Tohle je statická kopie kapitoly pro vyhledávače. Interaktivní verze má animované obrázky, kontrolní otázky a tlačítka, která příklad načtou do kalkulačky.
8. Tranzistor jako zesilovač
Spínač skáče mezi krajními stavy. Zesilovač musí sedět uprostřed a hýbat se kolem toho
místa — a to je celý problém. Uprostřed není žádná přirozená stabilní poloha; musí se tam
nastavit a udržet.
Nastavení klidového bodu
Zesilovač zpracovává střídavý signál kolem klidového (pracovního) bodu. Ten bod
určuje, jak velký signál se do zesilovače vejde, než začne ořezávat. Ideálně leží
uprostřed mezi napájením a zemí, aby byl prostor na obě strany stejný.
Nejhorší způsob nastavení je odporem z napájení do báze: proud báze je pak přímo úměrný β,
a to není konstanta. Nejlepší běžný způsob je dělič + emitorový odpor:
Zapojení se společným emitorem, dělič v bázi a odpor v emitoru. Dělič drží bázi na pevném napětí, emitorový odpor z toho udělá pevný proud — a β do toho nemluví.
Kouzlo je v RE a je to zpětná vazba: dělič drží bázi na pevném napětí,
emitor je o 0,7 V níž, takže proud emitorem je dán jen RE. Kdyby proud
z jakéhokoliv důvodu narostl, zvedne se napětí na RE, tím klesne UBE a
proud se vrátí. β do toho nemá co mluvit.
IC ≈ UB − 0,7 VRE UB = UCC · R₂R₁+R₂nastavení klidového proudu
Strmost, malý signál a zisk
Kolem klidového bodu se křivka dá nahradit tečnou (jako u Newtona v kapitole 4) a z toho
vyjde strmost:
gm = ICVT rπ = βgm Au = −gm · (RC ∥ ro)malý signál se společným emitorem
Pozoruhodná věc: gm závisí jen na proudu, ne na
tom, jaký je to tranzistor. Při 1 mA je to vždycky 38,7 mS, ať stojí korunu nebo sto.
Zesílení pak vyjde Au ≈ −IC·RC/VT, tedy
zhruba úbytek na RC vydělený 26 mV. Zesilovač s 5 V na kolektorovém odporu
má zisk skoro 200, a nezáleží na tom, jaký tranzistor v něm je.
A teď to vyzkoušej
klidový kolektor 5,72 V · zisk -2399× · výstup kmitá 2,51 V–12 V · ořezáno — buď ubrat vstup, nebo posunout klidový bod doprostřed
Vlevo převodní charakteristika, vpravo skutečný průběh na výstupu.
Zvětšuj amplitudu vstupu: nejdřív je výstup pěkná sinusovka, pak se jedna strana
zploští a nakonec obě. To je ořezání, a nevzniklo z žádného vzorce — nástroj řeší obvod
v každém okamžiku znovu a tranzistor prostě narazí na napájení. Posuň děličem a uvidíš
druhou půlku problému: špatně nastavený klidový bod ořezává mnohem dřív, protože nemá na jednu
stranu prostor.
Cena za stabilitu
RE, který drží klidový bod, zároveň ubírá zisk: signál na emitoru se hýbe
s bází a rozdíl UBE se zmenší. Zisk klesne z −gmRC na zhruba
−RC/RE — tedy z 200 na 5. Řešení je překlenout RE
kondenzátorem: pro stejnosměrné nastavení tam zůstane, pro signál zmizí. Tenhle nástroj to
umí spočítat obojí a rozdíl je víc než dvacetinásobný.
Zisk −RC/RE je ale ten spolehlivý.
Nezávisí na β, na teplotě ani na proudu — je to poměr dvou odporů. Většina reálných zesilovačů
vědomě obětuje zisk za tuhle předvídatelnost, a operační zesilovač je ta myšlenka dotažená
do konce.
Vzorce v této kapitole
g_m — strmost bipolárního tranzistoru
g_m = I_C / V_T[S]derivace Shockleyho vztahu; při 1 mA vždy 38,7 mS bez ohledu na typ
A_u — zisk zapojení se společným emitorem
A_u = −g_m · (R_C ∥ r_o) ≈ −I_C·R_C / V_T[—]malosignálový model; s nepřeklenutým R_E klesá na −R_C/R_E
I_C(klid) — klidový proud při nastavení děličem
I_C ≈ (U_B − U_BE) / R_E[A]zpětná vazba přes R_E; záměrně nezávislé na β