoji od dvije komponente, a to znači da se struja Ic grana na dva dijela: h21e ∙ Ib i h22e ∙ Uce. Prvi član h21e ∙ Ib se na ekvivalentnoj šemi crta kao strujni generator jer struja Ib

nigdje ne dodiruje izlazno kolo. Drugi član h22e ∙ Uce predstavlja Omov zakon u kome umjesto otpornosti stoji provodnost h22e na koju je priključen napon Uce.

Ekvivalentna šema tranzistora sa h parametrima

45

[Type text]

Vrijednosti parametara h12e i h22e su relativno male, pa se proizvodi h12e ∙ Uce i h22e ∙ Uce mogu zanemariti, pa dobijamo pojednostavljene jednačine:

Ube = h11e ∙ Ib Ic = h21e ∙ Ib

Na osnovu ovih jednačina se dobije pojednostavljena ekvivalentna šema:

Uprošćena šema tranzistora sa h parametrima

Zanemarivanjem članova h12e ∙ Uce i h22e ∙ Uce pravi se mala greška, ali se u praksi uvijek dostigne dovoljna tačnost.

Drugi načini pisanja parametara:h11e isto je hie (od input = ulazni) h12e isto je hre (od reverse = povratni)h21e isto je hfe (od forward = prednji)h22e isto je ho (od output = izlazni)

Ponašanje tranzistora na visokim učestanostima. Ekvivalentna šema

Osobine tranzistora se mijenjaju sa promjenom učestanosti, a najvažnija je promjena koeficijenta h21e.

Zavisnost parametra h21e

46

[Type text]

Koeficijent h21e je konstantan do neke učestanosti, a zatim opada. Na visokim učestanostima struja baze sve manje teče kroz PN-spoj baza-emitor, a sve više kroz difuznu kapacitivnost između baze i emitora. Zato se od iste struje Ib dobije sve manja struja Ic pa je koeficijent strujnog pojačanja h21e sve manji.

Učestanost f1 na slici je učestanost na kojoj strujno pojačanje opadne na jedinicu. Do ove učestanosti tranzistor se može upotrebiti kao pojačavač.

(Za niskofrekventne tranzistore male snage tipično je f1=100MHz)

Ekvivalentna šema tranzistora na visokim učestanostima

Otpornost rbb je otpornost tijela baze (tipično 20Ω), rbe je dinamička otpornost PN-spoja baza-emitor (tipično 2kΩ), Cbe je kapacitivnost spoja baza-emitor (oko 100pF), Cbc je kapacitivnost spoja baza-kolektor (oko 5 pF);

Struja Ic teče od kolektora ka emitoru i zavisi samo od struje Ib. Kapacitivnost Cbe je kod NF tranzistora relativno velika (100pF), dok je kod VF tranzistora nešto manja (oko 20pF). Kapacitivnost Cbc je kod NF tranzistora tipično 5pF, a kod VF tranzistora oko 0,5pF.

Na visokom učestanostima na rad tranzistora dosta utiču njegove unutrašnje kapacitivnosti Cbe i Cbc.

(Ne mogu se direktno mjeriti jer im jedan kraj nije spolja dostupan).Cbe je približno jednaka ulaznoj kapacitivnosti tranzistora, a Cbc je jednaka

povratnoj kapacitivnosti, jer se otpornost rbb može zanemariti.

Uzroci nestabilnosti radne tačke. 47

[Type text]

Stabilizacija radne tačkeRadna tačka se u praksi može pomjerati iz raznih razloga, a najviše zbog

razlike između pojedinih primjeraka tranzistora istog tipa i promjene temperature poluprovodnika.

Prilikom proizvodnje tranzistora nemoguće je precizno kontrolisati dubinu prodiranja primjesa prilikom njihovog unošenja difuzijom u poluprovodnik. Zato koeficijent strujnog pojačanja h21E može biti različit kod više primjeraka istog tipa tranzistora, i zbog toga se pomjera radna tačka.

Osnovni oblik pojačavača sa tranzistorom

Pomjeranje radne tačke za različite primjerke iste vrste tranzistora

Na slici a) je radna tačka na sredini radne prave Na slici b) zbog znatno većeg koeficijenta strujnog pojačanja h21E

radna tačka je pomjerena ulijevo Na slici c) zbog malog koeficijenta strujnog pojačanja h21E radna tačka

je pomjerena udesno

48

[Type text]

Pri porastu temperature poluprovodnika dolazi do smanjenja napona UBE

za oko 2,3mV/˚C. Time se povećava koeficijent strujnog pojačanja h21E za 0,7%/˚C, pa se mijenja i kolektorska struja i radna tačka se pomjera.

Prema tome, da bi se stabilizovala radna tačka, potrebno je stabilizovati kolektorsku struju.

Pojačavač sa stabilizovanom radnom tačkom

Otpornici Rb1 i Rb2 čine razdjelnik napona i obezbjeđuju stalan jednosmjerni napon UB na bazi tranzistora.

Napon UBE je praktično konstantan i iznosi oko 0,7V.Napon UE je takođe konstantan jer je UE=UB-UBE.Otpornost Re je takođe konstantna, pa je konstantna i struja koja teče kroz

nju (to je praktično kolektorska struja).Ako se iz nekog razloga poveća kolektorska struja, povećaće se i napon

UE na otporniku Re, smanjiće se napon UBE jer je UB ostao konstantan, i na taj način biće smanjena struja kroz tranzistor. Tako se poništava povećanje kolektorske struje.

Kolektorska struja treba da se povećava ili smanjuje kod pojačanja naizmjeničnog napona. Zato se paralelno otporniku Re stavlja velika kapacitivnost Ce (npr. 100μF) koja se bira tako da praktično bude kratak spoj za naizmjeničnu struju.

(Na ovaj način kolo za stabilizaciju radne tačke ne utiče na rad pojačavača kod pojačanja naizmjeničnog napona).

Prilikom proračuna pojačavača neki elementi se određuju na osnovu praktičnih iskustava.

Npr. usvojićemo da je EC=10V i Rc=2kΩ.Napon UE treba da bude od 10% do 30% napona napajanja EC (i da to

bude između 0,5V i 3V), pa ćemo uzeti UE=2V.

49

[Type text]

(Tako se mali dio napona napajanja gubi na otporniku Re, i dobije se relativno dobra stabilizacija radne tačke).

Oduzimanjem EC-UE dobije se da je zbir napona na tranzistoru i otoprniku Rc jednak 8V, pa se uzima po 4V na svakom od njih.

Jednosmjerna struja IC se dobije iz UC/Rc=4V/2kΩ=2mA.

Re se dobije dijeljenjem odabranog jednosmjernog napona UE se kolektorskom strujom IC u radnoj tački, 2V/2mA=1kΩ.

Neka je h21E=100, tada je jednosmjerna struja IB=IC/h21E=2mA/100=20μA.

Struja I1 treba da bude bar 5 puta veća od IB, tj. I1=5∙20μA=100μA.

Po Omovom zakonu je Rb1+ Rb2=EC/I1=10V/100μA=100kΩ.

UB=UBE+UE=2V+0,7V=2,7V

Pomoću napona UB se određuje otpornost Rb2. Pošto je IB<<I1, to je Rb2=UB/I1=2,7V/100kΩ=27kΩ.

Odavde je Rb1=100kΩ-27kΩ=73kΩ, što se usvaja na standardnu vrijednost 75kΩ.

Dodavanjem emitorskog otpornika pomjeraju se radna prava i radna tačka, ali ako se ispune svi ovi uslovi neće se bitno pogoršati rad pojačavača.

(Nije potrebna savršena stabilizacija radne jer se ona normalno pomjera zbog tolerancija otpornika koje su obično 5% ili 10%).

Ekonomičnije je ponekad upotrebiti pojačavač sa manje elemenata i slabijom stabilizacijom radne tačke, kao na slici.

Pojačavač sa manje elemenata i slabije stabilizovanom radnom tačkom

Stabilizacija radne tačke se izvodi pomoću otpornika Rb koji se nalazi između kolektora i baze tranzistora.

50

[Type text]

Ako se zbog nekog razloga poveća kolektorska struja, raste i napon na otporniku Rc, a smanjuje se napon UCE. Zbog toga se smanjuje struja baze IB, a time i kolektorska struja.

Ovaj pojačavač se suprotstavlja povećanju kolektorske struje (isto tako i smanjenju), što u stvari predstavlja stabilizaciju radne tačke.

Proračun: Za EC=10V, jednosmjerni napon UCE treba da bude EC/2=5V

Napon na otporniku Rc takođe treba biti EC/2, tj. Rc∙IC= EC/2=5V.

Ako usvojimo Rc=2kΩ, tada je IC=EC/2RC=10V/2∙2000Ω=2,5mA.

Struja baze se dobije iz IB=IC/h21E=2,5mA/200=12,5μA (za h21E=200)

Rb se dobije iz Rb=(UCE-UBE)/IB=(5V-0,7V)/12,5μA=344kΩ , usvajamo standardnu vrijednost 330kΩ.

Otpornost Rb se izračunava na osnovu vrijednosti h21E koji se razlikuje kod različitih primjeraka iste vrste tranzistora.To znači da proračunata vrijednost otpornosti Rb dobro postavlja radnu tačku za dati primjerak tranzistora, dok za ostale može doći do njenog pomjeranja (ali ne na krajeve radne prave).

Priključenje otpornika Rb između kolektora i baze tranzistora može da dovede do smanjenja pojačanja pojačavača, npr. u slučaju kad pobudni generator ima veliku unutrašnju otpornost što nije često u praksi.

Pošto stabilnost radne tačke nije baš najbolja može doći do odsijecanja vrhova naizmjeničnog napona, pa je ekonomično ovaj pojačavač upotrebiti tamo gdje je ulazni napon nizak (npr. 1mV).

Grafička analiza pojačavača sa zajedničkim emitorom

51

[Type text]

Princip pojačanja se može grafički analizirati pomoću sledeće slike na kojoj su prikazane ulazne, direktno-prenosne i izlazne karakteristike tranzistora.

Grafičko određivanje pojačanja

Ove karakteristike daju približnu sliku pojačavača u dinamičkom režimu rada. Ulazna karakteristika je okrenuta tako da je prilagođena ulaznom naponu.

Radne tačke su tako odabrane da je u jednosmjernom režimu rada struja baze I’

B oko 40µA, napon U’BE oko 0,7V, otpornost Rc oko 2,5kΩ. Sa slike je struja kolektora I’C=4mA, kolektorski napon U’CE=10V, a

napon napajanja EC=20V.

- U pozitivnoj poluperiodi ulaznog napona U1 on naraste do vrijednosti U’’1 (za oko 100mV);

- Pomoću ulazne karakteristike sa dobije povećanje struje baze na I’’(za oko 60 µA na vrijednost 100µA);

52

[Type text]

- Pomoću prenosne karakteristike se za povećanje struje baze na I’’B

dobije povećanje kolektorske struje na I’’C (za oko 3,5mA na vrijednost oko 7,5mA);

- Pomoću radne prave na izlaznim karakteristikama se dobije sniženje kolektorskog napona na U’’CE (za oko 9V na približno 1V).

Vidimo da se za malu promjenu ulaznog napona od 100mV dobije negativna promjena izlaznog napona za oko 9V, tj. ΔUCE=-9V, pa se dijeljenjem dobije pojačanje od -90 puta. Znak minus označava da se za pozitivnu promjenu ulaznog napona dobije negativna promjena izlaznog, tj. izlazni i izlazni napon su u protivfazi.

- U negativnoj poluperiodi ulazni napon U1 se povisi u negativnom smjeru do U1’’’ (za oko -100mV);

- Struja baze se smani na vrijednost IB’’’ (za oko 25μA);- Struja kolektora se smanji na IC’’’ (za oko 2,5mA)- Napon na kolektoru se povisi na UC’’’ (za oko 7V)Sada je pojačanje manje i iznosi -70.

Prema tome, naizmjenični napon se pojačava tako što izaziva promjenu ulazne struje. Promjena izlaznog napona se odvaja kondenzatorom.

Pojačanje je veće kod pozitivne nego kod negativne poluperiode ulaznog napona, tj. izlazni pojačani napon je izobličen. Izobličenje će biti manje ako je ulazni napon nizak (npr. 1mV).

Kada se priključi potrošač, za naizmjeničnu struju, otpornost između kolektora i mase jednaka je paralelnoj vezi otpornika Rc i Rp, što je manje od otpornosti Rc, pa radna prava za naizmjeničnu struju ima strmiji nagib (slika).

Promjena radne prave zbog priključivanja potrošača

Izrazi za pojačanje struje, napona i snage

53

[Type text]

Grafičko određivanje pojačanja se u praksi rijetko primjenjuje jer se može lakše odrediti računski. Posmatraćemo tranzistorski pojačavač sa stabilisanom radnom tačkom i ekvivalentnu šemu tranzistora sa h parametrima.

Pojačavač sa zajedničkim emiterom i naznačenim naizmjeničnim veličinama

Ekvivalentna šema pojačavača za naizmjeničnu struju

Otpornosti Rb1 i Rb2 su znatno veće od ulazne otpornosti tranzistora, i pošto su sa ulaznom otpornošću vezane paralelno, može se zanemariti njihov uticaj. Impedansa kondenzatora Ce je kratak spoj za naizmjeničnu struju, pa kroz njega teče sva naizmjenična struja tranzistora (kroz Re ne teče ništa).

Ekvivalentna šema tranzistora sa h parametrima je dopunjena kolektorskom otpornošću Rc, a izostavljeni su Rb1, Rb2, Re i Ce i izvor napajanja EC jer je kratak spoj za naizmjeničnu struju.

54

[Type text]

Ako je jedan kraj naizmjeničnog napona na masi, on se obilježava sa – i zove se hladni kraj, a drugi se označava sa + i zove se vrući kraj. Oznake + i – označavaju polarizaciju naizmjeničnog napona u jednom posmatranom trenutku, u kom se posmatraju svi naizmjenični naponi u kolu da bi se znalo da li su u fazi ili protivfazi.

Struja potrošača Rc ima suprotan smjer od struje Ic, tj.

Ip = -Ic

Naizmjenični napona na otporniku Rc iznosi:

Uce = Ip · Rc = -Ic · Rc

POJAČANJE STRUJE:Definiše se kao količnik struje potrošača (otpornik Rc) Ip i ulazne struje Ib:

Npr. kod BC107B jednako je -330.

POJAČANJE NAPONA:Definiše se kao količnik napona na potrošaču i ulaznog napona Ube:

Pošto je Ic=h21e·Ib i Ube=h11e·Ib zamjenom dobijamo:

Npr. Za BC107B: za h21e=330, h11e=4,5kΩ i za Rc=1kΩ je:

Au = -330 · 1000Ω / 4500Ω = -73

Za veće naponsko pojačanje treba uzeti veću kolektorsku otpornost, ali to može da stvori probleme kod višestepenih pojačavača.

POJAČANJE SNAGE:Definiše se kao količnik izlazne i ulazne snage, a takođe i kao proizvod

pojačanja napona i struje:

Pojačanje snage je relativno veliko i za Rc=1kΩ se dobije:Gp=(-330)·(-73)=24090

55

[Type text]

Vidimo da se bipolarni tranzistor najbolje ponaša kao pojačavač struje, jer pojačanje struje ne zavisi od spoljnih elemenata pojačavača nego samo od tranzistora.

ULAZNA OTPORNOST:Definiše se kao količnik ulaznog napona i ulazne struje:

Tipična ulazna otpornost je nekoliko kΩ (npr. 3kΩ).

IZLAZNA OTPORNOST:Ukupna izlazna otpornost pojačavača je jednaka paralelnoj vezi izlazne

otpornosti tranzistora i otpornosti Rc, a to je približno jednako Rc (jer je Rc

mnogo manje od izlazne otpornosti tranzistora).Do istog rezultata se dolazi primjenom definicije po kojoj je izlazna

otpornost jednaka količniku napona praznog hoda i struje kratkog spoja.

Napon praznog hoda je Uce=-Rc·Ic.Struja kratkog spoja je Iks=-Ic, jer tada ova struja teče ka masi na izlaznom

dijelu kola.Dijeljenjem se dobija:

Frekvencijska karakteristika pojačavačaOsnovni pojačavač sadrži kondenzatore za spregu CS1 i CS2 i emitorski

kondenzator Ce kola za stabilizaciju radne tačke.

56

[Type text]

Pojačavač sa pobudnim generatorom za određivanje kapacitivnosti Ce

Osim ovih postoje i parazitne (štetne) kapacitivnosti (koje postoje zato što svaka dva tijela čine nekakav kondenzator). Najveće su parazitne kapacitivnosti između elektroda tranzistora (efektivno su vezane između ulaza pojačavača i mase ili izlaza pojačavača i mase).

Kondenzatori CS1 i Ce se biraju tako da na srednjim učestanostima (npr. 1KHz) imaju zanemarljivo malu impedansu i da ne utiču na rad pojačavača. Na niskim učestanostim (npr. 50Hz, zbog porasta reaktanse) i na visokim učestanostima (zbog parazitnih kapacitivnosti) dolazi do smanjenja pojačanja pojačavača.

Frekvencijska karakteristika pojačavača

Na slici je prikazana zavisnost pojačanja od učestanosti. Granične učestanosti fd i fg se definišu na mjestima gdje je pojačanje opalo puta, tu je snaga P opala 2 puta, a napon puta (jer je P=U2/R).

57

[Type text]

Ekvivalentna šema pojačavača na niskim učestanostima i uprošćena šema prve konture

Izostavljene su otpornosti Rb1 i Rb2 jer su znatno veće od ulazne otpornosti pojačavača, i otpornost Re jer je znatno veća od impedanse kapacitivnosti Ce. Emitor je preko kondenzatora Ce priključen na masu. Izostavljena je i kapacitivnost CS1 jer je velika pa je njena impedansa zanemarljivo mala. E je EMS pobudnog generatora, a Rg je njegova unutrašnja otpornost.

Pojačanje pojačavača na niskim učestanostima opadne puta ako struja baze opadne takođe puta. Drugi Kirhofov zakon za prvu konturu ima oblik:

E - Rg ∙ Ib –h11e ∙ Ib – Ic ∙ 1/jω∙Ce = 0

Zamjenom Ic = h21e ∙ Ib i izvlačenjem Ib ispred zagrade dobije se:

E - Ib ∙ (Rg + h11e + h21e /jω∙Ce ) = 0

Na ulazu kola postoji ekvivalentna otpornost Rek = Rg + h11e i ekvivalentna kapacitivnost Cek = Ce /h21e, što je prikazano na uprošćenoj šemi.

Impedansa ovog kola na srednjim učestanostima je jednaka Rek jer je tada impedansa ekvivalentne kapacitivnosti zanemarljivo mala.

Na niskim učestanostima imapedansa se sastoji od redne veze otpornosti Rek i reaktanse kondenzatora Cek, pa je njen moduo jednak:

Granična učestanost fd (kružna učestanost ωd ) se dobije kad moduo impedanse postane puta veći od otpornosti Rek:

Kvadriranjem, skraćivanjem sa i na kraju korjenovanjem dobije se

Na učestanosti fd (kružna učestanost ωd ), na kojoj pojačanje opadne puta, impedansa ekvivalentnog kondenzatora Cek mora biti jednaka ekvivalentnoj otpornosti Rek u kolu. Iz poslednje jednačine se dobije:

58

[Type text]

Pošto je Cek = Ce / h21e, tj. Ce = Cek ∙ h21e, dobije se:

Primjer: Neka je h21e = 200, h11e = 5kΩ i fd = 20Hz (ωd =125,6 rad/s) i Rg≈0. Tada je Ce = 200/(125,6 rad/s ∙ 5000Ω) = 318μF.Uzima se sledeća veća standardna vrijednost od 330 μF. Ovaj

kondenzator mora biti elekrolitski , a njegov ″+″ kraj vezan na emitor tranzistora, a ″–″ na masu.

Milerov efekatGornja granična učestanost najviše zavisi od Rg, h11e, Cbe i Cbc. Milerov

efekat izaziva povratna kapacitivnost Cbc, koja postoji između ulaza i izlaza pojačavača.

Kolo za objašnjenje Milerovog efekta

Struja kroz kondenzator na slici se dobije dijeljenjem napona na njemu sa njegovom impedansom:

I = (U1 – U2)/(1/ jω∙Cbc) = U1 ∙ jω∙Cbc - U2 ∙ jω∙Cbc

Pošto je U2 = A ∙ U1 (A je pojačanje pojačavača) dobije se:

I = U1 ∙ jω∙Cbc ∙ (1 – A)

Dijeljenjem sa I i sa U1 ∙ jω∙Cbc ∙ (1 – A) dobije se:

U1 / I = 1 / jω∙Cbc ∙ (1 – A) (*)

Ulazni napon podijeljen sa ulaznom strujom predstavlja ulaznu impedansu koja je u ovom slučaju kapacitivnog karaktera. Ekvivalentna kapacitivnost je Cbc ∙ (1 – A), a pošto je A >> 1 to je Cuk ≈ Cbc ∙ (– A).

59

[Type text]

Jednačina (*) predstavlja Omov zakon za ulazni dio pojačavača. Iz jednačine se vidi da se zbog kapacitivnosti Cbc ulaz pojačavača ponaša kao da je između njega i mase priključen kondenzator kapacitivnosti Cuk.

Pojačanje A je negativno i znatno veće od 1 (npr. -100), pa je Cuk >> Cbc i iznosi približno – A ∙ Cbc. Ako je npr. A = -100 i Cbc = 5pF, ulazna kapacitivnost je povećana prisustvom kapacitivnosti Cbc za 500pF. Ako je difuzna kapacitivnost između baze i emitora bila 100pF i ako je povećana zbog kapacitivnosti Cbc za 500pF, to znači da je tada ukupna ulazna kapacitivnost :

C’uk = Cuk + Cbe = 500pF + 100pF = 600pF

Fizičko objašnjenje Milerovog efekta je sledeće: Struja koja teče od ulaza pojačavača kroz Cbc ka izlazu je mnogo veća od

struje koja bi tekla kroz tu istu kapacitivnost ako bi ona bila vezana između ulaza i mase. Izlazni napon je mnogo viši i suprotnog smjera od ulaznog, pa je razlika potencijala između ulaza i izlaza pojačavača mnogo veća nego između ulaza i mase. Zbog toga se kapacitivnost Cbc, koja je vezana između kolektora i baze, ponaša kao da je vezana između baze i emitora i da iznosi Cbc ∙ (– A).

Ekvivalentna šema ulaznog kola na visokim učestanostima

Na slici je ulazni dio pojačavača na koji je priključen kondenzator sa unutrašnjom otpornošću Rg. Rg i C’uk čine niskofrekventni filtar (propušta signale niskih učestanosti, a signale visokih učestanosti slabi odvodeći ih kroz kondenzator C’uk na masu).

Na niskim učestanostima ovaj filtar nema slabljenja pa je U1 = E.Na visokim učestanostima kroz C’uk teče struja

I = E / (Rg + 1/ jω∙C’uk)

Napon na ulazu pojačavača jednak je impedansi kondenzatora C’uk

pomnoženoj sa ovom strujom:

60

[Type text]

U1 = (1 / jω∙C’uk) ∙I = E / (1 + jω∙C’

uk ∙ Rg)

Na visokim učestanostima apsolutna vrijednost napona je:

Na gornjoj graničnoj učestanosti fg ovaj napon opadne puta. Tada je izraz pod korijenom jednak 2:

Skraćivanjem za 1, korijenovanjem i dijeljenjem sa C’uk ∙ Rg dobije se:

Zamjenom i dijeljenjem sa dobije se:

Ako je Rg zanemarljivo mala (50Ω kod generatora funkcija), tada je gornja granična učestanost pojačavača jednaka:

U praksi je nešto niža granična učestanost (2 do 3 MHz) zbog drugih parazitnih kapacitivnosti.

Ako je Rg velika gornja granična učestanost se snižava i za npr. 2kΩ iznosi 132kHz.

Oblast između donje granične učestanosti fd i gornje fg se upotrebljava za normalno pojačanje napona i naziva se propusni opseg pojačavača.

Ako se na izlaz jednog pojačavača priključi ulaz sledećeg, tada se izlazna impedansa prvog pojačavača ponaša za njega kao unutrašnja otpornost generatora. Zato će u praksi prvi pojačavački stepen imati visoku gornju graničnu učestanost (npr. 2MHz), a drugi i svaki sledeći nisku (npr. 100kHz). Ukupna gornja granična učestanost oba pojačavača niža je od najniže u lancu.

Pojačavač sa zajedničkim kolektoromČesto se naziva i emitorski pojačavač.

61

[Type text]

Pojačavać sa zajedničkim kolektorom

Kolektor je zajednička elektroda zato što je za naizmjeničnu struju spojen na masu preko EC. Ulaz pojačavača za naizmjeničnu struju je između baze i kolektora, a izlaz je između emitora i kolektora. Na ulazu je generator ems E i unutrašnje otpornosti Rg (kog ovog pojačavača je važna vrijednost Rg). Otpornici Rb1 i Rb2 služe za stabilizaciju jednosmjerne radne tačke. Izlazni napon U2 se nalazi na otporniku Re na koji se može priključiti potrošač.

Jednosmjerni napon na Re se bira tako da je približno EC/2. Zato su otpornici Rb1 i Rb2 jednaki pa je napon na bazi tranzistora jednak EC/2.

Ekvivalentna šema pojačavača sa zajedničkim kolektorom

Za prvu konturu se može napisati II Kirhofov zakon:

E – Rg ∙ Ib – h11e ∙ Ib – h21e ∙ Re ∙ Ib = 0

Struje i napone posmatramo kao naizmjenične veličine, i uzimamo da je Ic ≈ Ie.

62

[Type text]

Izvlačenjem Ib ispred zagrade dobije se:

E – Ib ∙ (Rg + h11e + h21e ∙ Re)= 0

Pošto je h21e ∙ Re >> Rg + h11e slijedi da je:

E – Ib ∙ h21e ∙ Re = 0

Zamjenom Ic = h21e ∙ Ib slijedi:

E – Ic ∙ Re = E – U2 = 0

odnosno: E = U2

Pošto je pad napona na Rg i h11e zanemarljivo mali, to je E ≈ U1 ≈ U2 pa je naponsko pojačanje:

Ulazna struja je jednaka Ib, a izlazna struja je jednaka struji koja teče kroz Re i jednaka je približno Ic, pa je strujno pojačanje:

Ulazna otpornost pojačavača jednaka je količniku napona U1 i struje Ib:

Pošto je (sa ekvivalentne šeme)

U1 = h11e ∙ Ib + Re ∙ Ic = h11e ∙ Ib + Re ∙ h21e ∙ Ib = (h11e + Re ∙ h21e ) ∙ Ib

zamjenom se dobija

Kako je h21e ∙ Re >> h11e slijedi da je

Rul ≈ h21e ∙ Re

Ulazna otpornost je relativno velika. Npr. Za Re = 1kΩ i h21e = 300 imamo da je Rul = 300kΩ.

U praksi je to manje jer su paralelno ulaznoj otpornosti vezani otpornici Rb1 i Rb2.

Izlazna otpornost je jednaka količniku izlaznog napona praznog hoda U20 i izlazne struje kratkog spoja Icks:

63

[Type text]

Pošto je U2=E, to znači da je napon praznog hoda u stvari napon U2. Struja kolektora kod kratkog spoja na izlazu Icks se dobije kada se otpornik Re

kratko spoji kao na sledećoj šemi:

Šema za određivanje struje kratkog spoja

Sada je struja baze kratkog spoja Ibks na izlazu veća i jednaka je:

Odavde je

Sada je:

Riz i Re su vezane paralelno, a pošto je Re >> Riz, onda se Re može zanemariti.

Iz jednačine se vidi značaj otpornosti izvora Rg jer Riz zavisi i od Rg.

Primjer:Neka je Rg = 600Ω, h11e = 3kΩ i h21e = 100.Tada je Riz = (3000Ω + 600Ω)/100 = 36Ω

Prema tome, pojačavač sa zajedničkim kolektorom ima naponsko pojačanje približno jednako jedinici, veliku ulaznu otpornost i malu izlaznu otpornost.

Koristi se za prilagođenje impedanse između dva pojačavačka stepena. Npr. ako prethodni pojačavački stepen ima veliku izlaznu otpornost, a sledeći

64

[Type text]

malu ulaznu otpornost, onda se između njih stavlja pojačavač sa zajedničkim kolektorom (emitorski pojačavač).

Emitorski pojačavač se često koristi i kao strujni pojačavač u pojačavačima snage jer ima veliko strujno pojačanje.

Pojačavač sa zajedničkom bazom

Pojačavač sa zajedničkom bazom

Pojačavač sadrži sve elemente za stabilizaciju radne tačke (Rb1, Rb2 i Re), a baza mu je za naizmjeničnu struju uzemljena preko kondenzatora Cb. Ulazni napon U1 se dovodi na emitor, a izlazni pojačani napon U2 se odvodi sa kolektora tranzistora. Time je prekinuta veza između ulaza i izlaza pojačavača preko parazitne kapacitivnosti između baze i kolektora (Cbc).

Ovaj pojačavač se koristi na visokim učestanostima (iznad 100khz), čak i u oblasti mikrotalasa (npr. 5GHz).

Pojednostavljena ekvivalentna šema (bez Rb1, Rb2 i Re) prikazana je na sledećoj slici:

65

[Type text]

Pojednostavljena ekvivalentna šemaBaza je zajednička, pa je zato priključena na masu. Re je izostavljena jer

je znatno veća od ulazne otpornosti pojačavača.Ulazni napon je priključen između emitora i baze (kod pojačavača sa ZE

je bio između B i E).Ulazna struja I1 je jednaka struji emitora Ie, a izlazna struja Ip je jednaka

negativnoj struji kolektora –Ic (sa šeme). Pošto su ove struje (Ie i Ic) približno jednake, ovo pojačanje je približno jednako jedinici:

Ulazni napon je priključen između emitora i baze i iznosi:

U1 = -h11e ∙ Ib

Znak – postoji zato što struja Ib ide od negativnog ka pozitivnom kraju napona U1.

Izlazni napon U2 je jednak naponu na potrošaču Rc i iznosi:

U2 = Ip ∙ Rc = -Ic ∙ Rc = -h21e ∙ Ib ∙ Rc

Naponsko pojačanje je :

Naponsko pojačanje je pozitivno, a to znači da ovaj pojačavač ne obrće fazu.

Ulazna otpornost se dobija dijeljenjem ulaznog napona sa ulaznom strujom, gdje je:

U1 = -Ube, Ie = -Ic = -h21e∙Ib i Ube / Ib = h11e

pa imamo:

66

[Type text]

Primjer:Neka je h11e = 3000Ω, h21e = 100.Tada je Rul = h11e / h21e = 3000Ω / 100 = 30Ω

I ovdje se Re (koja je vezana paralelno sa Rul) može zanemariti jer je mnogo veća od Rul (tipično je Re = 1kΩ).

Izlazna otpornost je ista kao i kod pojačavača sa zajedničkim emitorom jer je na izlazu otpornost Rc.

Prema tome, pojačavač sa zajedničkom bazom ima strujno pojačanje približno jednako jedinici, malu ulaznu otpornost, naponsko pojačanje i izlaznu otpornost kao kod pojačavača sa zajedničkim emitorom.

Naponsko i strujno pojačanje je pozitivno.Mana ovog pojačanja je mala ulazna otpornost, pa se zato kombinuje

sa pojačavačem sa zajedničkim kolektorom ili sa zajedničkom bazom.

FET-ovi

Spojni tranzistori sa efektom polja

Kod ovih tranzistora proticanje struje se kontroliše pomoću električnog polja kojeg stvara priključeni napon na upravljačkoj elektrodi. Zato im je naziv FET ili Field Efect Transistor. Pošto struju kroz FET čini samo jedna vrsta nosioca (elektroni ili šupljine), zovu se još i unipolarni tranzistori.

67

[Type text]

Presjek feta sa kanalom N-tipa i priključenim naponima i njegova oznaka

FET na slici ima provodni kanal N-tipa na kojeg su priključene dve elektrode, sors (izvor) i drejn (odvod). Kontrolna oblast je P-tipa, direktno je spojena sa kanalom N-tipa (odatle je naziv spojni), na nju je priključen gejt (vrata). Elektroni se kreću od sorsa ka drejnu, a pomoću gejta se kontroliše njihov protok.

Izvor napajanja ED se priključuje između drejna (pozitivan kraj) i sorsa (negativan kraj). Izvor napajanja EG se priključuje između gejta (negativan kraj) i sorsa (pozitivan kraj).

Posmatraćemo prvo slučaj kada je napon između D i S nizak (npr. 1V), a napon između G i S se mijenja od nule ka negativnim vrijednostima.

Ako je napon UGS = 0 tada je oblast prostornog naelektrisanja uska i kanal je širok. Kanal ima malu otpornost i kroz njega teče realtivno velika struja (5mA).

Ako se napon UGS poveća u negativnom smjeru (npr. –1V, -2V, itd.), širi se oblast prostornog naelektrisanja, i kanal se sužava, zato što negativan napon na gejtu potiskuje elektrone ka drugom kraju kanala. Otpornost kanala je veća, a struja kroz njega je manja.

Ako se napon UGS mnogo poveća u negativnom smjeru (npr. -10V), oblast prostornog naelektrisanja se proširi na cijeli kanal, pa on uopšte ne provodi i struja kroz njega prestaje da teče.

Prema tome, pomoću negativnog napona UGS može da se mijenja struja kroz kanal feta, pa čak i da se potpuno prekine.

U drugom slučaju posmatraćemo da je napon UGS konstantan (npr. –1V), a da se napon UDS mijenja od 0V do 3V.

68

[Type text]

Pri tome, potencijal od sorsa do drejna postepeno raste duž kanala, kao što potencijal raste duž otpornika.

Sužavanje kanala kod povišenja napona UDS

Ako je UDS nizak (oko 0,2V), oko gejta se formira ujednačena oblast prostornog naelektrisanja i kanal je jednako širok. Sa malim povišenjem napona UDS struja raste srazmjerno porastu napona što znači da se u ovoj oblasti fet ponaša kao otpornik.

Karakteristika feta za jedan napon UGS

Ako se UDS povisi na UDS2 povišava se inverzni napon PN-spoja između gejta i drejna i proširuje se oblast prostornog naelektrisanja u blizini drejna. U blizini sorsa proširenja nema jer je inverzni napon između kanala u ovom dijelu i gejta nizak.

69

[Type text]

Ako se naponUDS još više povisi na UDS3, oblast prostornog naelektrisanja se još proširi i skoro prekrije cijeli kanal, ostavljajući usku oblast za prolazak elektrona. Time se povećava otpornost kanala, struja ostaje približno konstantna.

Oblast od UDS = 5V do UDS = 30V se zove oblast zasićenja i u njoj se fetovi koriste kao pojačavači.

Prevelikim povećanjem napona UDS (npr. preko 30V) struja naglo raste, i ako se ne ograniči, dolazi do proboja kanala i proboja feta.

Izlazne karakteristike feta se daju u obliku familije.

Izlazne karakteristike feta

Za različite napone UGS dobije se različit nagib karakteristike kod niskih napona UDS, pa se tako pomoću napona UGS može mijenjati otpornost kanala.

Snimanje karakteristika feta se obavlja pomoću kola na slici.

Kolo za snimanje karakteristika fetaIzvor EG daje negativan napon u odnosu na masu, a izvor ED daje

pozitivan napon u odnosu na masu. Negativni napon UGS se podešava potenciometrom P1, a mjeri voltmetrom V1. Otpornik Rz (oko 10kΩ) služi za zaštitu ulaznog kola, a otpornik Rd (oko 1kΩ) za zaštitu izlaznog kola od

70

[Type text]

pogrešnog uključivanja. Napon UDS se podešava potenciometrom P2, a mjeri elektronskim voltmetrom V2.

Prilikom snimanja, kao parametar se postavlja određeni napon UGS, potenciometrom P2 se mijenja napon UDS (u skokovima po 1V), a miliampermetrom se mjeri struja ID.

Osim izlaznih, fet ima i prenosne karakteristike ID = f(UGS), UDS = const.Za određeni negativni napon gejta struja ID prestaje da teče. To je prekidni

napon i obilježava se sa UGSOF. Pomjeranjem napona UGS ka nuli struja ID raste i maksimalna je za UGS = 0.

(Napon UGS se ne povećava preko nule u pozitivnom smjeru)

Prenosna karakteristika feta za jedan napon UDS i prenosne karakteristike feta za dva napona UDS

Snimanje prenosnih karakteristika se vrši tako što se za UDS = const, napon UGS mijenja od 0V u negativnom smjeru dok ne prestane da teče struja ID

u skokovima po 0,5V.Zbog simetrične strukture, kod nekih fetova sors i drejn mogu da

zamijene mjesta, a da im se ne promijene karekteristike.Karakteristike fetova se mnogo razlikuju kod različitih primjeraka istog

tipa. Fetovi se proizvode u planarnoj tehnologiji. Napon UDS može da bude do

30V, snaga do 300mW, ne daje se maksimalna struja, nego struja koja teče za napon UGS = 0V i obično je od 2mA do 20mA.

71

[Type text]

a) Presjek feta u planarnoj tehnici b) oblik poluprovodničke pločice c) primjer spoljnih oblika feta

Kod P kanalnog feta, kanal je od poluprovodnika P tipa, a gejt je N tipa. Svi naponi i struje imaju smjer suprotan smjeru kod N kanalnog feta. Rjeđe se proizvodi od N kanalnog.

Oznaka P- kanalnog feta

FETOVI SA IZOLOVANIM GEJTOM (MOSFET-ovi)MOS predstavlja skraćenicu od Metal Oxide Semiconductor što

označava tri sloja: metal – oksid – poluprovodnik.Postoje dve vrste MOSFET-ova:- Sa indukovanim kanalom- Sa ugrađenim kanalom

MOSFET-ovi sa indukovanim kanalom

72

[Type text]

Ovi fetovi normalno ne sadrže provodni kanal kada je napon na gejtu jednak nuli. Tek priključivanjem odgovarajućeg napona na gejtu formira se kanal i struja kroz njega može da teče.

Presjek MOSFET-a sa indukovanim kanalom N-tipa

Kod MOSFET-a na slici osnovni materijal je podloga P-tipa, na kojoj se difuzijom formiraju dve N+ oblasti (za sors i za drejn). Na površinu poluprovodnika se nanosi kao izolator sloj silicijum dioksida, a na njega sloj metala koji služi kao gejt. Gejt mora djelimično da prekrije sors i drejn, da bi se omogućilo da kanal dopire do obe elektrode. Na N+ oblasti se nanose slojevi metala koji služe kao priključci za sors i drejn.

Ako nisu priključeni nikakvi naponi između elektroda MOSFET-a, oko sorsa i drejna se formira oblast prostornog naelektrisanja.

Oblast prostornog naelektrisanja kod MOSFET-a

Ako je napon UGS = 0, elektroni ne mogu da se kreću od sorsa ka drejnu jer je između njih P-oblast (u kojoj su šupljine glavni nosioci naelektrisanja). Povećanjem napona UGS u pozitivnom smjeru dolazi do privlačenja iz P-oblasti sporednih nosilaca elektriciteta – elektrona i oni se gomilaju na površini poluprovodnika. Taj nagomilani sloj elektrona omogućava kretanje elektrona iz sorsa ka drejnu, tj. predstavlja naknadno formirani (indukovani) kanal. Do toga dolazi za neki minimalni napon UGS koji se zove napon praga.

73

[Type text]

Formiranje kanala na površini poluprovodnika

Ako se pozitivan napon UGS održava konstantnim, a povećava napona UDS, povećava se struja kroz kanal i on se ponaša kao otpornik.

Daljim povećanjem napona UDS širi se oblast prostornog naelektrisanja i sužava se kanal u blizini drejna.

Sužavanje kanala u blizini drejna

Struja kroz kanal ostaje približno konstantna pa se ova oblast zove oblast zasićenja.

74

[Type text]

Izlazne karakteristike MOSFET-a sa indukovanim kanalom N-tipa

Prilikom snimanja izlzanih karakteristika napon gejta se mijenja od nule ka pozitivnim vrijednostima.

Lijevo od iscrtane linije je triodna oblast u kojoj se MOSFET ponaša kao otpornik. Oblast desno se zove oblast zasićenja i njoj se MOSFET koristi kao pojačavač. Još više desno je oblast proboja.

MOSFET sa indukovanim kanalom ima i prenosnu karakteristiku ID=f(UGS).

Prenosna karakteristika MOSFET-a sa indukovanim kanalom N-tipa

Struja ID ne teče dok napon gejta ne dostigne napon praga UGST (od 1 do 6V).

MOSFET sa indukovanim kanalom može da bude i P-kanalni. Tada su svi naponi i struje obrnutog smjera u odnosu na N-kanalni MOSFET.

75

[Type text]

Oznaka MOSFET-a sa indukovanim N kanalom i P kanalom

Strelice na oznakama pokazuju PN-spoj između podloge i kanala.

MOSFET sa indukovanim kanalom se koristi u digitalnim integrisanim kolima jer zauzimaju malo prostora na poluprovodničkoj pločici.

MOSFET-ovi sa ugrađenim kanalomSadrže provodni kanal i kada je napon UGS = 0. Mijenjanjem napona

UGS u pozitivnom ili negativnom smjeru kanal će biti više ili manje provodan.

Presjek MOSFET-a sa ugrađenim kanalom N-tipa

Na osnovi P-tipa se formiraju dve N+ oblasti sa metalnim kontaktima koji čine sors i drejn. U površinskom sloju poluprovodnika između sorsa i drejna postoji sloj poluprovodnika N-tipa koji čini kanal. Na kanalu je sloj silicijum dioksida i na njemu je sloj metala koji čini gejt.

Ako je UGS = 0 i ako se priključi napon UDS kao na slici, onda struja protiče kroz kanal.

76

[Type text]

Proticanje struje kroz kanal za UGS = 0

Ako se napon UGS poveća u negativnom smjeru, sužava se kanal i smanjuje se struja kroz njega. Tada MOSFET radi praktično kao FET.

Proticanje struje kroz kanal za UGS < 0

Dovoljno visok negativni napon na gejtu prekida struju kroz kanal.

Ako se na gejt dovede pozitivan napon, to će privlačiti elektrone iz podloge i kanal se širi.

Izlazne i prenosne karakteristike MOSFET-a sa ugrađenim kanalom su slične prethodnim.

77

[Type text]

Izlazne karakteristike MOSFET-a sa ugrađenim kanalom

Prenosne karakteristike MOSFET-a sa ugrađenim kanalom

Razlika je u tome što se prenosna karakteristika produžava u oblast gdje je napon UGS pozitivan.

Oznaka MOSFET-a sa ugrađenim kanalom prikazana je na slici.

Oznaka za N-kanalni i P-kanalni MOSFET sa ugrađenim kanalom

Kod ovog MOSFET-a oblast gejta ne prekriva oblasti sorsa i drejna. Time je smanjena kapacitivnost između gejta i ove dve elektrode, pa je zato MOSFET

78

[Type text]

sa ugrađenim kanalom pogodan za rad na visokim učestanostima (npr. na 200MHz).

MOSFET sa dva gejta Većina fetova slabo radi na visokim učestanostima zbog kapacitivnosti

između ulazne i izlazne elektrode. Zato se ponekad koriste dva povezana MOSFET-a sa ugrađenim kanalom na jednoj podlozi, kao na slici.

Presjek MOSFET-a sa dva gejta

Ekvivalentna i šematska oznaka MOSFET-a sa dva gejta

Izlazne karakterisitke se obično daju za jedan gejt, dok se drugi drži na stalnom potencijalu.

Npr. kapacitivnost između drejna i gejta G1 je oko 0,02 pF.Koriste se najviše kao pojačavači na vrlo visokim učestanostima (npr. na

200MHz), za mješanje dvije učestanosti. (Miješanjem dvije učestanosti dobije se njihov zbir ili razlika.)

VMOSFET-ovi

79

[Type text]

Proizvode se od 1976. godine, imaju kratak i širok kanal i relativno veliku struju. Kanal je postavljen vertikalno pa se zato zove VMOSFET (vertikalni MOSFET).

Presjek VMOSFET-a

Osnova je poluprovodnik N+ tipa na kome se formira epitaksijalni sloj od poluprovodnika N tipa. U epitaksijalnom sloju se difuzijom formira P-sloj, u kome može da se indukuje provodni kanal. Na površinskom dijelu P-poluprovodnika se difuzijom formira N+ oblast, koja predstavlja sors.

Posebnim postupkom nagrizanja se formira kanal ″V″ oblika. Na njegovu površinu se nanosi sloj SiO2, na koji se nanosi metalni sloj koji čini gejt. Drejn je sa donje strane priključen na N+ podlogu.

Ako se na gejt priključi dovoljno pozitivan napon, u P-oblasti se formira provodni kanal i struja teče od drejna ka sorsu.

Izlazne karakteristike VMOSFET-aIzlazne karakteristike su veoma slične karakteristikama MOSFET-a sa

indukovanim kanalom u planarnoj tehnici, samo su vrijednosti struja drejna mnogo veće.

80

[Type text]

Vrijednost ID je tipično nekoliko ampera, mada može da bude i do 200A. Maksimalna dozvoljena snaga može biti dosta velika (nekoliko desetina vata pa do 125 W).

Koriste se kao brzi prekidači u elektronskim kolima relativno velike snage, za pojačanje snage na vrlo visokim učestanostima.

Posebna osobina im je što se pri zagrijavanju povećava otpornost provodnog kanala i tako smanjuje struja pa teže dolazi do nekontrolisanog pregrijavanja ove vrste tranzistora.

POJAČAVAČI SA FET-ovima

Jednosmjerni režim rada pojačavača sa fetovimaPoložaj radne tačke kod FET-ova je teže definisati i stabilizovati nego kod

bipolarnih tranzistora. Posmatraćemo prvo pojačavač sa spojnim tranzistorom sa efektom polja.

Osnovni pojačavač sa fetom

Glavni napon napajanja ED se priključuje između drejna i sorsa preko otpornika Rd, a napon za polarizaciju gejta EG između gejta i sorsa preko otpornika Rg.

Otpornik Rg ima veliku otpornost i sprečava spajanje ulaza sa masom za naizmjeničnu struju preko izvora Eg. Na otporniku Rd se dobije izlazni pojačani napon.

Izlazne karakteristike feta su prikazane na slici:

81

[Type text]

Radna prava pojačavača sa fetom

Drugi Kirhofov zakon ima oblik:

ED – Rd ∙ ID – UDS = 0

Izdvajanjem struje ID dobije se :

Ovo je jednačina prave koju treba provući kroz dve tačke.Prva tačka se dobije za ID = 0, tada je UDS = ED. Ova tačka je na horizontalnoj osi i označena je sa B.

Druga tačka se dobije za UDS = 0, tada je ID = ED/Rd.

Ova tačka je na vertikalnoj osi i označena je sa C.Kroz tačke B i C se crta radna prava.

Jednosmjerna radna tačka se bira da bude na sredini radne prave da bi napon UDS i struja ID mogli da se povećavaju i opadaju. Često je pogodnije da bude pomjerena malo udesno da bi se izbjegle nelinearnosti u oblasti malih napona UDS. Sa slike se vidi da je poterebno da UGS bude -2V, tj. toliki treba da bude napon izvora EG.

Karakteristike feta se mogu mnogo razlikovati od jednog do drugog primjerka istog tipa. Zbog toga se neki fetovi grupišu u podvrste: Npr. BF245 ima podvrste BF245A, BF245B (najviše se koristi) i BF235C.

Na stabilnost radne tačke utiče i promjena temperature.

82

[Type text]

Zavisnost prenosnih karakteristika od temperature

Prenosne karakteristike kod različitih primjeraka iste vrste feta

Sa slike se vidi da nije sigurno da će pojačavač uopšte raditi ako se na gejt dovodi napon iz posebnog izvora. Npr. neka se na gejt dovede napon od -2V, i radna tačka treba da bude u tački A. Može se desiti da za drugi primjerak iste vrste feta struja ID prestane da teče i da pojačavač uopšte ne radi, ili struja može da bude prevelika.

Zbog toga je povoljnije rješenje automatski prednapon, koji se dobije stavljanjem otpornika Rs u kolo sorsa.

83

[Type text]

Pojačavač sa automatskim prednaponom

Otpornik Rg služi za spajanje gejta sa masom i ima veliku otpornost (od 100 kΩ do 10 MΩ). Pošto je ulazna otpornost feta beskonačno velika, Rg je ulazna otpornost ovog tipa pojačavača.

Radna tačka kod različitih primjeraka iste vrste feta

Na slici je sa a označena tipična prenosna karakteristika ID = f(UGS), minimalna sa v, a maksimalna sa b.

Kroz otpornik Rg ne teče struja i napon na njemu je jednak nuli, pa je zato:

US = Rs ∙ ID = -UGS Odavde je:

84

[Type text]

Ovo je jednačina prave koja počinje iz koordinatnog početka. Druga tačka se određuje na osnovu struje ID i napona –UGS = US koji se određuje iz tipičnih karakteristika feta.

Sa slike: Za ID = 4 mA je –UGS = 2V = Us Sada se može odrediti otpornost Rs pa je:

Rs = US / ID = 2V/4mA = 500Ω

Na presjeku ove prave i prenosne karakteristike je radna tačka. Kod tipičnih karakteristika a radna tačka je A, kod minimalnih je A′, a kod maksimalnih je A″. U sva tri slučaja struja kroz fet je različita, pa se jednosmjerni napon između drejna i mase može mnogo da razlikuje od slučaja do slučaja.

Polarizacija MOSFET-a sa indukovanim kanalom se izvodi kao na slici.

Pojačavač sa MOSFET-om sa indukovanim kanalom

Na drejn se dovodi pozitivan napon, a na gejt manje pozitivan napon dobijen pomoću razdjelnika napona Rg1 i Rg2.

Napon gejta kod MOSFET-a sa ugrađenim kanalom može da bude pozitivan, negativan ili jednak nuli. U praksi je obično negativan i polarizacija elektroda je kao kod feta. Jedino je kod MOSFET-a sa dva gejta pozitivan napon na drugom gejtu.

85

[Type text]

Radna prava

Parametri FET-aKod određivanja parametara FET-a potrebno je FET predstaviti pomoću

otpornika, strujnih i naponskih generatora.Na ulazu FET-a je inverzno polarsani PN-spoj, pa je njegova ulazna

otpornost veoma velika (oko 1GΩ). Zato je za jednosmjernu struju i signale niskih učestanosti ulaz odvojen od ostalih elemenata FET-a, pa ne treba određivati zavisnost ulaznog napona od ostalih elemenata FET-a.

Promjena jednosmjerne struje ID (izražena kao naizmjenična struja Id) zavisi od ulaznog napona Ugs i izlaznog napona Uds:

Id = gm ∙ Ugs + go ∙ Uds

Određivanje parametra gm

Odavde se može naći parametar gm:

Id = gm ∙ Ugs za Uds = 0 ili UDS = const

86

[Type text]

Odavde je:

Parametar gm se zove strmina FET-a. Sa slike je: (1Simens)

Drug parametar je go, a dobije se iz prve jednačine za UGS = const, tj.

Id = go ∙ Uds za Ugs = 0 ili UGS = const

Odavde je:

Određivanje parametra go

Sa slike je: (simensa)

Parametar go se zove izlazna provodnost FET-a.

Na slici je ekvivalentna šema FET-a, gdje je na ulaz doveden napon U1=Ugs, tu je kolo prekinuto jer na ulazu nema struje.

87

[Type text]

Ekvivalentna šema feta

Struja Id se sastoji iz dva dijela i grana se na gm ∙ Ugs i go ∙ Uds. Zato na izlazu imamo strujni generator gm ∙ Ugs jer ne postoji neposredna veza napona Ugs i struje Id. Izraz go ∙ Uds označava da je drugi dio struje Id srazmjeran naponu Uds to je izraženo parametrom go koji ma dimenzije provodnosti.

Pošto je parametar go veoma mali, on se može zanemariti pa se za go≈0 iz prve jednačine dobije:

Id = gm ∙ Ugs

i odavde se može nacrtati pojednostavljena ekvivalentna šema.

Pojednostavljena ekvivalentna šema

Na ulaz FET-a se dovodi nazmjenični napon Ugs, ali zbog velike otpornosti u gejt ne teče struja, pa je nacrtan prekid.

Izlazna struja potiče od strujnog generatora gm ∙ Ugs.

Na visokim učestanostima postoje štetne kapacitivnosti koje utiču na karakteristike FET-a. (slika)

Tipične vrijednosti ulazne kapacitivnosti CGS su od 5 do 10 pF, povratne CDG od 1 do 5 pF, a izlazne CDS od 1 do 5 pF.

88

[Type text]

Ekvivalentna šema feta na visokim učestanostima

Kod MOSFET-a ekvivalentna šema vrijedosti parametara su slični, jedino je ulazna otpornost još veća i iznosi od 1010 Ω do 1015 Ω.

Pojačavač sa zajedničkim sorsom

Grafička analiza pojačanja:

Pojačavač sa fetom i pobudnim generatorom

Između gejta i sorsa je negativan prednapon. Između drejna i sorsa je jednosmjerni napon radne tačke UDS. Između sorsa i mase je kondenzator Cs, koji je kratak spoj za naizmjeničnu struju. Na ulazu je naizmjenični napon U1, a na izlazu se dobije pojačan naizmjenični napon U2.

89

[Type text]

Za grafičku analizu pojačanja koriste se prenosne i izlazne karakteristike feta.

Grafičko određivanje pojačanja pojačavača sa fetom

Ulazni naizmjenični napon u1 se u pozitivnoj poluperiodi sabira sa jednosmjernim negativnim prednaponom UGS, pa se dobije viši ukupni napon UGS1, i veća struja drejna ID1, pa se dalje dobije niži napon UDS1.

Zaključak: Za pozitivnu poluperiodu naizmjeničnog napona na ulazu pojačavača dobije se negativna poluperioda naizmjeničnog napona na izlazu.

Analogno tome, za negativnu poluperiodu naizmjeničnog napona na ulazu pojačavača dobije se pozitivna poluperioda naizmjeničnog napona na izlazu.

Ovo kolo je pojačavač za naizmjeničnu struju jer se za manju promjenu naizmjeničnog napona na ulazu dobije veća promjena naizmjeničnog napona na izlazu pojačavača.

Sa slike je za pozitivnu poluperiodu na ulazu pojačanje -3V/1V = -3, a za negativnu poluperiodu na ulazu pojačanje je 2,5V/(-1V) 0 -2,5V.

Pojačanje je uvijek negativno, tj. ulazni i izlazni napon su u protivfazi. Izlazni napon je izobličen jer se više pojačava pozitivna poluperioda od negativne.

Pojačanje napona:Određuje se pomoću ekvivalentne šeme pojačavača sa fetom.

90

[Type text]

Ekvivalentna šema pojačavača sa fetom

Drugi kraj otpornika Rd je priključen na masu jer izvor napajanja ED

predstavlja kratak spoj za naizmjeničnu struju.Pojačanje struje je veoma veliko i ne računa se jer je ulazna struja veoma

mala, i uzima se da je orijentaciono oko 109 puta.Naponsko pojačanje je:

Primjer:Za Rd = 1kΩ, gm = 5mA/V dobije se Au = -5Naponsko pojačanje je malo i znatno manje nego kod bipolarnih

tranzistora.Pojačanje snage se ne računa jer nije tačno poznato pojačanje struje, ali je

veoma veliko zbog velikog pojačanja struje.

Određivanje izlazne struje kratkog spoja

Izlazna otpornost je jednaka količniku izlaznog napona praznog hoda i struje kratkog spoja:

91

[Type text]

Primjer: Za Rd = 3kΩ toliko je i Riz.

Određivanje kapacitivnosti kondenzatora Cs:

Na srednjim i visokim učestanostima kondenzator je kratak spoj za naizmjeničnu struju, sors je na masi i vrijedi:

U1 = Ugs

Na niskim učestanostima kondenzator više nije kratak spoj za naizmjeničnu struju, impedansa kondenzatora se povećava i pojačanje se smanjuje, pa imamo ekvivalentnu šemu:

Određivanje kapacitivnosti Cs

Kondenzator Cs je između sorsa i mase, pa vrijedi:

U1 = U'gs + Id 1/(jCs)

Pošto je Id = gm U'gs slijedi da je:

U1 = U'gs + gmU'gs1/(jCs) = U'gs[1+gm1/(jCs)]

Pojačanje pojačavača opadne za puta kada napon U'gs postane puta niži od napona U1, tj. kada je moduo izraza u zagradi jednak :

Kvadriranjem, skraćivanjem za 1 i korijenovanjem dobije se:

92

[Type text]

Odavde se dobije vrijednost kapacitivnosti Cs za koju je pojačanje na donjoj graničnoj učestanosti fd, tj. kružnoj učestanosti d opalo puta:

Primjer: Za gm = 3mA/V i fd = 50Hz dobije se Cs =9,55F 10FPojačavač sa zajedničkim sorsom se primjenjuje kad je potrebna velika

ulazna otpornost, npr. kod ulaznih pojačavača u raznim uređajima (audio-pojačavači, elektronski instrumenti, ...).

Pojačavač sa zajedničkim gejtom

Pojačavač sa zajedničkim gejtom

Gejt je na masi, a automatski prednapon se dobija pomoću otpornika Rs. Napon iz pobudnog generatora se dovodi na sors, a pojačani napon se odvodi sa drejna.

93

[Type text]

Ekvivalentna šema pojačavača sa zajedničkim gejtom

Iz ekvivalentne šeme je:U1 = Usg = -Ugs

U2 = Ip ∙ Rd = -Id ∙ Rd = -gm ∙ Ugs ∙ Rd

Odakle slijedi:

Naponsko pojačanje je isto kao kod pojačavača sa zajedničkim sorsom, samo je pozitivno.

Pošto je ulazna struja jednaka izlaznoj, slijedi da je strujno pojačanje jednako jedinici, tj. Ai = 1.

Ulazna otpornost iznosi:

Primjer:Za gm = 3mA/V, je Rul = 1/(3mA/V) ≈ 300ΩOtpornost Rs je obično nekoliko puta veća pa je ukupna ulazna otpornost

približno jednaka 1/gm.

Izlazna otpornost je Riz = Rd, kao i kod pojačavača sa zajedničkim sorsom, jer im je izlazni dio kola isti.

Pojačavač sa zajedničkim sorsom se koristi na visokim i vrlo visokim učestanostima (npr. Na 100MHz).

94

[Type text]

Pojačavač sa zajedničkim drejnom

Pojačavač sa zajedničkim drejnom

Izlazni napon U2 se oduzima od ulaznog napona U1 i njihova razlika se vodi na ulaz feta, tj. vrijedi:

Ugs = U1 – U2

Ekvivalentna šema pojačavača sa zajedničkim drejnom

Struja drejna je:Id = gm ∙ Ugs = gm ∙ (U1 – U2) = gm ∙ U1 – gm ∙ U2

Pošto je:

Zamjenom se dobije:

95

[Type text]

Odakle je dalje:

Naponsko pojačanje je:

Naponsko pojačanje će biti blisko jedinici kada je Rs bar 10 puta veće od 1/gm.

Primjer:Za gm = 3mA/V i Rs = 1kΩ je Au = 0,75

Izlazna otpornost je jednaka količniku napona praznog hoda U20 i struje kratkog spoja Iks.

Pošto je U20 ≈ U1 i Iks = gm ∙ U1 slijedi:

Primjer:Za gm = 3mA/V je Riz ≈ 300Ω.Pošto je Riz paralelno vezano sa Rs koje je obično oko 1kΩ, slijedi da je

ukupna izlazna otpornost pojačavača praktično jednaka izlaznoj otpornosti feta, tj. oko 300Ω.

Pojačavač sa zajedničkim drejnom se često koristi za prilagođenje impedanse jer ima veliku ulaznu, a malu izlaznu otpornost i naponsko pojačanje blisko jedinici. Zato se koristi na ulazu raznih uređaja.

SLOŽENI POJAČAVAČI

Višestepeni pojačavači

Pojačanje jednog pojačavača je često nedovoljno, pa se često upotrebljava više pojačavačkih stepeni vezanih kaskadno.

96

[Type text]

Višestepeni pojačavač

Na ulaz prvog pojačavačkog stepena je doveden signal koji treba pojačati, na njegov izlaz je vezan ulaz drugog, itd. i na izlaz poslednjeg pojačavačkog stepena priključen je portrošač.

Ako je naponsko pojačanje prvog pojačavačkog stepena Au1, drugog Au2, trećeg Au3 tada je:

U2 = Au1 ∙ U1

U3 = Au2 ∙ U2 = Au1 ∙ Au2 ∙ U1

U4 = Au3 ∙ U3 = Au1 ∙ Au2 ∙ Au3 ∙ U1

Ukupno naponsko pojačanje višestepenog pojačavača jednako je proizvodu pojedinačnih naponskih pojačanja svih pojačavačkih stepeni:

Au = Au1 ∙ Au2 ∙ Au3

a u opštem slučaju je:Au = Au1 ∙ Au2 ∙ Au3 ∙ ...

Primjer kaskadne veze je dvostepeni pojačavač na slici:

97

[Type text]

Dvostepeni pojačavač

Sa izlaza prvog pojačavačkog stepena napon se preko kondenzatora za spregu Cs2 vodi na ulaz sledećeg. Izlaz prvog pojačavača se ne može direkno priključiti na ulaz sledećeg jer je jednosmjerni napon na kolektoru prvog stepena znatno viši od jednosmjernog napona na ulazu drugog. Postavljanjem kondenzatora Cs2 jednosmjerni naponi na kolektoru prvog stepena i bazi sledećeg se razdvajaju, a naizmjenični su spojeni.

Zbog toga je ulazna otpornost drugog pojačavačkog stepena paralelno vezana kolektorskoj otpornosti Rc1 prvog stepena i to samo za naizmjeničnu struju.

Prema tome, otpornost opterećenje prvog pojačavačkog stepena jednako je paralelnoj vezi Rc prvog stepena i Rul drugog:

Pošto je R'c manje od Rc slijedi da je i naponsko pojačanje manje:

Strujno pojačanje je takođe manje jer se izlazna struja dijeli na struju kroz otpornost Rc i otpornost potršača.

U posebnim slučajevima se izlaz jednog pojačavačkog stepena može bez kondenzatora za spregu, tj. direktno priključiti na ulaz sledećeg.

Primjer: Na izlaz pojačavača sa zajedničkim emitorom se često priključuje pojačavač sa zajedničkim kolektorom.

98

[Type text]

Povezivanje pojačavača sa zajedničkim emitorom i zajedničkim kolektorom

Pojačavač sa zajedničkim kolektorom ima malu izlaznu otpornost, pojačanje struje približno jednako h21e i naponsko pojačanje približno jednako jedinici. Ovakvom vezom se dobije mala izlazna otpornost, a pojačavač sa zajedničkim emitorom služi kao razdvojni pojačavač.

Za jedan pojačavački stepen na donjoj graničnoj učestanosti pojačanje je opalo puta, a ako su dva pojačavačka stepena vezana kaskadno, onda je na istoj učestanosti pojačanje opalo ∙ = 2 puta.

Pošto je ukupno pojačanje opalo 2 puta to više nije donja granična učestanost. Donja granična učestanost je sada viša, a propusni opseg je uži i proračun bi se morao vršiti ponovo.

Povratna spregaObični pojačavač ima nestabilno pojačanje koje zavisi od upotrebljenog

primjerka tranzistora, temperature, ..., i koje može mnogo da odstupa od predviđene vrijednosti.

Za popravljanje karakteristika pojačavača koristi se negativna povratna sprega.

Pojačavač sa povratnom spregom sadrži osnovni pojačavač A i kolo povratne sprege β.

99

[Type text]

Osnovna šema pojačavača sa povratnom spregom

Preko kola povratne sprege dio izlaznog signala se vraća na ulaz pojačavača i algebarski sabira sa ulaznim signalom (algebarsko sabiranje je sabiranje sa znakom, tj. ako su znaci napona isti onda se sabiraju, a ako su različiti, onda se oduzimaju).

Povratna sprega može biti pozitivna i negativna:a) Pozitivna povratna sprega se dobije kada se signal koji je vraćen

preko kola povratne sprege sabira sa ulaznim signalom, a koristi se za izradu oscilatora.

b) Negativna povratna sprega se dobije kada se signal koji je vraćen preko kola povratne sprege oduzima od ulaznog signala, a koristi se za popravljanje karakteristika pojačavača.

Kod povratne sprege, sa izlaza osnovnog pojačavača, dio signala se vraća na ulaz preko kola povratne sprege β i algebarski sabira sa osnovnim ulaznim signalom U1. Kolo povratne sprege je obično oslabljivač, tj. na ulaz se vraća dio izlaznog signala β ∙ U2, gdje je β < 1 (npr. β = 0,2).

Sa slike se vidi da je napon na ulazu osnovnog pojačavača Uul jednak algebarskom zbiru ulaznog napona U1 i vraćenog napona preko kola povratne sprege β ∙ U2, tj:

Uul = U1 + β ∙ U2

Ulazni napon Uul se pojačava osnovnim pojačavačem A, pa se na izlazu pojačavača dobije napon:

U2 = A ∙ Uul

Zamjenom se dobije:

U2 = A ∙ (U1 + β ∙ U2) = A ∙ U1 + β ∙ A ∙ U2

Prebacivanjem β ∙ A ∙ U2 na lijevu stranu i djeljenjem sa (1- β ∙ A) dobije se:

100

[Type text]

Pojačanje pojačavača sa reakcijom Ar se dobije djeljenjem izlaznog napona U2 sa ulaznim naponom U1:

Ako je pojačanje A negativno i koeficijent β pozitivan, tada je vraćeni signal u protivfazi sa ulaznim signalom, pa se oduzima od ulaznog signala i imamo negativnu povratnu spregu.

Ako je pojačanje A negativno i koeficijent β negativan, tada je ukupno pomjeranje faze kroz pojačavač i kolo povratne sprege 3600 (ili 00). Vraćeni signal je u fazi sa ulaznim signalom, oni se sabiraju i imamo pozitivnu povratnu spregu.

Prenosni odnos kola povratne sprege jednak je količniku njegovog izlaznog β ∙ U2 i ulaznog napona U2:

Obično je β < 1 (npr. β = 0,2), jer je kolo povratne sprege obično sastavljeno od pasivnih elelenata (otpornici, kalemovi ili kondenzatori).

Slabljenje kola povratne sprege se definiše kao količnik njegovog ulaznog i izlaznog napona:

Obično je veće od jedinice (npr. 1/ β = 1/0,2 = 5).

Povratna sprega može biti naponska i strujna.

Povratna sprega je naponska kada se signal povratne sprege dobije od izlaznog napona, i može biti naponsko-redna i naponsko-paralelna.

Naponsko-redna povratna sprega je kada se vraćeni signal sabira sa ulaznim naponom (slika a).

Naponsko-paralelna povratna sprega je kada se vraćeni signal priključuje paralelno ulaznom signalu (slika b).

Povratna sprega je strujna kada se signal povratne sprege dobije od izlazne struje, i može biti strujno-redna i strujno paralelna.

Kod strujno-redne povratne sprege se napon β''∙I2, koji se dobije iz izlazne struje I2, sabira sa ulaznim naponom U1 (slika v).

Kod strujno-paralelne povratne sprege se vraćeni signal priključuje paralelno ulaznom naponu (slika g).

101

[Type text]

Vrste povratnih sprega: a) naponsko-redna; b) naponsko-paralelna; v) strujno-redna; g) strujno-paralelna

Negativna povratna sprega

Dobija se kada je vraćeni signal u protivfazi sa ulaznim signalom. Primjer je kad je A pozitivno, a kolo povratne sprege ima fazni pomjeraj 180°. Tada je proizvod β∙A negativan.

Ako je β∙A >> 1 tada je:

U ovom slučaju Ar ne zavisi od pojačanja A osnovnog pojačavača. Znači da je Ar približno konstantno, ali je znatno manje (bar 5 puta) od A.

Povratna sprega kod prostijih tranzistorskih pojačavača je najčešće strujna, ali može biti i naponska.

Primjer negativne povratne sprege je prikazan na pojačavaču sa otpornikom za povratnu spregu u kolu emitora, kao na slici.

102

[Type text]

Primjer pojačavača sa negativnom povratnom spregom

Naizmjenična komponenta struje Ic teče i kroz otpornik Re i na njemu stvara napon Re ∙ Ic koji se oduzima od ulaznog napona U1. Koeficijent povratne sprege β pokazuje koliki se dio izlaznog signala vraća na ulaz. Izlazni napon je Uc = - Rc ∙ Ic, a vraćeni napon je –Ue = -Re ∙ Ic.

Koeficijent povratne sprege je:

Odavde je pojačanje pojačavača sa negativnom povratnom spregom:

U praksi treba da bude β∙A > 5, tj. ako je nestabilisano pojačanje A = 100, tada stabilisano pojačanje treba da bude Ar < 20.

Tada se za Rc = 1kΩ i Ar = -20 dobije:

Ovakva emitorska otpornost je suviše mala za stabilizaciju jednosmjerne radne tačke, pa se uvodi još jedan otpornik u kolu emitora, kao na slici.

103

[Type text]

Pojačavač sa negativnom povratnom spregom i dobrom stabilizacijom radne tačke

Otpornik Re1 služi za povećanje ukupne otpornosti u kolu emitora radi efikasnije stabilizacije radne tačke. Povratna sprega zavisi samo od otpornosti Re', jer je otpronik Re1 premošćen kondenzatorom Ce koji onemogućava suviše veliku negativnu povratnu spregu.

Ovakovo kolo ima veću ulaznu otpornost nego pjačavač bez negativne povratne sprege, pa se za ulazno kolo može napisati približan izraz za drugi Kirhofov zakon:

U1 – Ube –Ue = 0

Pošto je Ube = h11e ∙ Ib i Ue = Re' ∙ Ic = Re' ∙ h21e ∙ Ib dobije se:

U1 – h11e ∙ Ib – Re' ∙ h21e ∙ Ib = 0

Prebacivanjem članova sa Ib na desnu stranu i djeljenjem sa Ib dobije se:

Često je h11e << h21e ∙ Re' pa imamo:

Rul ≈ h21e ∙ Re'

Primjer: Za h21e = 300 i Re' = 100Ω je Rul = 30kΩ

Prema tome, primjenom ovakve negativne povratne sprege može se znatno povećati ulazna otpornost.

104

[Type text]

Primjenom negativne povratne sprege se može proširiti propusni opseg pojačavača i popraviti njegova frekvencijska karakteristika.

Primjer:Neka je pojačanje pojačavača na srednjim učestanostima (npr. 1kHz)

jednako -200, neka je fg = 100kHz, i neka je na njoj pojačanje A opalo na -140.Primjenom negativne povratne sprege,

za β = Re' / Rc = 50Ω / 1kΩ = 0,05

tada je pojačanje pojačavača na srednjim učestanostima:

Na gornjoj graničnoj učestanosti bez povratne sprege od 100 kHz pojačanje sa negativnom reakcijom iznosi:

Vidi se da je pojačanje sa negativnom reakcijom na 100kHz neznatno veće od pojačanja na srednjim učestanostima, a to znači da je fg sada znatno viša nego bez negativne reakcije.

Primjenom negativne povratne sprege približno se izjednačava pojačanje u pozitivnoj i negativnoj poluperiodi, a smanjuju se i ostala izobličenja koja nastaju u pojačavaču.

Uz uslov da je β∙A >> 1 pojačanje Ar pojačavača sa negativnom povratnom spregom ne zavisi od pojačanja A osnovnog pojačavača, nego samo od elemenata povratne sprege. Zato će jednako biti pojačane obe poluperiode naizmjeničnog napona i izlazni napon neće biti izobličen.

Kod izvođenja negativne povratne sprege, može se desiti da se ona zbog parazitnih kapacitivnosti i induktivnosti neželjeno pretvori u pozitivnu, i da umjesto pojačavača dobijemo oscilator, tj. kolo koje samo proizvodi naizmjenični napon, ali ne može da posluži kao pojačavač.

Zaključak: Negativna povratna sprega smanjuje pojačanje pojačavača, smanjuje njegova izobličenja, i zavisno od kola može da mu smanji ili poveća ulaznu otpornost.

Darlingtonov spoj

Koristi se kada je potrebno da tranzistor u pojačavaču ima veoma veliki koeficijent strujnog pojačavača (npr. 10000).

105

[Type text]

Osnovni oblik Darlingtonovog spoja

Darlingtonov spoj je veza tranzistora koja takođe ima tri kraja koji čine ekvivalentni kolektor, bazu i emitor.

Za tranzistor T1 vrijedi:

Ic1 = h'21e ∙ Ib1

gdje je:- Ib1 struja baze tranzistora T1,- Ic1 struja kolektora tranzistora T1,- h'21 koeficijent strujnog pojačanja tranzistora T1

Sa slike se vidi da je Ic1 ≈ Ie1 = Ib2, pa za tranzistor T2 vrijedi:

Ic2 = h''21e ∙ Ib2 = h''21e ∙ Ic1 = h''21e ∙ h'21e ∙ Ib1 = h21u ∙ Ib1

Gdje je:- h''21e koeficijent strujnog pojačanja tranzistora T2

- h21u ekvivalentni (ukupni) koeficijent strujnog pojačanja Darlingtonovog spoja:

h21u = h''21e ∙ h'21e

Prema tome, ekvivalentni koeficijent h21u je veoma velik (npr. 100 ∙ 100 = 10000), a u praksi je to manje jer je koeficijent h21e mali kod prvog tranzistora zbog male kolektorske struje.

106

[Type text]

Ekvivalentna šema Darlingtonovog spoja

Ulazna otpornost se određuje iz ekvivalentne šeme primjenom dreugog Kirhofovog zakona za ulazno kolo:

U1 – h'11e ∙ Ib1 – h''11e ∙ Ib2 = 0

Zamjenom Ib2 = h'21e ∙ Ib1, izvlačenjem Ib1 ispred zagrade, prebacivanjem članova uz Ib1 na desnu stranu dobije se:

U1 = Ib1 ∙ (h'11e + h''11e ∙ h'21e)

Dijeljenjem ulaznog napona U1 sa ulaznom strujom I1 dobije se ulazna otpornost Darlingtonovg spoja:

Pošto je h'21e tipično jednak 100, a h'11e i h'21e tipično jednaki 3kΩ, to je

h''11e ∙ h'21e >> h'11e

pa slijedi da je: Rul ≈ h''11e ∙ h'21e

Primjer:Za h''11e = 3kΩ i h'21e = 100 je Rul = 300kΩ

U praksi se dobije manja vrijednost zbog smanjenog koeficijenta h'21e kod prvog tranzistora.

Prema tome, Darlingtonov spoj ima veliku ulaznu otpornost i bez otpornika u emitoru.

Darlingtonov spoj dva tranzistora je ekvivalentan tranzistoru koji ima veliki koeficijent strujnog pojačanja h21e (npr. 5000), i veliki koeficijent h11e (npr. 300kΩ). Pogodan je za upotrebu u kolima gdje je potrebno veliko strujno i

107

[Type text]

naponsko pojačanje i velika ulazna otpornost. Često se koristi u pojačavačima snage.

Nedostaci Darlingtonovog spoja:

Određivanje struje curenja kod Darlingtonovog spoja

Može se desiti da u bazi tranzistora T1 ne teče nikakva struja, a da struja kroz tranzistor T2 bude znatna, naročito na višoj temperaturi. Inverzna struja I'CB0

kolektorskog spoja tranzistora T1 (tipično oko 1nA) množi se sa koeficijentom h'21e, pa u bazu tranzistora T2 teče struja h'21e ∙ I'CB0 (100 ∙ 1nA = 100nA), a ona se dalje pojačava koeficijentom strujnog pojačanja h''21e i iznosi h''21e ∙ h'21e ∙ I'CB0

(100 ∙ 100nA = 10000nA = 10μA). Sa povećanjem temperature struja h''21e ∙ h'21e

∙ I'CB0 može znatno da poraste i da poremeti rad kola u kome se nalazi., pa nije dobro formirati Darlingtonov spoj sa 3 ili više tranzistora.

Ovaj nedostatak se dobrim dijelom otklanja stavljanjem između baza i mase otpornika R'b (oko 3kΩ) i R''b (oko 300Ω) kao na slici:

Princip smanjenja struje curenja

108

[Type text]

Ovi otpornici odvode veći dio struja curenja na masu, ali smanjuju i ulaznu otpornost Darlingtonovog spoja, i povećavaju kolektorsku struju, a snjom i koeficijent strujnog pojačanja.

Često se proizvode tranzistori snage u Darlingtonovom spoju u jednom kućištu, kod kojih je R'b = 6kΩ i R''b = 150Ω i h21u manje i obično oko 750.

Osim osnovnog oblika, postoji i komplementarni Darlingtonov spoj, gdje je tranzistor T1 PNP tipa, a tranzistor T2 je NPN tipa.

Komplementarni Darlingtonov spoj i njegova ekvivalentna šema

Struja Ib1 se pojačava koeficijentom pojačanja h'21e, pa se dobije struja Ic1

= h'21e ∙ Ib1 koja čini bazu tranzistora T2, čija kolektorska struja iznosi h'21e ∙ h''21e ∙ Ib1, kao i kod normalnog Darlingtonovog spoja.

Struja Ib1 počinje da teče kada napon UEB tranzistora T1 pređe njegov prag provođenja. Glavna struja teče od kolektora ka emitoru tranzistora T2. Ukupan spoj se ponaša kao PNP tranzistor, a često se koristi kao zamjena PNP tranzistora kod pojačavača snage.

Prema tome, ekvivalentni tranzistor, koji se dobije Darlingtonovim spojem, je istog tipa kao prvi tranzistor u spoju.

Klase rada pojačavača

109

[Type text]

Zavisno od položaja radne tačke, tranzistor može da radi u klasi A, B, AB i C (klasa D postoji, ali se rijetko upotrebljava).

Klase rada tranzistora

Tranzistor radi u klasi A ako mu se radna tačka nalazi na sredini radne prave u tački A. Ako na ulazu nema naizmjeničnog napona, kroz tranzistor teče jednosmjerna struja I'C, između kolektora i emitora je napon U'C, a snaga na njemu je P' = U'C ∙ I'C. Pojačavi u klasi A se koriste kod pojačanja malih signala.

Kada je radna tačka na mjestu označenom sa B, na slici, tranzistor radi u klasi B. Ako na njemu nema naizmjeničnog napona na ulazu, struja kroz tranzistor je jednaka nuli (slika), a takođe i snaga. Pojačavači u klasi B se obično izrađuju sa dva tranzistora tako da jedan pojačava pozitivnu, a drugi negativnu poluperiodu. Pri tome se obično javljaju izobličenja, pa se tranzistori postavljaju da rade u klasi AB, kao na slici. Pojačavači u klasi A ili AB se koriste kod pojačavača snage (npr. 20W).

Ako se na bazu tranzistora dovede napon niži od praga provođenja, tada tranzistor ne provodi. Tada na ulaz treba dovesti dovoljno visok napon koji treba da pređe preko napona praga, pa tranzistor provodi samo u dijelu jedne poluperiode (kod NPN tranzistora u dijelu pozitivne poluperiode ulaznog napona). To je klasa C. Pojačavači u klasi C se koriste kod radiopredajnika.

Pojačavači sa komplementarnim i kvazikomplementarnim parom tranzistora

110

[Type text]

Na ulaz pojačavača se dovodi niski naizmjenični napon, on se pojačava i na izlazu se dobije napon Uce koji se dovodi na potrošač Rp.

Pojačavač snage u klasi A

Kroz potrošač Rp teče naizmjenična struja Ip pa je snaga potrošača jednaka:

Pk = Uce ∙ Ip

Pojačavač je priključen na jednosmjerni napon napajanja EC, i kroz njega teče jednosmjerna struja IC, pa je jednosmjerna snaga koja se troši na pojačavaču sa potrošačem jednaka:

PC = EC ∙ IC

Količnik Pk/PC pokazuje koji se dio utrošene električne snage dostavi potrošaču i zove se stepen iskorištenja:

Pošto je Pk < PC to je η < 1, i može se izraziti u procentima:

Pojačavači predviđeni za pojačanje napona ili struje nisu adekvatni za pojačavanje snage jer im je izlazna snaga obično mala (npr. 100mW). Potrošači koji se priključuju na izlaz nekih elektronskih uređaja (npr. na izlaz pojačavača za muzičke instrumente) zahtijevaju da izlazna snaga bude mnogo veća (npr. 100W za zvučnike).

111

[Type text]

Na niskim učestanostima pojačavači obično rade u klasi B ili AB, jer je η suviše malo u klasi A, a u klasi C su velika izobličenja.

Kod pojačavača u klasi A potrošač je preko kondenzatora Cs2 priključen na izlaz pojačavača. Dio korisne snage, koji je obično veći od korisne snage na potrošaču Rp, se troši na kolektorskom otporniku Rc. Zato je stepen iskorištenja veoma mali (npr. 5%), što nije bilo bitno kod pojačavača napona, ali jeste kod pojačavača snage.

Zato se u kolo kolektora dodaje transformator kao na slici:

Pojačavač snage u klasi A sa transformatorom

Ovakvo rješenje se kod prostih tranzistorskih radio projemnika.Jednosmjerna kolektorska struja teče kroz primar transformatora, ali ne i

kroz sekundar niti kroz potrošač Rp.Skoro cijela naizmjenična snaga se prenosi preko transformatora na

potrošač Rp, tj. kažemo da se potrošač preslikava preko transformatora u kolektorsko kolo tranzistora.

Na ovaj način se postiže mnogo veći stepen iskorištenja (teoretski do 50%).

Mana ovog pojačavača je upotreba transformatora, koji je obično glomazan, težak i skup. Pošto u transformatoru postoje i gubici energije, obično je η < 40%.

Pojačavači sa komplementarnim parom tranzistora

Za pojačavače snage najbolje rješenje je upotreba pojačavača sa komplementarnim parom tranzistora na izlazu, kao na slici.

112

[Type text]

Pojačavač snage u klasi B sa komplementarnim parom tranzistora i jednim izvorom napajanja

Sastoji se od pobudnog pojačavača, kojeg čini tranzistor T1 sa otpornicima Rc, Rb, Rb1 i Rb2 i izlaznog stepena kojeg čine tranzistori T2 i T3. Na izlaz pojačavača je preko kondenzatora Cs2 priključen potrošač Rp. Pojačavač se napaja iz jednog izvora EC.

Manje ekonomična varijanta je kad se koristi napajanje iz dva posebna izvora kao na slici:

113

[Type text]

Pojačavač snage u klasi B sa komplementarnim parom tranzistora i dva izvora napajanja

U obe varijante, tranzistor T1 na ulazu radi kao pojačavač velikih signala sa stabilisanim pojačanjem. Otpornici Rb i Rc čine njegovo kolektorsko opterećenje, a otpornici Rb1 i Rb2 služe za polarizaciju baze i stabilizaciju jednosmjerne radne tačke. Izlazni tranzisori T2 i T3 su pojačavači struje, rade kao pojačavači sa zajedničkim kolektorom, i to T2 kao pojačavač za pozitivan, a T3 za negativan napon. Ukupno tranzistor T1 zajedno sa T2 i T3 čine pojačavač snage.

U pozitivnoj poluperiodi izlaznog naizmjeničnog napona struja teče od +EC, kroz tranzistor T2, kondenzator Cs2 koji se pri tome puni, i potrošač Rp na masu.

U negativnoj poluperiodi kondenzator se prazni i struja teče od mase, kroz potrošač Rp, kondenzator Cs2 i tranzistor T3 na masu.

Otpornik Rb1 je polupromjenljiv (trimer) i pomoću njega se podešava da jednosmjerni napon u tački A bude jednak EC/2, tako da izlazni napon može da raste i opada za isti iznos.

Npr. Ako jednosmjerni napon u tački A opadne, opašće i struja kroz otpornik Rb1, kao i napon na bazi i struja Ib1. Zbog toga opada i struja Ic1, a raste napon na kolektoru tranzistora T1 (to je napon u tački B). Porastom napona u tački B, raste i napon u tački A, jer je on viši od napona u tački B za napon UEB3. Tako se postiže da opadanje napona u tački A prouzrokuje njegovo povećanje, tj. dobili smo njegovu stabilizaciju.

114

[Type text]

Izobličenja izlaznog napona bez otpornika Rb

Otpornik Rb služi za kompenzaciju praga provođenja između baze i emitora tranzistora T2 i T3. Ako ne bi bilo ovog otpornika tada bi napon na bazama tranzistora T2 i T3 bio isti, pa mala promjena napona u tački B (npr. 0,2V) ne bi bila dovoljna da dovede izlazni tranzistor u stanje provođenja (prag kod Si tranzistora je oko 0,6V) i ne bi bila proslijeđena na potrošač. (slika b).

Tada bi izlazni stepen odsijecao niski izlazni napon, koji je niži od praga provođenja izlaznih tranzistora.

Kod visokog izlaznog napona došlo bi do odsijecanja niskog napona oko nule (slika v), i izlazni napon bi bio znatno izobličen (slika g).

Ako se postavi odgovarajući otpornik Rb tako da je jednosmjerni napon na njemu jednak vrijednosti praga provođenja oba izlazna tranzistora (oko 1,2V), tada je napon baza oba izlazna tranzistora jednak pragu provođenja. Tada se mala promjena napona u tački B odmah prenosi u tačku A i na potrošač.

Umjesto otpornika Rb često se stavlja NTC otpornik, koji kompenzuje sniženje napona UBE tranzistora T2 i T3 kod povišenja temperature.

Na kapacitivnosti Cs2 ne smije da postoji znatan pad napona pa je ona obično veoma velika (npr. 5mF), jer je otpornost potrošača obično veoma mala (npr. kod zvučnika oko 4Ω).

115

[Type text]

Pojačavač sa emitorskim otpornicima

Zavisnost disipacije od amplitude napona Um

116

[Type text]

Pojačavač sa kvazikomplementarnim parom tranzistora

Paralelno povezivanje tranzistora

117

[Type text]

Oscilatori

Pozitivna povratna sprega. Barkhauzenov uslov oscilovanja

Pozitivna povratna sprega se koristi za izradu oscilatora, tj. kola koja pretvaraju jednosmjernu energiju u naizmjeničnu, odnosno daju naizmjenični napon.

Pojačavač sa pozitivnom spregom

Princip rada oscilatora je sledeći: Neka je na ulaz pojačavača doveden naizmjenični napon od 1V i neka je pojačanje pojačavača A = 10, tada se na izlazu pojačavača dobije napon 10V. Taj napon se preko kola povratne sprege β vraća na ulaz pojačavača oslabljen 10 puta pa se dobije napon 1V, koji se opet pojačava pojačavačem pa se dobije 10V itd.

Prema tome, za dobijanje naizmjeničnog napona od 10V na izlazu pojačavača nije potreban ulazni napon U1 (osim na početku), ako je pojačanje pojačavača jednako slabljenju kola povratne sprege i ako je vraćeni napon u fazi sa naponom, koji je prethodno bio na ulazu pojačavača (u tački 4).

To znači da pojačanje pojačavača A i slabljenje kola povratne sprege β moraju imati ukupan fazni pomjeraj 0°, 360°, 720° itd.

Zaključak: Oscilator je pojačavač koji sam sebe pobuđuje.

Početni napon se dobije zbog malih varijacija napona, napona šuma, promjene napona u trenutku uključivanja uređaja, itd.

Obično je pojačanje pojačavača nešto veće od slabljenja kola povratne sprege, pa napon poremećaja raste do maksimalne vrijednosti i onda se izobličuje zbog zasićenja pojačavača. Tada počinju da djeluju elementi za automatsku regulaciju pojačanja.

118

[Type text]

Matematička analiza uslova oscilovanja:Napon U1 doveden na ulaz 1 kola se sabira sa naponom Ur i njihov zbir se

vodi na ulaz pojačavača. Pojačanje pojačavača sa povratnom spregom iznosi :

Pojačanje pojačavača sa pozitivnom povratnom spregom A će biti po apsolutnoj vrijednosti veće nego bez nje ako je nazivnik manji od 1, tj. ako je izraz β · A pozitivan i ako je između 0 i 2.

Ako je β · A = 1, onda je 1 - β · A = 0 i A r = A/0 = ∞, tj. pojačanje sa pozitivnom povratnom spregom postaje beskonačno veliko.

Tada je A = 1/β, odnosno pojačanje pojačavača A jednako je slabljenju kola povratne sprege 1/β.

Beskonačno veliko pojačanje znači da se na ulaz pojačavača može dovesti beskonačno niski ulazni napon i da se na njegovom izlazu dobije napon koji se obično sreće u elektronskim kolima (npr. 1V).

Kolo povratne sprege može sadržavati kalemove i kondenzatore i pojačanje pojačavača A i prenosni odnos kola povratne sprege mogu biti kompleksni, ali njihov proizvod mora biti realan.

Pojačavač može da ima fazni pomjeraj, npr. 180°, pa da bi se dobio ukupni pomjeraj od 0° ili 360°, mora i kolo povratne sprege da ima pomjeraj od -180° ili +180°, što se postiže kombinovanjem pasivnih elemenata.

Zaključak:Za oscilovanje oscilatora treba da bude zadovoljen uslov β · A = 1.To je Barkhauzenov uslov oscilovanja, i vrijedi | β · A | = 1, a faza je

0°, 360°, 720°, itd.

U praksi je obično pojačanje pojačavača veće od slabljenja kola povratne sprege, pa sinusni napon raste do zasićenja pojačavača i tada je izobličen.

Ako je pojačanje manje, oscilacije postepeno slabe i prestaju.Zbog toga se u oscilatore ugrađuju posebna kola za stabilizaciju

amplitude oscilovanja.

RC oscilatori (varijante sa Vinovim mostom i sa faznim pomjerajem)

119

[Type text]

RC oscilatori se koriste za proizvodnju sinusnog napona u oblasti zvučnih učestanosti (20Hz do 20kHz), pa čak i do 1MHz.

Prave se u dva oblika:1) Sa Vinovim mostom2) Sa faznim pomjerajem

RC oscilator sa Vinovim mostom

RC oscilator sa Vinovim mostom

Sastoji se od pojačavača i kola povratne sprege. Pojačavač je dvostepeni, na slici je desno od isprekidane linije, oba

stepena pomjeraju fazu za po 180, pa je ukupno pomjeranje faze 360. Prvi pojačavač treba da bude sa fetom da bi imao veliku ulaznu otpornost.

Da bi ukupni fazni pomjeraj pojačavača i kola povratne sprege bio 360, pomjeraj kola povratne sprege mora da bude jedna nuli. Kolo povratne sprege je lijevo od isprekidane linije. Sastoji se od redne i paralelne veze otpornika R i kondenzatora C, koje su vezane redno, što odgovara kompleksnoj grani Vinovog mosta.

Ovo kolo povratne sprege sadrži otpornike i kondenzatore pa je, u opštem slučaju, fazni pomjeraj između napona U1 i U2 različit od nule. Oscilator će oscilovati samo na onoj učestanosti na kojoj su ovi naponi u fazi, tj. kada je ukupni fazni pomjeraj 0 ili 360.

Koeficijent povratne sprege je:

120

[Type text]

Impedansa Z1 je redna veza elemenata R i C, a Z2 je paralelna veza elemenata R i C, pa je:

Z1 = R + 1/jC

Zamjenom se dobije:

Množenjem brojioca i imenioca sa (1+j∙C∙R) i oslobađanjem od zagrada:

Uslov da naponi U1 i U2 budu u fazi je da koeficijent povratne sprege bude realan, tj. da ne sadrži imaginarne članove, pa je:

j∙C∙R2 + 1/j∙C = 0

Množenjem sa j∙C, djeljenjem sa C2∙R2 i korjenovanjem dobije se:

Ovo je kružna učestanost pri kojoj su naponi U1 i U2 u fazi.

Zamjenom = 2∙∙f I djeljenjem sa 2 dobije se učestanost f pri kojoj su naponi U1 i U2 u fazi:

Na ovoj učestanosti će raditi oscilator jer su imaginarni članovi jednaki nuli.

Koefijent povratne sprege je:

121

[Type text]

Za ovakav oscilator Barkhauzenov uslov oscilovanja ima oblik:

pa slijedi da je: A = 3

Pošto dvostepeni pojačavači obično imaju pojaćanje mnogo veće od 3, u kolo sorsa feta se stavlja otpornik za negativnu povratnu spregu koji smanjuje pojačanje.

U praksi se teško postiže da pojaćanje pojačavača bude tačno jednako slabljenju kola povratne sprege.

Stabilizacija amplitude i vrlo malo izobličenje sinusnog napona može se postići stalnim podešavanjem pojačanja pojačavača tako da bude jednako slabljenju kola povratne sprege. Primjer je dvostepeni pojačavač na slici.

RC oscilator sa Vinovim mostom i stabilizacijom amplitudePojačavač sa fetom ima veliku ulaznu otpornost, ali mu se teško može

stabilizovati pojačanje. Zato se drugi pojačavač pravi sa bipolarnim tranzistorom koji u kolu emitora ima PTC otpornik.

Otpornik Re služi za stabilizaciju jednosmjerne radne tačke. Naizmjenična struja teče kroz PTC otpornik R'e i kondenzator Ce, na otporniku R'e se stvara napon povratne sprege. Ovo je pojačavač sa negativnom povratnom spregom čije je pojačanje:

Primjer stabilizacije amplitude:Neka je izlazni napon U2 suviše porastao i postao izobličen. Zbog toga

raste i napon na otporniku R'e, on se zagrijava i njegova otpornost raste jer je PTC otpornik. Porastom emitorske otpornosti smanjuje se pojačanje pojačavača, čime se smanjuje izlazni napon, a takođe i njegovo izobličenje.

122

[Type text]

PTC otpornici obično imaju dugo vrijeme zagrijavanja (do nekoliko desetina sekundi) pa se amplituda sporo stabilizuje. Zato je bolje koristiti minijaturnu sijalicu koja se ponaša kao pTC otpornik koji brže reaguje (brže od 1s).

RC oscilatori sa Vinovim mostom i optimalnom stabilizacijom amplitude daju sinusni napon sa vrlo malim izobličenjem (oko 0,1%), i zato se koriste kod elektronskih mjernih generatora koji se koriste za ispitivanje elektronskih audiouređaja.

RC oscilatori trebaju da budu dobro oklopljeni metalnim uzemljenim oklopom da smetnje ne bi prodirale u pojačavač. To je veoma važno kod učestanosti ispod 1kHz jer je tada otpornost na ulazu pojačavača velika i smetnje iz gradske mreže lako prodiru u pojačavač.

RC oscilatori sa faznim pomjerajem

Prave se kada je potreban jeftin oscilator kod koga se učestanost ne mijenja.

Pojačavač na slici se sastoji od jednog tranzistora, a povratna sprega ima tri kondenzatora i tri otpornika.

123

[Type text]

RC-oscilator sa faznim pomjerajem kod koga su otpornici u rednoj , a kondenzatori u paralelnoj grani

Pošto pojačavač obrće fazu za 180, potrebno je da i povratna sprega takođe obrće fazu za 180.

Jedna RC-ćelija

Za jednu RC-ćeliju prema Omovom zakonu vrijedi:

Prenosni odnos za ovu ćeliju je:

124

[Type text]

Množenjem sa dobije se:

Na vrlo niskim učestanostima je << 1, pa je

a fazni pomjeraj je jednak nuli, jer nema imaginarnih članova.

Na visokim učestanostima je >> 1 pa je

Fazni pomjeraj jedne Rc-ćelije može da bude od 0 na vrlo niskim učestanostima do 90 na visokim učestanostima.

Teoretski, fazni pomjeraj od 180 može da se postignw sa dvije RC-ćelije, a u praksi se postiže sa tri.

Svaka ćelija pomjera fazu za oko 60, a sve tri za 180, ali samo za određenu učestanost, i na toj učestanosti osciluje oscilator.

Učestanost za koju je fazni pomjeraj cijele RC mreže 180 iznosi:

Slabljenje kola povratne sprege u ovom slučaju iznosi 29, tj. β = 1/29.Ovi izrazi važe kada je izlazna otpornost pojačavača zanemarljivo mala, a

ulazna beskonačno velika, što obično nije ispunjeno pa se dobiju odstupanja od izračunatih vrijednosti.

Ovaj oscilator daje relativno dobar sinusni napon jer se RC mreža ponaša kao niskofrekventni filter, koji slabi više harmonike nastale izobličenjem sinusnog napona. Sinusni napon je najbolji na ulazu pojačavača.

Nešto drugačiji RC oscilator sa faznim pomjerajem ima mrežu za stvaranje faznog pomjeraja u kojoj su kondenzatori i otpornici zamijenili mjesta.

125

[Type text]

RC-oscilator sa faznim pomjerajem kod koga su kondenzatori u rednoj, a otpornici u paralelnoj grani

Učestanost oscilovanja ovog oscilatora je:

Kod oscilatora sa faznim pomjerajem znatno je teže realizovati automatsku regulaciju pojačanja radi smanjenja izobličenja.

Ovi oscilatori se koriste u oblasti zvučnih učestanosti kada su potrebni jeftini oscilatori.

Kontinualna promjena učestanosti je moguća istovremenom promjenom sve tri kapacitivnosti ili sve tri otpornosti, što je nepraktično. Obično se učestanost mijenja u uskom opsegu promjenom samo jedne kapacitivnosti ili otpornosti, ali tada dolazi do odstupanja od datih izraza za učestanost i potrebno pojačanje pojačavača.

Za izradu ovih oscilatora ne koriste se fetovi jer je s njima teško dobiti potrebno pojačanje (29).

Oscilator sa induktivnom spregom (Majsnerov oscilator)

126

[Type text]

Induktivno spregnuti kalemovi

Dio linija magnetne indukcije prvog kalema (L1) prolazi kroz drugi kalem (L2), tj. kalemi su induktivno spregnuti, odnosno energija se može prenositi iz jednog kalema u drugi. Tačke na krajevima kalemova označavaju da struje, koje ulaze u ove krajeve, stvaraju magnetne indukcije istog smjera, čiji se fluksevi kroz kalemove sabiraju.

Na rezonantnoj učestanosti paralelno oscilatorno kolo se ponaša kao njegova dinamička otpornost:

Majsnerov oscilatorKod Majsnerovog oscilatora fet i paralelno oscilatorno kolo čine

pojačavač za napon jedne učestanosti i njene bliske okoline. Ova učestanost se izračunava po Tompsonovom obrascu:

127

[Type text]

Ovo je selektivni pojačavač jer pojačava napon jedne učestanosti i njene bliske okoline. Na rezonantnoj učestanosti oscilatorno kolo se ponaša kao termogena otpornost, pa pojačavač pomjera fazu za 180.

Korištenjem oscilatornog kola u kolu drejna dobije se mnogo veće pojačanje (npr. 100 umjesto 5), jer je tipično Rd oko 30 kΩ.

Povratna sprega se ostvaruje preko induktivne sprege između kalemova L i L'. Indukovani napon u kalemu L' se vodi na ulaz pojačavača, fazno je pomjeren za 180 u odnosu na napon na drejnu, pa je ukupni fazni pomjeraj 360. To se postiže postavljanjem kalemova tako da su tačke na suprotnim stranama kalemova, tj. naponi na drejnu i gejtu su u protivfazi.

Osim pomjeraja faze treba zadovoljiti i Barkhauzenov uslov β · A = 1, tj. indukovani napon u kalemu L' treba da ima dovoljnu veliku amplitudu, odnosno dovoljno navojaka i da se nalazi na pogodnom rastojanju od kalema L.

Kondenzator Cg i otpornik Rg stvaraju automatski prednapon i stabilizuju amplitudu oscilacije. Kada amplituda oscilacija dovoljno poraste, napon na gejtu postane pozitivan i veći od praga provođenja PN spoja gejt-sors, koji se tada ponaša kao dioda. Tada od mase teče struja Ig kroz kalem L', kondenzator Cg i spoj gejt-sors feta i kondenzator se puni u smjeru proticanja ove struje.

U negativnoj poluperiodi se spoj gejt-sors feta inverzno polariše, pa kroz njega ne može da teče struja. Kondenzator se prazni preko otpornika Rg velike otpornosti (nekoliko MΩ). Zato se kondenzator Cg između dva punjenja malo isprazni pa je napon na njemu skoro konstantan i to stalni negativni prednapon između gejta i sorsa feta.

Kod Majsnerovog oscilatora učestanost oscilovanja može da se mijenja u vrlo širokim granicama (npr. 3,16 : 1), što se postiže promjenom kapacitivnosti promjenljivih kondenzatora u odnosu 1 : 10.

Izlazni napon se odvodi sa drejna feta na sledeći stepen. Pri tome se mora paziti da kapacitivnost sprežnog kondenzatora i ulazna kapacitivnost sledećeg stepena ne izazovu neželjenu promjenu učestanosti oscilovanja.

Majsnerov oscilator daje relativno dobar sinusni napon, skoro bez primjetnih izobličenja, pa je pogodan za direktnu upotrebu kod radio-uređaja, elektronskih mjernih generatora itd.

Nedostatak je upotreba dva induktivno spregnuta kalema koje treba motati prema konstrukciji oscilatora.

U nekim izvedbama oscilatorno kolo je na ulazu pojačavača.

128

[Type text]

Majsnerov oscilator sa oscilatornim kolom na ulazu pojačavača

Oscilatorno kolo osciluje prigušenim oscilacijama pobuđujući ulaz pojačavača. Naizmjenični napon na ulazu pojačavača se pojačava i preko sprege između kalemova L' i L vraća se na oscilatorno kolo nadoknađujući mu gubitke.

Majsnerov oscilator se pravi i sa bipolarnim tranzistorima. (slika)Otpornici Rb1, Rb2 i Re služe za polarizaciju baze i stabilizaciju radne

tačke. Kondenzator Ce onemogućava negativnu povratnu spregu preko otpornika Re. Često se ovaj kondenzator izostavlja pa se tako povećava ulazna otpornost pojačavača, a veliko pojačanje nije uvijek potrebno. Kondenzator Cb spaja drugi kraj kalema L' sa masom za naizmjenični napon.

Majsnerov oscilator se koristi za proizvodnju sinusnog napona od nekoliko desetina kHz do nekoliko stotina MHz.

129

[Type text]

Majsnerov oscilator sa bipolarnim tranzistorom

Oscilatori sa kapacitivnom spregom

Sprega se ostvaruje pomoću kondenzatora.

Oscilator sa kapacitivnom spregom

130

[Type text]

Pojačavač je sa zajedničkom bazom, ne obrće fazu, a baza je preko kondenzatora Cb spojena na masu. Izlaz je na kolektoru, a ulaz je na emitoru. Otpornik Re služi za stabilizaciju radne tačke i kao ulaz pojačavača.

Oscilatorno kolo na rezonantnoj učestanosti ima veliku dinamičku otpornost (npr. 30kΩ), pa je pojačanje pojačavača relativno veliko (npr. 300). Napon sa izlaza (kolektor) se vraća na ulaz (emitor) preko kola povratne sprege koji čine kondenzator Cs i ulazna kapacitivnost pojačavača Cul koja je difuzne prirode i postoji kod propusno polarisanog PN spoja emitor-baza (kod VF tranzistora je oko 20pF).

Kolo povratne sprege kod oscilatora

Sa slike je:

Koeficijent povratne sprege je:

Množenjem brojnika i nazivnika sa jω, dijeljenjem sa I i sređivanjem se dobije se:

131

[Type text]

Kolo povratne sprege treba da ima neko slabljenje, pa za Cul od npr. 20pF, kapacitivnost Cs treba da bude nekoliko puta manja, npr. 5pF, pa se dobije:

Vidi se da je β realno i da nema faznog pomjeraja.

Oscilator sa kapacitivnom spregom se upotrebljava kod radioprijemnika kao lokalni oscilator i mješač za oblast UKT talasa (88-108 MHz).

Na nižim učestanostima (npr. 1MHz) ovaj oscilator ne može da radi jer je na njima impedansa ulazne kapacitivnosti suviše velika.

Oscilatori u tri tačke; Kolpicov oscilator

Osnovni oblik oscilatora u tri tačke

Kod ovih oscilatora kolo povratne sprege je priključeno na tri tačke pojačavača, i to izlaz (tačka B), ulaz (tačka C) i masa (tačka D).

Pojačavač se sastoji od pojačavačkog stepena sa fetom sa zajedničkim sorsom ili sa bipolarnim tranzistorom sa zajedničkim emitorom. I pojačavač i kolo povratne sprege pomjeraju fazu za po 180, pa je ukupan fazni pomjeraj 360. Povratna sprega se ostvaruje preko impedansi Z1 i Z2, a Z3 služi da se obrazuje paralelno oscilatorno kolo.

Koeficijent povratne sprege je:

Impedanse su obično reaktivne pa zamjenom Z = jX dobijamo:

132

[Type text]

Da bi pomjeraj faze u kolu povratne sprege bio 180, reaktanse moraju imati različite predznake (npr. X1 induktivna, a X2 reaktivna) i mora biti:

| X1 | > | X2 |

Na rezonantnoj učestanosti zbir reaktansi unutar oscilatornog kola treba biti jednak nuli:

X1 + X2 + X3 = 0

Odavde je: X1 + X2 = -X3

pa se zamjenom dobije:

Ako je reaktansa X1 induktivna, a X2 i X3 kapacitivne, tada imamo Kolpicov oscilator.

Ako je reaktansa X1 kapacitivna, a X2 i X3 induktivne, tada imamo Hartlejev oscilator.

Drugi uslov ( | β · A | = 1) nije teško postići. Reaktanse se mogu odabrati tako da kolo povratne sprege nema slabljenje, pa se onda mogu koristiti pojačavali sa malim pojačanjem ( većim od 1).

Kolpicov oscilator sa fetom

133

[Type text]

Fet sa elementima Rd, Rs i Cs čini pojačavač sa zajedničkim sorsom, čije je naponsko pojačanje relativno malo (npr. 5). Povratna sprega se ostvaruje preko oscilatornog kola (kalem L, kondenzatori C1 i C2).

U ovom oscilatornom kolu tačka B je priključena na izlaz pojačavača, tačka C na ulaz, a tačka D na masu.

Slabljenje kola povratne sprege je:

Koeficijent povratne sprege je negativan, pa je fazni pomjeraj 180. Ako su kapacitivnosti C1 i C2 jednake, tada je slabljenje kola povratne sprege jednako jedinici, pa je dovoljno da pojačanje pojačavača bude nešto veće od jedinice.

Učestanost oscilovanja se određuje iz jednačine:

X1 + X2 + X3 = 0

Pošto je X1 induktivna, a X2 i X3 kapacitivne, zamjenom se dobije:

Učestanost oscilovanja je:

ili

gdje je ekvivalentna kapacitivnost Cu jednaka rednoj vezi kapacitivnosti C1 i C2, tj.

134

[Type text]

Kolpicov oscilator sa bipolarnim tranzistorom

135