Obciążenie wzmacniacza tranzystorowego

Przebadany przez nas układ wzmacniacza o wspólnym emiterze posiada parametry, które trzeba uwzględnić przy projektowaniu. Ustaliliśmy ostatnio punkt pracy i wydaje się, że mamy gotowy wzmacniacz. Problem w tym, że podłączymy do niego jakieś urządzenie wejściowe i wyjściowe. Czy to coś zmieni w naszym układzie?

Dodatkowo nie zwróciliśmy też uwagi na bardzo ważną właściwość, a dokładnie na odwrócenie fazy. Żeby to jak najdokładniej rozpoznać to tym razem podłączymy dwie sondy do układu. Jedną na wejście, a drugą na wyjście. Podziałkę ustawimy na obu kanałach 500mV, a podstawę czasu na 200us. Będziemy widzieć proporcje pomiędzy tymi sygnałami.

Po uruchomieniu układu zobaczymy dwa przebiegi zsynchronizowane w czasie. Sygnał wejściowy ma kolor niebieski, a wyjściowy żółty. Widać też to co już potwierdziliśmy, czyli sygnał został wzmocniony dwukrotnie. Nowym spostrzeżeniem jest to, że sygnał wyjściowy jest odwrócony w stosunku do sygnału wejściowego.

Dzieje się tak dlatego, że złącze kolektor-emiter (C-E) jest normalnie zamknięte. Kiedy przez bazę nie płynie prąd, to złącze C-E nie przewodzi. Na kolektorze występuje wtedy maksymalne napięcie. Jeżeli jednak przez bazę popłynie maksymalny prąd, to złącze C-E zostaje całkowicie otwarte. W naszym układzie będzie to oznaczać próbę połączenia kolektora do masy przez rezystor R4. Wtedy na kolektorze wystąpi najniższe napięcie. Na schemacie strzałki pokazują co się dzieje. Jeżeli napięcie na wejściu rośnie, to na wyjściu maleje. Jeżeli napięcie na wejściu maleje, to na wyjściu rośnie.

Rezystancja wyjściowa

Przeanalizujmy teraz sytuację, kiedy podłączamy do wyjścia jakiś odbiornik. Załóżmy, że jego oporność wynosi 1k. Sprawdźmy przebiegi… Okazuje się, że sygnał nie jest w ogóle wzmocniony. Co się stało? Podłączając rezystancję obciążenia RL w ten sposób otrzymamy połączenie równoległe rezystancji R2 i RL. Chociaż nie widać tego na pierwszy rzut oka.

Jak już pisałem układ musimy rozwiązać dla napięć stałych i zmiennych osobno. Podłączając obciążenie za kondensatorem C1, nie wpływamy na punkt pracy i stałe napięcia w układzie. Jednak dla sygnałów zmiennych kondensatory możemy traktować jak zwarcia (dla uproszczenia). W zasilaczu plus i minus napięcia jest filtrowany dużym kondensatorem. To oznacza, że dla przebiegów zmiennych są zwarte ze sobą. Poniżaj schemat zastępczy układu, pokazujący jak nasz wzmacniacz jest „widziany” przez sygnały zmienne.

Teraz widać dokładnie, że obciążenie zmieni naszą rezystancję odpowiedzialną za wzmocnienie. Zgodnie ze wzorem:

R = (R2 * RL)/(R2 + RL) = (1000 * 1000)/(1000 + 1000) = 500Ω

Teraz wzmocnienie wzmacniacza = 500/470 = 1,06 razy.

Jest to jedna z wad wzmacniacza o wspólnym emiterze. Rezystancja R2 jest rezystancją wyjściową i jest ważnym parametrem, który pozawala obliczyć jak bardzo możemy obciążyć wzmacniacz.

No a co się stanie jeśli jeszcze bardziej obciążymy wyjście? Na przykład podłączając rezystancję 100Ω? Wtedy otrzymamy tłumik, a nie wzmacniacz. Rezystancja R2 zmniejszy się do 90,91, a wzmocnienie będzie 0,19. Wbrew pozorom tą właściwość też się wykorzystuje. Na przykład w filtrach chcemy, żeby pożądany sygnał uległ wzmocnieniu, a niepożądany wytłumieniu.

Rezystancja wejściowa

Spójrzmy jeszcze raz na schemat zastępczy. Zobaczymy, że na wejściu też możemy policzyć rezystancję. Jest ona wynikiem połączenia równoległego rezystancji R1, R2 oraz R4 pomnożonej przez hFE. Mówiąc najprościej, prąd do rezystora R4 jest dostarczony z kolektora. Przez bazę będzie przepływał tylko prąd sterujący, który jest hFE razy mniejszy niż prąd kolektora. To w efekcie działa tak jakbyśmy „wzmocnili” rezystancję R4. Załóżmy, że hFE=100 i policzmy rezystancję wejściową.

Rwej = 1/R1 + 1/R3 + 1/(hFE * R4) = 1/22000 + 1/10000 + 1/(100 * 470) = 5 998Ω

Rezystancja wejściowa ma ok. 6kΩ. W odróżnieniu od wyjścia, na wejściu ta rezystancja nie wpływa na pracę wzmacniacza. Musimy jednak pamiętać, że będziemy go podłączać do innego urządzenia/modułu. Zbyt niska rezystancja wejściowa może obciążyć poprzedni układ i obniżyć jego wzmocnienie. Zasymulujmy połączenie dwóch naszych identycznych wzmacniaczy na schemacie.

Rezystancja wejściowa wynosi 6kΩ. Rezystancja wyjściowa wynosi 1k Ω.

Na połączeniu pierwszego i drugiego stopnia obie te rezystancje połączą się równolegle. Możemy wyliczyć ile ta rezystancja wyniesie.

R = 1/(1/Rwej + 1/Rwyj) = 1/(1/6000 + 1/1000) = 857Ω

Teraz policzymy wzmocnienie stopnia pierwszego - 857/470 = 1,82 razy.

Wzmocnienie stopnia drugiego pozostaje bez zmian = 1000/470 =  2,13 razy.

Wzmocnienie całego układu to 1,82 * 2,13 = 3,88 razy. Gdybyśmy nie sprawdzili jak się zmieni rezystancja wyjściowa stopnia pierwszego to pozostalibyśmy przy błędnym założeniu, że cały układ ma wzmocnienie 2,13 * 2,13 = 4,54 razy.

Podsumowanie

Na tym etapie wiemy jak rezystancje konfigurują nasz wzmacniacz ze wspólnym emiterem. Potrafimy określić wzmocnienie. Poznaliśmy pojęcie rezystancji wejściowej i wyjściowej. Zaczynają one odgrywać duże znaczenie jeżeli będziemy chcieli podłączyć nasz wzmacniacz do innych układów. W następnym artykule spróbujemy osiągnąć jak największe wzmocnienie i zobaczymy gdzie są granice możliwości pojedynczego tranzystora. Jak zwykle pytania możecie zadawać w komentarzach. Pozdrawiam. Hej.