Siema. W ostatniej dzidzie pokazałem Wam jak działa tranzystor bipolarny i jak zbudować z niego bufor napięcia. Dzisiaj zbudujemy wzmacniacz ze wzmocnieniem >1, czyli zwiększymy napięcie. Zapraszam.

Powyższe zdjęcie prezentuje nam tranzystor w układzie ze wspólnym emiterem. Czym? No właśnie. Zanim przejdziemy do sedna, słów kilka na temat układów pracy bipolara. Wyróżniamy 3 układy pracy: wspólny emiter(CE), wspólny kolektor(CC) i wspólna baza(CB). Nazwa bierze się stąd, która elektroda jest niepodłączona do sygnału wejściowego ani wyjściowego. Ostatnim razem braliśmy sygnał wyjściowy z emitera, także wspólny został kolektor. Stąd ostatnia topologia to był wzmacniacz ze wspólnym kolektorem. Tabelka poniżej prezentuje ogólne cechy każdej topologii: (Źródło wikipedia)

Na chwilę obecną interesują nas 2 parametry: wzmocnienie napięciowe i impedancja wejściowa. Wmocnienie napięciowe określa jak mniej więcej możemy wzmocnić sygnał (pomnożyć A razy) - dla CC wynosi on 1 i wykazaliśmy to ostatnio eksperymentalnie, natomiast CE może osiągnąć duże wzmocnienie. Wzmocnienie generalnie ustala się za pomocą doboru komponentów i jest niezależne od wzmocnienia beta tranzystora. Impedancja wejściowa z kolei określa ile prądu ze źródła będzie pobierał nasz wzmacniacz. Ogólna zasada jest taka, żeby impedancja wejściowa była jak największa, dzięki czemu osiągniemy mniejsze straty sygnału a i wyjście źródła sygnału jest mniej obciążone. Jak to działa? Żeby wytłumaczyć to zjawisko posłuże się rzeczywistym modelem elektrycznym baterii:

Jak widzimy, bateria ma swoją rezystancję wewnętrzną którą możemy reprezentować na schemacie jako rezystor na wyjściu. Możemy to potraktować jako impedancję wyjściową. Obciążenie traktujemy jako impedancję wejściową. W tym przypadku, ich różnica jest duża 1/100, ale możemy już zaobserwować delikatny spadek napięcia - obciążenie nie ma 12V lecz "zaledwie" 11,9V. Taka sytuacja jest ok, ale co się stanie jeśli podepniemy niską/wysoką impedancję wyjściową do niskiej wejściowej?

Napięcie już spadło do 10V. Dzieje się tak, gdyż te rezystory zachowują się jak dzielnik napięcia - i tak rozumiemy połączenie impedancji wyjściowej i wejściowej. OK, wiemy już co nieco o topologiach wzmacniacza i istotnych parametrach, więc możemy się zabrać za konstrukcję wzmacniacza CE. Posłużymy się układem z ostatniego odcinka i go ulepszymy:

Jak widzicie, dodałem rezystor na kolektorze, oraz wyjście jest wzięte z kolektora - prąd płynie poprzez kondensator (sprzęgający - odcina DC) i rezystor (symuluje obciążenie np. kolejny stopień wzmacniacza). Wzmacniacz działa, ale sygnał nie jest wzmocniony i do tego jeszcze odwrócony. Już tłumaczę.
Przy obliczaniu wzmacniacza CE musimy pamiętać o 3 zasadach:

1.1 Sygnał wyjściowy jest odwrócony w fazie o 180 stopni - do góry nogami.
1.2 Wzmocnienie ustawiamy za pomocą rezystora na kolektorze i emiterze. A = Rc/Re
1.3 Aby zmaksymalizować headroom i zmniejszyć zniekształcenia, ustawiamy punkt pracy - Napięcie na kolektorze Uc = 0,5*Vcc.

Impedancją wejściową się nie przejmujemy - jeśli chcemy uzyskać wysoką Rwe, stosujemy układ CC. W przypadku CE teoretycznie też moglibyśmy uzyskać wysoką, ale kosztowałoby to nas mnóstwo headroomu - zwiększając Re zmniejszamy wzmocnienie oraz maksymalny prąd kolektora. No dobrze, spróbujmy zwiększyć wzmocnienie do A = 10:

No i oczywiście wyszła z tego popelina. Dlaczego? Przyjrzyj się uważnie pomiarom prądu emitera i bazy oraz napięciom. Ograniczyliśmy prąd kolektora używając dużych rezystancji: Icmax = Vcc/(Rc + Re), jednocześnie układ biasowania został bez zmian. Powoduje to nasycenie tranzystora - czyli dochodzi do sytuacji w której tranzystor zachowuje się jak stary dziadek - chciałby ale nie może ... przepuścić więcej prądu kolektora. OK, w takim razie policzmy jakie rezystory dobrać
aby uzyskać wzmocnienie 10x i stabilną pracę. Liczymy step by step:

2.1 Ustalamy wzmocnienie - w naszym przypadku A = 10, zatem Rc = 10*Re
2.2 Ustalamy napięcie na kolektorze - 0,5*Vcc = 4,5V. Uc = Vcc - Ic*Rc. Dokładając to równanie sprawa zaczyna się powoli wyjaśniać
2.3 Ustalamy jakiś prąd spoczynkowy kolektora np. 2mA
2.4 Znając parametr beta (w tym przypadku 100) dobieramy Rb tak aby uzyskać odpowiednie Ic wg wzoru Ib = (Vcc-0,7)/(Rb+Re). Uwaga! Ta metoda nie jest "profesjonalna" ponieważ beta tranzystora ma bardzo duży rozrzut względem egzemplarzy tego samego typu tranzystora, temperatury, prądu kolektora. Aby uzyskać stabilność pracy należy dodać rezystor uziemiający bazę - za chwilę pokaże.

Policzmy to. 4,5V = 2mA*Rc, wychodzi Rc = 2,25 kOhm. Zatem Re = 225 Ohm. Ib = Ic/beta = 20 uA. 20 uA = (9-0,7)/(Rb + beta*Re). Wychodzi Rb = 392,5 kOhm. Wrzućmy te wartości do symulacji i zobaczmy co się stanie:

Proszę bardzo: gra i trąbi. Widzimy że wzmocnienie nie wynosi dokładnie 10 (amplitudy powinny być identyczne, kanał wyjściowy ma podziałkę 10x większą) ale niestety jest to nie do przeskoczenia, teoretycznie powinniśmy założyć nieco większe wzmocnienie żeby uzyskać docelowe. No dobrze, a co ze stabilnością? Już tłumaczę. Aby ulepszyć układ, możemy dołożyć jeden rezystor tworząc dzielnik napięcia na bazie. Znając założone napięcie na emiterze (w naszym przypadku 0,45V) ustawiamy taki dzielnik napięcia, żeby wynosiło Ue + 0,7 = 1,15V. Przy okazji zamienię wartości rezystorów na coś bardziej dostępnego - typowe wartości z szeregu E24 które wszyscy znajdziecie w domu bądź w lokalnym sklepie:

Po paru minutach eksperymentowania znalazłem odpowiednie wartości. Generalnie dobranie rezystorów dzielnika nie jest takie oczywiste. Rezystor oznaczony na niebiesko podpierdala troche prądu od prądu bazy, co sprawia że napięcie na bazie zmienia się w "losowy" sposób. W moim przypadku musiałem dobrać takie wartości, aby utrzymać stosunek rezystancji ustawiający napięcie 1,15V na bazie, uważając na to by wartość R3 nie była zbyt duża ... i R7 też. Generalnie w tej konfiguracji wszystko zależy od wszystkiego i liczenie tego ręcznie jest bez sensu (parametr beta zmienia się szybko jak poglądy Hołowni,
stąd też idea dzielnika). Dlatego trzeba mierzyć prąd kolektora i napięcie Uc i kombinować. Ja się kieruje następującą procedurą:

3.1 Wybieramy jakąś rezystancje R3.
3.2 Dobieramy odpowiednią rezystancję R7 aby teoretyczne napięcie na dzielniku zgadzało się z założonym Ub (w moim przypadku 1,15V).
3.3 Mierzymy prąd kolektora. Jeśli Ic jest mniejsze niż założone (w moim przypadku 4.5mA) to zmniejszamy rezystancję, jeśli większe to zwiększamy.
3.4 Powtórz do skutku

Na fioletowo jest zaznaczony rezystor który też utrudnia sprawę. Działa on tłumiąco (tworzy dzielnik napięcia z impedancją wejściową). W moim przypadku
impedancja wejściowa jest bardzo smutna (Re = 100 ohm), rzędu kilku kOhm, co sprawia że sygnał traci amplitudę już na starcie. Ta rezystancja w połączeniu z
kondensatorem i rezystorami dzielnika odpowiadają za wzmocnienie mniejsze niż teoretyczne. Mimo to, nie powinniśmy się go pozbywać - ten rezystor zabezpiecza
bazę tranzystora przed przepięciami - np. podczas wpinania kabla do gniazda, albo załączenie efektu, dzięki czemu też nie słyszymy trzasków lub klikania.

Na dzisiaj tyle. Podsumowując, nauczyliśmy się jak zbudować wzmacniacz tranzystorowy w konfiguracji CE i ustawić precyzyjnie jego punkt pracy. W kolejnych dzidach nauczymy się o kolejnych praktykach ulepszających wzmacniacz oraz filtrach. Miłego wieczoru