Základní zapojení zesilovačů

Nízkofrekvenční zesilovač

Zesiluje kmitočty akustického pásma, tj. 16 Hz až 20 kHz.

Obr. 1: Zapojení jednostupňového nf zesilovače

Popis jednostupňového zesilovače třídy „A”

Vstup zesilovače tvoří svorky 1-1´, na které je přivedeno napětí ze střídavého zdroje signálu u₁. Výstup 2-2’ je připojen na zátěž R_Z. Zdroj a vnější zátěž jsou od zesilovače stejnosměrně odděleny vazebními kondenzátory C_V1 a C_V2. Stejnosměrný pracovní bod je nastaven rezistorem R_B, R_C, R_E a napětím U_CC.

Klidový pracovní bod

Klidový pracovní bod P₀ je zvolen ve třídě A, takže tranzistorem prochází trvale stejnosměrné proudy i bez přivedení signálu. Třída A vykazuje oproti jiným třídám největší linearitu na úkor účinnosti. Využívá se u předzesilovačů, kde nezáleží tolik na účinnosti, ale hlavně na linearitě a nízkém šumovém činiteli. Ve výstupních charakteristikách je nastaven pracovní bod stejnosměrným kolektorovým proudem l_C, kolektorovým napětím U_CE a proudem báze l_B.

Obr. 2: Nastavení pracovního bodu zesilovače

Požadované hodnoty napětí a proudů se nastaví ve vstupním obvodu rezistorem R_B, ve výstupním obvodu rezistory R_C a R_E. Obvody zesilovače prochází stejnosměrný proud a naměříme zde pouze stejnosměrná napětí. Jedná se o stejnosměrné nastavení pracovního bodu a říkáme, že se obvod nachází ve statickém stavu. Rezistor R_E zavádí zápornou zpětnou vazbu, důležitou pro teplotní stabilizaci pracovního bodu tranzistoru, nebo omezení vlivu stárnutí součástek. Kondenzátor C_E zajišťuje, že se emitorový rezistor R_E pro střídavou složku emitorového proudu takřka neuplatní, neboť je kondenzátorem zkratován. Zapojuje se proto, aby nedošlo ke snížení zesílení užitečného signálu. Jeho hodnota se volí tak, aby pro kmitočet f_d platilo X_C << R_E a pro nf zesilovače se pohybuje kolem 100μF.

Nejdříve musíme nastavit klidový pracovní bod P₀ tranzistoru tak, aby rozkmit přiváděného vstupního signálu nevybočil z aktivní pracovní oblasti. Aktivní pracovní oblast tranzistoru (viz obr. 3) je vymezena hranicemi maximálního dovoleného napětí mezi kolektorem a emitorem U_CEMAX, největším dovoleným klidovým proudem I_CMAX, největší dovolenou kolektorovou ztrátou tranzistoru P_CMAX, mezní přímkou a minimálním proudem I_B.

Poloha P₀ leží dále vždy na příslušné zatěžovací přímce z.p., udávající velikost kolektorového odporu R_C. Protože klidový pracovní bod tranzistoru P₀ je určen dvěma nezávislými veličinami, volíme je jako U_CE a I_C, resp. U_CE a I_B.

Obr. 3: Aktivní pracovní oblast tranzistoru

Jelikož se v praxi nejčastěji užívá zapojení tranzistoru SE, ukážeme postup pro stanovení P₀ v tomto zapojení, a to analytickou metodou. Ze zadaných hodnot a požadavků na požadovanou funkci tranzistoru určíme vždy zbývající hodnoty následujícím postupem:

Návrh zesilovače

Zesilovač navrhujeme při znalosti napájecího napětí U_CC, kolektorového proudu I_C, proudového zesílení β, popřípadě s použitím výstupních charakteristik tranzistoru.

• Použité vztahy

Pro β≫1 se vztah zjednoduší: 

Z tohoto vztahu lze vypočítat velikost odporu R_B. Napětí U_BE je v zapojení SE prakticky konstantní. U většiny křemíkových tranzistorů můžeme použít hodnotu U_BE = 0,65V.

Ve výstupních charakteristikách musí pracovní bod ležet na zatěžovací přímce dané rovnicí:

• Postup návrhu

1. U_CC … je zadáno, např. 12V.
2. Velikost kolektorového odporu R_C se volí dle vztahu: R_C ≤ R_Z/10.
3. Kolektorový proud I_C v pracovním bodě P₀ lze přibližně určit z výstupních charakteristik tranzistoru a zatěžovací přímky dané body U_CC a U_CC/1,1R_C. Pro třídu A se volí pracovní bod P₀ přibližně uprostřed zatěžovací přímky. Jeho polohou se zároveň určí i proud I_B. Je možné také I_C zvolit, např. pro předzesilovač I_C = 1mA. Z V-A charakteristik při daném napětí U_CC a volbě polohy P₀ lze graficky určit I_CMAX (nesmí překročit mezní hodnotu) a vypočítat hodnoty R_C a R_E: R_C + R_E = (U_CC – U_CE)/I_C.
4. U_CE se určí z V-A charakteristiky pro pracovní bod P₀.
5. Proudový zesilovací činitel β – změřen na tranzistoru.
6. Napětí U_BE se volí 0,65 V.
7. Velikost emitorového odporu R_E se volí: R_E ≈ R_C/10.
8. Napětí na emitoru: U_E ≈ R_E I_C.
9. Napětí báze: U_B = U_E + U_BE.
10. Proud báze: I_B = I_C/ β.
11. Velikost odporu R_B se vypočte dle vzorce: R_B = (U_CC – U_B)/I_B.
12. C_E se vypočte pro kmitočet f_d s použitím podmínky: X_C < R_E. X_C = 1/2πf_dC_E.

.

Kontrolu pracovního bodu lze provést podle vzorců: U_C = U_CC – R_C I_C, a U_CE = U_C – U_E.
Součástí návrhu zesilovacího stupně bývá také výpočet dynamických parametrů. Podrobnější informace lze nalézt např. v materiálu: http://panwiki.panska.cz/index.php/Praktick%C3%BD_v%C3%BDpo%C4%8Det_tranzistorov%C3%A9ho_stupn%C4%9B

 

Zdroje

• BRINDL, Pavel. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_09_Základní zapojení nf zesilovače s bipolárními tran. Přerov, 2013.
• BIOLEK, Dalibor, Karel HÁJEK a Antonín KRTIČKA. FEKT VUT BRNO. Analogové elektronické obvody: přednášky [online]. Brno, 2007, 30.11.2007 [cit. 2015-01-20]. Dostupné z: http://user.unob.cz/biolek/vyukaVUT/skripta/BAEY_prednasky.pdf
• Zjednodušený výpočet tranzistorového zesilovače [online]. [cit. 2015-01-20]. Dostupné z: http://www.souch.cz/dok/e/zesil.pdf

Obrázky

•  Obr. 1: BRINDL, Pavel. Zapojení jednostupňového nf zesilovače. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_09_Základní zapojení nf zesilovače s bipolárními tran. Přerov, 2013.
•  Obr. 2: BRINDL, Pavel. Nastavení pracovního bodu zesilovače. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_09_Základní zapojení nf zesilovače s bipolárními tran. Přerov, 2013.
•  Obr. 3: BRINDL, Pavel. Aktivní pracovní oblast tranzistoru. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_09_Základní zapojení nf zesilovače s bipolárními tran. Přerov, 2013.