Pojačalo u spoju ZE Najčešće korišten spoj tranzistorskog pojačala (najbitniji)

1

Pojačalo u spoju ZE

Najčešće korišten spoj tranzistorskog pojačala (najbitniji)

Veliko i AI i AV – najveći dobitak snage G od svih spojeva!

Analiza pojačala se sprovodi u 2 temeljna koraka:

• Istosmjerni (DC) uvjeti rada – određivanje statičke radne točke

• Izmjenični (AC) uvjeti rada – pojačanja (strujno i naponsko te dobitak snage), kao i ulazni/izlazni otpori (tj. impedancije ako je frekvencija signala viša, pa moramo uzeti u obzir i kapacitivnosti tranzistora) → AC uvjeti direktno ovise o statičkoj radnoj točki (tj. o definiranim DC uvjetima) određenim u prvom koraku

2

Pojačalo u spoju ZE – DC analiza Prvo je potrebno odrediti tzv. statičku radnu točku

Sklop koji se analizira (ovo je najjednostavniji spoj, no rijetko se koristi jer je termički nestabilan – statička r.t. nije stabilna; promatra se kao strujno pojačalo):

RGI0

RP

E

CB UCC

ip

iul ib

RB

3

Pojačalo u spoju ZE – DC analiza Analiza pod istosmjernim uvjetima (DC analiza):

• Podrazumijeva određivanje istosmjerne (DC) kolektorske struje (IC=ip) i napona (UCE) tranzistora, te bazne struje (IB =ib) kada ulaz ne postoji (iul=0), tj. kad postoje samo istosmjerne struje → s ovim je određena statička radna točka Q. Q je potrebno odrediti kako bi tranzistor pojačavao što linearnije (da su izobličenja pojačane struje što manja).

• Najjednostavnija analiza koristi samo izlazne karakteristike tranzistora

• Istosmjerni uvjeti određeni su sa vrijednostima RB , RP i UCC

RGI0

RP

E

CB UCC

ip

iul ib

RB Pogledajmo detaljnije!

4

Pojačalo u spoju ZE – DC analiza Za neki odabrani IBQ, koliki su ICQ i UCEQ?

Ovo određujemo iz izlazne karakteristike tranzistora (pomoću radnog pravca):

RGI0

RP

E

CB UCC

ip

iul ib

RB

UCE

IC

UCC

UCC

RP

Q

UCEQ

ICQ

IB1

IB2

IB3

IB4=IBQ

IB5

IB6

PODRUČJE ZASIĆENJA (UCE≈0.2V)

PODRUČJE ZAPIRANJA (IB=0)

AKTIVNO PODRUČJE

radni pravac

UC

EQ

Grafička analiza izlazne petlje pojačala

izlazna petlja

5

Pojačalo u spoju ZE – DC analiza Točke ICQ i UCEQ ograničene su na radni pravac

Radni pravac je određen naponom napajanja pojačala (UCC) i otporom potrošača (RP), kako pokazuje slika

• Presjek radnog pravca i izlazne karakteristike za odgovarajuću baznu struju IBQ (u primjeru slici IB4) definira radnu točku Q

• Q se u pravilu odabire što bliže sredini aktivnog područja (UCEQ=UCC/2), kako bi se omogućio maksimalni “prostor” za simetričnu promjenu izlazne struje i napona tako da tranzistor ostane u aktivnom području (na slici desno nije točno na sredini; za ovo bi trebali odabrati malo manju IBQ)

UCE

IC

UCC

UCC

RP

Q

UCEQ

ICQ

IB1

IB2

IB3

IB4=IBQ

IB5

IB6



AKTIVNO PODRUČJE

6

Pojačalo u spoju ZE – DC analiza No, da bi odredili presjek radnog pravca sa izl. karakteristikom, moramo

prvo znati kolika je struja IBQ

Ako je iul=0 (nije ništa spojeno na ulaz), kolika je ib ?

• Istosmjerni uvjeti: ib=IBQ (Q [eng. Quiescent – mirno, neaktivno] je tipična oznaka statičke radne točke). S obzirom da je sada ovo ujedno i struja koja teče kroz RB, (jer nije spojen ulazni generator) prema 2. K.Z. i Ohmovom Z. slijedi za ulaznu petlju:

IBQ=(UCC – UBE )/RB

*Aproksimacija: UBE=0.7 V uvijek, pa:

IBQ=(UCC – 0.7)/RBRGI0

RP

E

CB UCC

ip

iul ib

RB

UCC

UBE

DAKLE, uz fiksiran UCC, biranjem vrijednosti otpornika RB, biramo i struju IBQ, a samim tim i položaj radne točke Q na radnom pravcu (tj. izlaznu struju ICQ i napon UCEQ tranzistora)

( egzaktno, IBQ se može naći iz presjeka ulaznih karakteristika za spoj ZE IB(UBE) i radnog pravca određenog sa RB i UCC (kako smo pokazali kod obične diode), no napon će imati iznos približno jednak naponu koljena diode BE,(sjetimo se UI karakteristike diode) pa je gornja aproksimacija opravdana )

UC

C -

UB

E

ulazna petlja

7

Pojačalo u spoju ZE – tranzistor kao sklopka Ako se IB bira tako da radna točka Q leži u područjima zasićenja i zapiranja

(umjesto u aktivnom), tranzistor ne radi kao pojačalo nego kao sklopka!

UCE

IC

UCC

UCC

RP

Q

UCEQ

ICQ

IB1

IB2

IB3

IB4=IBQ

IB5

IB6



AKTIVNO PODRUČJE

• Ako je pad napona na izlazu tranzistora cca 0.2V (zasićenje) , tranzistor se ponaša približno kao zatvorena sklopka – ovo se postiže dovoljno velikom ulaznom strujom (IB), čije povećavanje uzrokuje pomijeranje Q po radnom pravcu prema gore lijevo. Nakon ulaska u područje zasićenja, daljnje povećanje IB praktično ne pomjera dalje Q (na slici je ovo za IB6). Može se uzeti da je tada napon na izlazu tranz. (UCE) minimalan - konstantnih cca. 0.2 V, a struja IC maksimalna. Daljnje povećanje IB nema utjecaja na tranzistor (ne pomjera Q, tj. IC stoji na maksimumu) – “zasićen” je! Stoga, ako želimo da se tranzistor ponaša kao zatvorena sklopka, na ulazu dovedemo IB dovoljnu da uđe u zasićenje – najčešće se odabere i 50-tak % veća IB od ove, radi pouzdanosti.• Ako nema ulazne struje (IB=0), nema ni izlazne struje (IC ≈ 0 - zapiranje – napon

na tranzistoru UCE je maksimalan, tj. UCE≈UCC) - tranzistor se ponaša kao otvorena sklopka.

8

Pojačalo u spoju ZE – AC analiza Analiza pod izmjeničnim uvjetima (AC analiza) podrazumijeva:

• Određivanje AI i AV pojačala, te ulazne i izlazne impedancije (pojednostavljeno, otpora) čitavog pojačala

• Statička r. t. Q se postavlja tako da osigurava da se u okolini Q tranzistor ponaša približno linearno (pod uvjetom da su promjene dovoljno male, tj. da radi u režimu malih signala). Pod ovim uvjetima tranzistor možemo zamijeniti linearnim elementima za izmjenični signal (pretpostavljamo linearnu zavisnost promjene struje o promjeni napona).

• Temelji se na parametrima tranzistora kao četveropola (tranzistor se predstavlja preko linearnih elemenata kao četveropol) – mi ćemo koristiti prije pokazani H-model. Ovo neće unijeti veliku grešku u analizu, jer pretpostavljamo linearnost!

• Pod izmjeničnim uvjetima, istosmjerni (DC) izvori nemaju nikakvog utjecaja na promjene signala, tj. na AC analizu – tretiraju se kao:

kratki spoj za idealni istosmjerni naponski izvor

otvoreni krug za idealni istosmjerni strujni izvor

Prve izmjene nakon kojih se dobiva modificirana (jednostavnija) shema.

9

Pojačalo u spoju ZE – AC analiza Prvo prilagodimo shemu analizi pod izmjeničnim uvjetima:

RGI0

RP

E

CB UCC

ip

iul ib

RB

istosmjerni naponski izvorizamjenjuju se kratkim spojem

RGI0

RP

E

CB

ip

iul ib

RB

10

Pojačalo u spoju ZE – AC analiza

Urednije...

RGI0

RP

E

CB

ip

iul ib

RB

RGI0

RPE

CBip

iul ib

RB

Pojačalo (AC uvjeti)

11


Još urednije...

GRPE

CB

ip

iul ib

RB

Pojačalo (AC uvjeti)RGI0

RPE

CBip

iul ib

RB


12

Pojačalo u spoju ZE – AC analiza Zamijenimo tranzistor četveropolom (H-model):

GRPE

CB

ip

iul ib

RB


G RB

hie

hreuce hfeib

hoe RP

iul ib iizlic

1


Tranzistor (H-model)

13

Pojačalo u spoju ZE – AC analiza Donja shema može se još pojednostavniti aproksimacijama u H-modelu

tranzistora.

G RB

hie

hreuce hfeib

hoe RP

iul ib iizlic

1



14

Pojačalo u spoju ZE – AC analizaTipično hre<<1, pa se utjecaj izlaznog napona uCE na ulaz tranzistora može

zanemariti (uzeti da je hreuCE≈0, tj. da je iznos naponskog izvora 0, tj. naponski izvor predstavlja kratki spoj):

G RB

hie

hreuce hfeib

hoe RP

iul ib iizlic

1



G RB

hie

hfeib

hoe RP

iul ib iizlic

1



hreuCE ≈ 0

15

Pojačalo u spoju ZE – AC analizaTakođer, tipično je RB>>hie, pa se RB može zanemariti prema hie: (komponenta

ulazne struje koja teče kroz RB je znatno manja od ib, pa možemo uzeti da je približno 0, tj. da je iul ≈ ib)

G RB

hie

hfeib

hoe RP

iul ib iizlic

1



RB >>hie → iul ≈ ib

G

hie

hfeib

hoe RP

iul ib iizlic

1



16

Pojačalo u spoju ZE – AC analizaSlijedi konačna, pojednostavljena shema:

G

hie

hfeib

hoe RP

iul ib iizlic

1



17


Ulazni i izlazni otpor pojačala ?

hie

hfeib

hoe Rizl

ib ic

1



Rul

1;ul ie izoe

R h Rh

18bulieul iihR


Strujno pojačanje, AI ?

G

hie

hfeib

hoe RP

iul ib iizlic

1



fepiz

iz

bbfe

poe

oe

biz

b

iz

ul

izI h

RRR

iih

Rhh

ii

ii

iiA

1/1

/11

1/iz oeR h

feh

strujno djelilo (**)

19

(*) Naponsko djelilo (U1=?)

1 1 1 1 11

1 2 1 2 1 2( )uk

U I R U R RU U

U I R I R R U R R R R

(**) Strujno djelilo (I1=?)

R2

R1

I

I1

I2

U

I

R2

R1 U1

U

11

1 2

1 21 2 1 2

1 2

1 1 2 21

1 2 1 2 1 2

1 2

(1)

(2)

1

uk

UIR

R RU U UI UR RR R R R R

R R

I R R RI I

R RI R R R RR R

DODATAK: (vrlo) korisne relacije

*prisjetiti se realnih naponskih i strujnih izvora: isti princip!

20


Strujno pojačanje, AI ?

piz

izI RR

RA

Ako je otpor potrošača znatno veći ili manji (što je često slučaj) od izlaznog otpora,

vrijede dodatne aproksimacije:

Iizp ARR

p

izIizp R

RARR

(najčešće!)

21


Naponsko pojačanje, AV ?

G

hie

hfeib

hoe RP

iul ib iizlic

1



uul uizl

ul

pfe

ul

pI

ul

p

ulul

izlp

ul

izlV R

Rh

RR

ARR

iRiR

uu

A

feI hA

22


Pojačanje snage (dobitak), G ?

Pojačalo ZE ima znatno i strujno i naponsko pojačanje – najveće pojačanje

snage!

2ul

pVI R

RAAG

feI hA ul

pV R

RA

23

Ulazna struja: IE ; Izlazna IC ; IB << → IE ≈IC →

Naponsko pojačanje znatno

[ Rul vrlo malen (propusno polar. PN spoj)

u odnosu na RP ]:

RG RP

iC

RB

UEE UCCuG

Pojačalo u spoju ZB

1 fbI hA

1ul

pV R

RA

Održavanje statičke radne točke ako se uG isključi

24

Veliko AI ≈ β , nema AV (tj. AV ≈ 1)

Iako se iz sheme odmah ne vidi spoj ZC, u AC uvjetima (baterija je KS) kolektor (C) je spojen na uzemljenje, dakle, C je priključak zajednički ulazu i izlazu

AC izlazni napon “slijedi” (praktično je isti kao) ulazni: emitersko slijedilo (nema pojačanja ni okretanja u fazi)

Pojačalo u spoju ZC

RP

UCC

R1

R2

RGizlaz

U ovom primjeru statička radna točka (tj. potencijal baze) ostvarena je naponskim djelilom, umjesto još jedne baterije u ulaznom krugu. Napomena: ovakav način realizacije statičke radne točke mogao se koristiti i u spoju ZE i ZB (ima neke prednosti u odnosu na korištenje samo 1 otpornika), no ovo je nešto složenije za analizu nego jednostavno korištenje baterije i/ili samo 1 otpornika.

propusno polarizirani ulazni PN spoj BE ima vrlo mali dinamički otpor (gotovo 0), tako da se praktično kompletna promjena napona na ulazu "preslikava" na izlaznom

otporniku RP .

25

• Ulazni otpor prema bazi je vrlo velik (sklop djeluje kao “pojačalo” otpora RP ): RULB ≈ β·RP


RP

UCC

R1

R2

RGizlaz

1 2

1 2: ,

( .)

(2. . ), 0, :

1 1 1 1.

ululb

b

ul be izl

be ul izl

p e p b

p b

b

UL p

ul izl

ulb p UL UL ulb

uR Ohmov Z

iu u u K Z

no u pa u uR iu u

R R ukupni R R

R i

R i

i

R R R

R R

tjR

R

Dokaz: ulu beu

izlu

ul bi i

e bi i

• Odabirom dovoljno velikih vrijednosti i R1 i R2 , ukupni ulazni otpor je velik

• Izlazni otpor je vrlo malen: RIZL ≈ RG / β

26

Najčešće se koristi za prilagođenje impedancije (ne za pojačanje):


Ako se direktno spoje generator i potrošač, na potrošaču “ostane” samo dio napona generatora (većina pada napona formira se na unutrašnjem otporu, jer potrošač ima mali otpor u odnosu na unutr. otpor generatora– o ovome je bila riječ kod poglavlja o realnim naponskim izvorima)

Drugim riječima, posljedica priključenja potrošača na generator (“opterećenja” generatora) je da potrošač “vidi” tek manji dio stvarnog iznosa napona generatora

Još bitnije, napon na potrošaču jako ovisi o iznosu potrošača (umjesto samo o naponu generatora, a što manje o potrošaču)

Problem: želimo naponski generator velikog unutrašnjeg otpora (“loš” naponski generator) spojiti na mali otpor potrošača, tako da potrošač “vidi” što više napona generatora (idealno bi bilo sav).

Rješenje: naponski generator spojimo na ulaz transformatora impedancije (npr. emiterskog sljedila, koji ima vrlo velik ul.otpor), a onda potrošač na njegov izlaz

Veliki ulazni otpor emiterskog sljedila drži napon na ulazu gotovo isti kao napon generatora (ulazni otpor transformatora impedancije >> unutrašnjeg otpora generatora)

Izlazni napon transf. imp. je gotovo isti kao ulazni (čak i za mali otpor potrošača na izlazu) → zahvaljujući velikom ulaznom otporu transformatora impedancije, generator je “rasterećen”

Efektivno, transf.imp. transformira loš naponski generator (sa velikim unutrašnjim otporom RG) u dobar naponski generator (sa malim RG u odnosu na RP).

27

Veliko AV

Rul→∞, Rizl >>

Pojačalo u spoju ZS

G

S

D

+

uG

+ +

RGRD

UDD

UGG

Uizl

RP

MOSFET osiromašenog tipa, obogaćeni mod rada (UGG takav da UGS>0)

Strminsko pojačalo: ulazni napon upravlja izl. strujom

28

AI >> , AV ≈ 1

Rul>>, nema okretanja faze

Naponsko djelilo umjesto baterije u ulaznom krugu

D spojen na bateriju: za izmj. signal D je uzemljen!

Također radi u obogaćenom modu

Pojačalo u spoju ZD

Ista uloga kao emitersko sljedilo: za prilagođavanje impedancije

G

S

D

uG

+

+

RG

UDD

R1

R2RP

29

Pojačalo u spoju ZG

UDD

+

R P

DS

GR G

U G

+

+

-

+

R S

R 1

- -

R 2

ID

C

C – praktično K.S. za izmjenični signal - G je uzemljen za izmjenični signal (pogledati nadomjesnu shemu)

Naponsko djelilo za osiguravanje statičke radne

točke

Ako se odspoji generator, održava statičku radnu točku, osigurava mali ulazni otpor

30

Pojačalo u spoju ZG

U DD

+

R P

DS

GR G

U G

+

+

-

+

R S

R 1

- -

R 2

ID

C

AV >> , AI ≈ 1

Rul<<, Rizl>>

Koristi se kao transformator impedancije, no za strujne generatore – (za strujne generatore sa malim unutrašnjim otporom (“loše” generatore) u odnosu na otpor potrošača)

Documents

Pojačalo u spoju ZE Najčešće korišten spoj tranzistorskog pojačala (najbitniji)