ZOSILŇOVAČE - ZÁKLADNÉ ZAPOJENIA S TRANZISTORMI



  S tranzistormi môžeme realizovať tri základné zapojenia zosilňovačov. Na obrázku 1.  je tranzistor zapojený so spoločnou bázou, označuje sa skratkou  SB,  na obrázku 2.  je tranzistor zapojený so spoločným emitorom, označuje sa skratkou  SE,  na obrázku 3. je tranzistor zapojený so spoločným kolektorom, označuje sa skratkou  SK.



Obr. 1.  Zapojenie SB


Obr. 2.  Zapojenie SE


Obr. 3.  Zapojenie SK

  Základné parametre zosilňovača s ich hodnotami pre tri základné zapojenia tranzistora sú v nasledujúcej tabuľke.

Parameter SB SE SK
Rvst [ W ] 101 ÷ 102 103 ÷ 104 105 ÷ 106
Rvýst [ W ] 105 ÷ 106 104 ÷ 105 102 ÷ 103
Au   [ - ] 101 ÷ 102 ( -101 ) ÷ ( -102 ) < 1
Ai    [ - ] < 1 101 ÷ 102 101 ÷ 102
Ap   [ - ] 101 ÷ 102 103 ÷ 104 101 ÷ 102

(Poznámka : Zápis, napr. 101 ÷ 102 sa má čítať   desiatky až stovky,  nie desať až sto.)
Rvst ....... vstupný odpor zosilňovača
Rvýst ....... výstupný odpor zosilňovača
Au ....... napäťové zosilnenie zosilňovača
Ai ....... prúdové zosilnenie zosilňovača
Ap ....... výkonové zosilnenie zosilňovača

         Bipolárne tranzistory môžeme považovať za štvorpóly, teda za dvojbrány, pre ktoré vieme napísať linearizované charakteristické rovnice tak, ako sme to urobili v podtéme "Hybridná náhrada dvojbrány" v téme "Zosilňovacie súčiastky ako dvojbrány". Zo štvorpólových rovníc vieme odvodiť hlavné parametre tranzistora ako zosilňovača. My si ukážeme postup odvodenia vzťahov pre určenie základných parametrov tranzistora ako zosilňovača na zapojení so spoločným emitorom - SE. Toto zapojenie prekreslíme pomocou hybridnej náhrady tranzistora a napíšeme linearizované charakteristické rovnice.

Hybridná náhrada tranzistora

Obr. 4.  Hybridný náhradný obvod bipolárneho tranzistora s budiacim zdrojom  ug  a vonkajšou záťažov  RZ

Linearizované charakteristické rovnice :
u1 = h11.i1 + h12.u2       ( 1 )
i2 = h21.i1 + h22.u2       ( 2 )

       Medzi základné parametre zosilňovača patria vstupný a výstupný odpor, napäťové, prúdové a výkonové zosilnenie.  Teraz si tieto parametre zadefinujeme a napíšeme si rovnice pre ich výpočet.
   (Zobrazenie spôsobu odvodenia platnosti daných rovníc je možné kliknutím na šípku vpravo vedľa rovnice.)



  Vstupný odpor Rvst   -   je definovaný ako pomer vstupného napätia u1 a vstupného prúdu i1 zosilňovača vzťahom :


Dh = h11.h22 - h12.h21 ....... je  determinant  h  parametrov  tranzistora




  Výstupný odpor Rvýst   -   určuje sa pri napätí generátora  ug = 0 V  a je definovaný ako pomer výstupného napätia u2  pri výstupných svorkách naprázdno a výstupného prúdu i2  pri výstupných svorkách nakrátko vzťahom :




  Napäťové zosilnenie Au   -   je definované ako pomer výstupného napätia u2  ku vstupnému napätiu u1 zosilňovača vzťahom :

Ak budeme predpokladať, že výstupná vodivosť h22 a spätný napäťový zosilňovací činiteľ h12 sú veľmi malé, teda :

h12 ® 0   ,     h22 ® 0
potom  Dh ® 0 a  teda :
            ( 3 )

       Z rovnice ( 3 ) vidno, že napäťové zosilnenie Au je priamo úmerné celkovému odporu zaťažovacieho rezistora RZ  pripojeného ku kolektoru tranzistora.




  Prúdové zosilnenie Ai   -   je definované ako pomer výstupného prúdu i2  ku vstupnému prúdu i1  zosilňovača vzťahom :


       Ak výstupná vodivosť h22 ® 0, potom prúdové zosilnenie zosilňovača je dané prúdovým zosilňovacím činiteľom  h21  samotného tranzistora.




  Výkonové zosilnenie Ap   -   môžeme vyjadriť ako pomer výkonu Pvýst  na zaťažovacom rezistore  RZ  k výkonu Pvst,  ktorý dodá generátor do vstupného obvodu zosilňovača a zapísať ho vzťahom :

Ak budeme predpokladať, že výstupná vodivosť  h22  a spätný napäťový zosilňovací činiteľ  h12  sú veľmi malé, teda :

h12 ® 0   ,   h22 ® 0

potom dostávame zjednodušený vzťah pre výpočet výkonového zosilnenia zosilňovača :




         V niektorých prípadoch je výhodné vyjadriť vzájomný vzťah medzi výstupným prúdom i2 a vstupným napätím u1 zosilňovača. Tento vzájomný vzťah je vyjadrený prenosovou admitanciou ( strmosťou ) G21, ktorá je definovaná a zapísaná rovnicou :




       Ako si môžeme všimnúť, vo väčšine vzťahov sa vyskytuje zaťažovací rezistor  RZ. Tento rezistor skutočne viac alebo menej ovplyvňuje výsledné hodnoty parametrov zosilňovača a teda správanie sa tranzistora, ako zosilňovača. Na nasledujúcom obrázku je možné vidieť, že s narastajúcim odporom rezistora  RZ  narastá napäťové zosilnenie  Au  zosilňovača, ale klesá jeho prúdové zosilnenie  Ai . Z toho vyplýva, a je to aj na obrázku vidieť, že existuje určitá optimálna veľkosť odporu tohto rezistora, kedy je aj výkonové zosilnenie zosilňovača maximálne. Túto hodnotu odporu vieme určiť zo vzťahu :


Pri tejto hodnote odporu dosiahneme maximálne výkonové zosilnenie dané vzťahom :

Grafické znázornenie zmien zosilnení

Obr. 5.  Graf závislosti napäťového, prúdového a výkonového zosilnenia od vonkajšej záťaže RZ

Pre dosiahnutie napríklad dobrých šumových vlastností je potrebné, aby výstupný odpor generátora mal určitú optimálnu hodnotu. Túto hodnotu vieme vypočítať zo vzťahu :

       Na záver si ešte uvedieme zapojenia jednostupňových zosilňovačov striedavých signálov s bipolárnymi a unipolárnymi tranzistormi v zapojeniach SE ( obr. 6., 7. ), SB ( SG ) ( obr. 8., 9. ), SK (obr. 10., 11. )

Zapojenie SE s bipolárnym tranzistorom

Obr. 6.  Bipolárny tranzistor v zapojení SE
Zapojenie SE s unipolárnym tranzistorom

Obr. 7.  Unipolárny tranzistor v zapojení SE
 
Zapojenia SB s bipolárnym tranzistorom

Obr. 8.  Bipolárny tranzistor v zapojení SB
Zapojenie SG s unipolárnym tranzistorom

Obr. 9.  Unipolárny tranzistor v zapojení SG
 
Zapojenie SK s bipolárnym tranzistorom

Obr. 10.  Bipolárny tranzistor v zapojení SK
Zapojenie SK s unipolárnym tranzistorom

Obr. 11.  Unipolárny tranzistor v zapojení SK

         Ako vidno z obrázkov, obvodové schémy pre bipolárny a unipolárny tranzistor sú si podobné pre ten ktorý typ zapojenia. Rezistory v obvode bázy bipolárneho a v obvode riadiacej elektródy unipolárného tranzistora slúžia na nastavenie kľudového pracovného bodu Po tranzistora. Tieto rezistory vytvárajú napäťový delič a sú použité vo všetkých typoch zapojení tranzistorov. Zásadný rozdiel je však vo veľkosti hodnoty odporu týchto rezistorov. V obvode bázy bipolárneho tranzistora sa používajú rezistory s hodnotou niekoľkých desiatok až stoviek kiloohmov, kým v obvode riadiacej elektródy unipolárneho tranzistora s hodnotou jednotiek až desiatok megaohmov.

       U unipolárnych tranzistorov je ešte dôležité, aký typ unipolárneho tranzistora použijeme, či  JFET  alebo  MOSFET.  Pri  JFET-e sa zapája iba rezistor R2 , teda z riadiacej elektródy na elektrickú zem a rezistor R1, z napájania na riadiacu elektródu, sa nezapája.

       U bipolárnych tranzistorov v zapojení  SE, SK  sa nemusí zapájať rezistor R2, iba rezistor  R1.  Rezistor  R2  však zlepšuje stabilitu pracovného bodu  Po.   Kondenzátory C2 v zapojení  SE  slúžia na zvýšenie zosilnenia zosilňovača pre striedavý signál ( skratujú rezistor R3 pre striedavý signál ).  V zapojení  SB ( SG )  zabezpečuje kondenzátor C2 uzemnenie bázy ( riadiacej elektródy ) pre striedavý signál ( skratuje rezistor R2 pre striedavý signál ).

         Vo všeobecnosti platí, že každé z hore uvedených zapojení má svoje špecifické vlastnosti. O niektorých si pohovoríme v niektorej nasledujúcej podtéme o vlastnostiach zosilňovačov.







!!!   Použitie obsahu stránok alebo ich častí na "kvaziautorské" a komerčné účely je v rozpore s autorskými právami a je možné len so súhlasom autora   !!!

Spracoval :  Ing. Alexander Žatkovič
Prípadné pripomienky alebo otázky zasielajte na adresu