SE1 - Širokopásmové zesilovače malého signálu

Širokopásmový zesilovač je takový zesilovač, jehož přenášená šířka pásma je podstatně větší než u běžných zesilovačů. Rozlišují se dva základní druhy - dolnopropustné a pásmové. 

Malý signál je takový signál, pro který platí lineární náhradní model.

Nastavení klidového pracovního bodu 

Pro správnou funkci musí mít tranzistor nastaven pracovní bod. Pracovní bod tranzistoru je určen proudem kolektoru, napětím mezi kolektorem a emitorem, proudem báze (popř. napětím na řídící elektrodě). Pracovní bod se tedy nastavuje pomocí rezistorů připojených k tranzistoru. 

Bipolární tranzistor 

Příklad 1

Jak příklad využijeme schéma zesilovače s NPN tranzistorem v zapojení se společným emitorem (SE) na následujícím obrázku.

Obr. 1: Zesilovač s tranzistorem buzeným proudem

Zadané hodnoty:

\(U_{CC} = 15 \ \rm V\)

\(\beta = 100 \rm \ při \ \it I_C = 1 \rm \ mA\)

Řešení:

Aby zesilovač zesiloval signál rovnoměrně a nezkresloval je třeba volit napětí na kolektorovém odporu poloviční napájecímu napětí, proto bude poloviční i napětí na kolektoru. Dále ze zadaní je jasné, že kolektorový proud je 1 mA. Chybí jen proud báze.

\(U_{CE}=\frac{U_{CC}}{2}=\frac{15}{2}=7,5 \ \rm V\)

\(I_C = 1 \ \rm mA\)

\(I_B = \frac{I_C}{\beta}=\frac{1}{100}=10 \ \rm \mu A\)

\(P=[U_{CE};I_C;I_B]=\rm [7,5 \ V; \ 1 \ mA; \ 10 \ \mu A]\)

Tak výpočet odporů:

\(R_C = \frac{\frac{U_{CC}}{2}}{I_C}=\frac{7,5}{1}=7,5 \ \rm k\Omega\)

\(R_B=\frac{U_{CC}-U_{BE}}{I_B}=\frac{15-0,65}{0,01} = 1,435 \ \rm M\Omega\)

Příklad 2

Zadané parametry jsou stejné jako u příkladu 1. Změnilo se zapojení zesilovače.

Obr. 2: Zesilovač s tranzistorem buzeným napětím

Pracovní bod je stejný jako v příkladě 1.

\(P=[U_{CE};I_C;I_B]=\rm [7,5 \ V; \ 1 \ mA; \ 10 \ \mu A]\)

Výpočet bázových rezistorů je složitější, jedná se o napěťový dělič. Je třeba, aby se choval jako nezatížený, proto proud, kterým jim teče, musí být větší než proud báze. V tomto příkladě bude 10x větší. Pak je výpočet následující:

\(R_{B1}=\frac{U_{CC}-U_{BE}}{k\cdot I_B}=\frac{15-0,65}{10\cdot 0,01}=143,5 \rm \ k\Omega\)

\(R_{B2}=\frac{U_{BE}}{(k-1)\cdot I_B}=\frac{0,65}{9\cdot 0.01}=7,2 \ \rm k\Omega\)

Unipolární tranzistor

Princip je stejný jako u bipolárních tranzistorů. Podstatný rozdíl je, že proud do řídící elektrody je blízký nule, proto není možné proudové buzení. 

Obr. 3: Zesilovač s unipolárním tranzistorem

Příklad 3

Zadání je stejné jako u předešlých příkladů. Jen se liší nastavený pracovní bod. Pro daný pracovní platí (z katalogu): \(U_{GS} = -2 \ \rm V\).

\(R_D = \frac{\frac{U_{CC}}{2}}{I_D}=\frac{7,5}{1}=7,5 \ \rm k\Omega\)

\(R_S=\frac{-U_{GS}}{I_D}=\frac{2}{1}=2 \ \rm k\Omega\)

Odpor \(R_G\) se většinou volí 1 M\(\Omega\). V tomto příkladu je \(R_S\) použit k vytvoření napětí \(U_{GS}\). Toto zapojení platí pro tranzistory se zabudovaným kanálem a J-FET. Pro indukovaný kanál lze použít podobné schéma jako v příkladu 2.

 

Stabilizace klidového pracovního bodu

Protože většina parametrů je teplotně závislá, způsobuje teplota největší problém, dále součástky stárnou a dají se najít i jiné vlastnosti, které způsobují měnící se pracovní bod. Jako příklad budeme uvažovat, průchodem proudu se tranzistor zahřívá, zvýšením teploty přechodu roste hodnota klidového proudu, tím se tranzistor zahřívá rychleji. Proto je třeba zavést nějakou zpětnou vazbu, která tento děj zpomalí, nebo úplně vyloučí. Základním zapojením stabilizace pracovního bodu je proudová zpětná vazba, která se vytvoří připojením emitorového rezistoru \(R_E\).  Vše znázorňuje následující obrázek. 

Obr. 4: Stabilizace pracovního bodu - degradované zapojení SE

Jedná se o tzv. degradované zapojení se společným emitorem. Pokud vzroste kolektorový proud, dojde ke zvýšení úbytku napětí na emitorovém rezistoru, tím se sníží napětí mezi bází a emitore a tranzistor se o něco více uzavře, tím klesne proud kolektoru. Jednoduché zapojení, bohužel se ale sníží i užitečné zesílení střídavého signálu na přibližnou hodnotu \(A_U = \frac{R_C}{R_E}\).

Proto pokud je požadované zesílení jako u SE, je nutné emitorový rezistor vyzkratovat pro střídavý signál. Toho se jednoduše dosáhne připojením kondenzátoru paralelně k rezistoru. Jeho kapacita by měla být dostatečně vysoká. Většinou se volí kolem \(100 \rm \ \mu F\). 

Obr. 5: Zapojení SE se stabilizací pracovního bodu s napěťovým buzením báze

Pro zapojení na obr. 1 se volí zpětná vazba napěťová, je zobrazena na následujícím obrázku.

Obr. 6: Zapojení napěťové zpětné vazby pro stabilizaci pracovního bodu

Při zvýšení proudu kolektoru, vzroste i úbytek napětí na kolektorovém odporu, tím klesne napětí na kolektoru. Díky zapojení RB klesne i budící proud tranzistoru, tím se tranzistor uzavře více, tím klesne proud kolektoru. Opět tato vazba má vliv i na zesílení střídavých signálů, proto je nutné vazbu upravit jen pro stejnosměrné signály pomocí T-článku (viz obr. 7).

Obr. 7: Zapojení SE se stabilizací pracovního bodu při proudovém buzení

Rezistor RB rozdělíme na dvě stejně velké hodnoty, střed přemostíme k zemi pomocí kapacity, tím dojde k zrušení zpětné vazby pro střídavé signály. 

Vlastnosti zesilovačů 

Mezi základní vlastnosti patří:

1. zesílení - může  být udáno v dB, nebo ve formátu 100x,
2. zkreslení:
   • nelineární:​
     • harmonické,
     • intermodulační,
   • lineární:​
     • frekvenční,
     • fázové,
     • přechodové,
3. výstupní výkon,
4. příkon (účinnost),
5. vstupní odpor,
6. výstupní odpor,
7. citlivost,
8. šumové vlastnosti,
9. šířka pásma,
10. třída zesilovače.

Vícestupňové zesilovače

Protože řešení zesilovače s velkým zesílením v jednostupňovém verzi vede k nestabilitě zesilovače, je výhodnější poskládat zesilovač z více stupňů s malým zesílením. Například je požadován zesilovač se zesílením 1000x, jednostupňový zesilovač by byl velmi citlivý na vnější vlivy a jeho stabilita by také nebyla vhodná, proto je lepší postavit třístupňový zesilovač, kde každý stupeň má zesílení 10x. 

Dalším důvodem pro vícestupňové zesilovače je vhodné použití různých zapojení tranzistoru, na vstupu může být tranzistor v zapojení SE, na výstupu SK (SC). Tím zlepšení impedančních poměrů, šířek pásma apod. 

Stupně jsou spolu vázaný pomocí vhodné vazby, vazba může být:

• stejnosměrná:
  • přímá,
  • pomocí děliče napětí,
  • pomocí Zenerovy diody,
  • pomocí proudových zdrojů,
• střídavá:
  • kapacitní,
  • transformátorová

Ještě se v zesilovačích používá zpětná vazba. Zpětná vazba zajišťuje přivedení části výstupního signálu na vstup. Rozlišují se dvě základní zpětné vazby: kladná a záporná. Kladná zpětná vazba zvětšuje zesílení, ale snižuje stabilitu. Záporná kladná vazba se v zesilovačích používá nejčastěji, snižuje celkové zesílení, ale zvětšuje šířku pásma, stabilitu obvodu.

Použitá literatura

1. BRANDŠTETTER, Pavel. Elektronika. Dotisk 2. vyd. Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita, 1999, 316 s. ISBN 80-707-8966-2

---

Přidal Vojtěch Šotola. Naposledy upravil Vojtěch Šotola dne 2020-05-16 14:51:48.