Darlingtonovo zapojení

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Darlingtonovo zapojení"

Lukáš Růžička
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 Tento dokument slouží pouze pro studijní účely studentům ČVUT FEL, zejména v předmětu X31ELO Dokument nemá konečnou podobu a může se časem upravovat a doplňovat Uživatel může dokument použít pouze pro svoje studijní potřeby Distribuce a převod do tištěné podoby je povolen pouze se svolením autora! c Jiří Hospodka Darlingtonovo zapojení Darlingtonovo zapojení je zapojení dvou bipolárních tranzistorů, uvedené na obrázku 1 Kolektor prvního tranzistoru (T 1 ) je možné buď spojit s kolektorem druhého tranzistoru, nebo lépe zapojit přímo na napájecí napětí (zapojení SC), čímž se u tohoto tranzistoru eliminuje Millerův efekt i B1 i C1 T 1 i B2 T 2 i C2 i E2 Obrázek 1: Darlingtonovo zapojení s tranzistory NPN Pokud budou tranzistory polarizovány do aktivního režimu, platí pro proudy jednotlivých elektrod následující relace i B1 (B F 1 +1)=α N2 i C1 = i E1 = i B2 = i C2 B F 2 (1) Pro celkový proudový zesilovací činitel lze tedy psát B F = i C i B = i C2 i B1 = B F 2 (B F 1 +1) = B F 2 B F 1, (2) z čehož vyplývá první výhodná vlastnost tohoto zapojení celkový proudový zesilovací činitel je přibližně B F -násobně větší, oproti jednomu klasickému tranzistoru Proto se toto zapojení využívá zejména tam, kde požadujeme velké proudové zesílení (koncové stupně), resp malý vstupní proud Jinými slovy tam, kde je třeba velký vstupní odpor při zachování velké strmosti g m (nelze použít tranzistory FET) V dalších úvahách budeme zjednodušeně považovat proudové zesilovací činitele B F obou tranzistorů za rovné, tj i činitele α N Stejný předpoklad provedeme i u jejich střídavých ekvivalentů β a α, B F 1 = B F 2 = B F, α N1 = α N2 = α N, β 1 = β 2 = β, α 1 = α 2 = α Pro stejnosměrné proudy v pracovním bodě potom platí I C1 = α N I E1 = α N I B2 = α N I C2 I C2 = (3) B F B F Použijme nyní Darlingtonovo zapojení v konstrukci jednoduchého zesilovačů Vyjdeme z jednostupňových zesilovačů v zapojení se společným emitorem (obrázek??) a kolektorem (obrázek??), kde však místo jednoho tranzistoru použijeme nyní Darlingtonovo zapojení tranzistorů dvou

2 Zapojení se společným emitorem Stejnosměrný bod je nastaven pomocí napěťového zdroje U 1 Toto nastavení je spíše ilustrativní a pracovní bod není nikterak stabilizován Pro praktické použití by tedy toto nastavení pracovního bodu bylo nevhodné (nepoužitelné) V našem případě se však budeme zabývat především vlastnostmi zapojení pro střídavé signály a pro tento účel je toto jednoduché nastavení naopak výhodné +U cc R c u 2 U 1 Obrázek 2: Zesilovač v zapojení SE s Darlingtonovým zapojením tranzistorů Pro poměr kolektorových proudů platí vztah 3 Budeme-li dále uvažovat rovnost hodnot B F β,platí,vzhledemk(??)a(??), ekvivalentní relace pro strmostmi obou tranzistorů Pro hodnoty prvků linearizovaného náhradního schématu pro malé změny obvodových veličin v okolí pracovního potom platí r e1 = r π1 = g m1 = αg m2 β = g m2 β, (4) β β 2 = = β, (5) g m1 g m2 α g m1 = β g m2 = = r π1 β +1 (6) Na následujícím obrázku 3 je náhradní linearzované schéma zapojení 2 pro střídavé veličiny, kde jsou tranzistory nahrazeny π-modely r π1 u be1 i b2 = i e1 = =(β 1 +1) g m1 u be1 R c u 2 g m2 Obrázek 3: Náhradní schéma zesilovače pro malé změny obvodových veličin Pro obvodové veličiny evidentně platí

3 ( ) = rπ1 +(β +1) = ib1 2r π1, (7) = (β +1) = r π1 +(β +1) 2, (8) u 2 = g m2 R c = g m2 R c 2 (9) Vtupní odpor a napěťové zesílení lze potom vyjádřit z (7) a (9) R vst = =2r π1 =2(β +1) (10) A u = g m2r c (11) 2 Oproti klasickému zapojení se společným emitorem s jedním tranzistorem je napěťové zesílení zesilovače s Darlingtonovým zapojením poloviční, při stejném nastavení pracovního bodu (I C = I C2 kolektorový proud tranzistoru T 2 je shodný s kolektorovým proudem tranzistoru jednostupňového zesilovače) Vstupní odpor je však 2β-násobný (r π1 =2βrπ2 )! Toto zapojení se proto používá zejména tam, kde je nutný vysoký vstupní odpor Pokusme se nyní zvýšit zesílení celkového zapojení, při zachování vysokého vstupního odporu Zapojme mezi emitory obou tranzistorů rezistor Tím zvýšíme kolektorový proud prvního tranzistoru, tj jeho strmost g m2 a zároveň snížíme jeho vsrupní odpor r π1, na kterém se nyní sníží úbytek napětí Tím se zvýší napětí, tj zesílení celého zapojení Dokažme nyní tuto úvahu pomocí analýzy tohoto zapojení Na následujícím obrázku jsou ilustrovány stejnosměrné poměry (proudy) v obvodu se zapojeným rezistorem Pracovní bod tranzistoru T 2 je nezměněn, změnilo se pouze nastavení tranzistoru T 1, proto jsou jeho proudy a následně další změněné parametry značeny odlišně čárkovaně I B1 I C1 I E1 I B2 I RE T 2 I C2 I E2 Obrázek 4: Darlingtonovo zapojení tranzistorů včetně emitorového odporu Předpokládejme, že U BE2 =07V Potom platí ( I C1 = α N I E1 = α IC2 N (I B2 + I RE )=α N + 07 ), (12) B F tj pro prvky linearizovaného obvodu tranzistoru T 1 platí g m1 r π1 = =40I C1 = α N β g m1 = β +1 ( gm2 β + 28 g m2 β + 28 ), (13) (14)

4 Náhradní linearizované schéma pro malé změny obvodových veličin celého zesilovače, včetně rezistoru, je pak uvedeno na následujícím obrázku r π1 u be1 g m1 u be1 R c u 2 i b2 i RE g m2 Obrázek 5: Linearizované zapojení zesilovače pro malé změny obvodových veličin Dosazením výrazu (14) do vztahů (7) a (8), resp (9), dostaneme pro vstupní odpor a zesílení nové vztahy R vst a A u, přičemž R vst = (β +1)β(2 g m2 +29β) ( g m2 +28β)( g m2 + β), (15) A u = g m2r c g m2 +28β 2 g m2 +29β (16) Pokud zavedeme proměnnou a = RE, lze tyto vztahy dále upravit tak, aby vyjadřovaly vztah mezi původními hodnotami R vst, A u a hodnotami novými R vst, A u R vst (β +1)β a(2a + 29) = g m2 (a + 28)(1 + a) = R vst a(2a + 29) () (17) 2 (a + 28)(1 + a) A u = g a +28 m2r c 2a +29 =2A a +28 u (??) (18) 2a +29 Na následujících grafech jsou pak vyneseny závislosti, vyjádřené vztahy (17) a (??) Na obrázku 6 je vynesena závislost R vst R vst na činiteli a = RE Naobrázku7je vynesena závislost = A u g m2r c = a+28 2a+29 opět na činiteli a, což je poměr zesílení A u ku zesílení klasického jednostupňového zesilovače s jedním tranzistorem v zapojení se společným emitorem, viz (??) Například pro =53rπ2 je vstupní odpor oproti zapojení bez rezistoru právě poloviční R vst = r π1 = R vst /2 a napěťové zesílení dosahuje 17 násobku zesílení bez zařazeného rezistoru,tj =084u1 Tato hodnota se již více blíží hodnotě klasického jednostupňového zesilovače v zapojení se společným emitorem (084 jeho násobku), přičemž je však hodnota vstupního odporu β násobně větší (r π1 = βrπ2 )! Pozn: Vyráběná dvojice ho má

5 R vst R vst = a Obrázek 6: Poměr vstupního odporu zesilovače se zařazeným rezistorem abez něho v závislosti na jeho velikosti, resp na poměru RE = a Obrázek 7: Poměr zesílení A u, zesilovače 2 se zařazeným rezistorem a zesílení klasického stupně SE s jedním tranzistorem v závislosti na poměru

6 Zapojení se společným kolektorem +U cc U 1 R z u 2 Obrázek 8: Zesilovač v zapojení SC s Darlingtonovým zapojením tranzistorů αi e1 r e1 u be1 αi e2 i e1 = i b2 r e2 i e2 R z u 2 Obrázek 9: Linearizované zapojení zesilovače pro malé změny obvodových veličin

7 αi e1 r e1 u be1 αi e2 i e1 = ix β +1 re2 i e2 = i x u x Obrázek 10: Linearizované náhradní zapojení zesilovače pro určení výstupního odporu i e1 β +1 αi e1 u R0 R 0 r e1 u be1 αi e2 i e1 = i x β +1 re2 i e2 = i x u x Obrázek 11: Upravené linearizované náhradní zapojení zesilovače pro určení výstupního odporu

Podobné dokumenty

Jednostupňové zesilovače

Kapitola 2 Jednostupňové zesilovače Tento dokument slouží POUZE pro studijní účely studentům ČVUT FEL. Uživatel (student) může dokument použít pouze pro svoje studijní potřeby. Distribuce a převod do tištěné