PRAKTIKA Z ELEKTRONICKÝCH OBVODŮ

Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava PRAKTIKA Z ELEKTRONICKÝCH OBVODŮ Pracovní sešit Jitka Mohylová Ostrava 2013

Seznam použitých symbolů zesílení proudový zesilovací činitel v zapojení SB proudový zesilovací činitel v zapojení SE Susceptance susceptance kapacity susceptance cívky šířka pásma báze bipolární tranzistor kapacita, kondenzátor kolektor kapacita kolektor báze Millerova kapacita emitor elementární náboj ( = 1,6 10 19 C) drain kolektor dioda nulovací dioda frekvence přenos zpětnovazební smyčky tranzitní kmitočet mezní výkonový kmitočet Boltzmannova konstanta ( = 1,38 10 23 J/K) fáze signálová (diferenční) vodivost strmost elektrická vodivost, konduktance gate hradlo stejnosměrný proud, efektivní hodnota proudu okamžitá hodnota proudu maximální hodnota proudu, amplituda, proud báze, proud kolektoru, proud emitoru nasycený proud diody báze emitor fázor proudu komplexor proudu, imaginární jednotka Unipolární tranzistor

zesílení OZ indukčnost, cívka vzájemná indukčnost, komplexní polynomy úhlová rychlost operační zesilovač přenos ztrátový výkon činitel jakosti elektrický náboj elektrický odpor, rezistance signálový odpor diody báze emitor vstupní odpor výstupní odpor rychlost přeběhu source emitor činitel stabilizace čas časová konstanta perioda, teplota, tranzistor náběžná hrana stejnosměrné napětí, efektivní hodnota napětí okamžitá hodnota napětí Earlyho napětí napětí báze emitor napětí kolektor emitor napětí hradlo emitor napětí kolektor emitor hystereze maximální hodnota napětí, amplituda teplotní napětí (26 mv při T = 300 K) fázor napětí komplexor napětí reaktance indukčnosti, cívky reaktance kapacity, kondenzátoru admitance indukčnosti, cívky admitance kapacity, kondenzátoru impedance impedance indukčnosti, cívky impedance kapacity, kondenzátoru účinnost

Obsah 1. AMPLITUDOVÉ OMEZOVAČE, USMĚRŇOVAČE, KOMPRESE... 9 1.1 Jednoduché omezovače s usměrňovací diodou... 9 1.2 Jednoduché omezovače se stabilizačními diodami... 11 1.3 Obvody s pásmem necitlivosti... 12 1.4 Usměrňovače (signálu)... 13 1.5 Jednoduché omezovače s OZ... 16 1.6 Změna zesílení (komprese)... 19 1.7 Laboratorní úkoly k dané tématice... 21 1.7.1 Diodové omezovače amplitudy... 21 1.7.2 Omezovače amplitudu s OZ... 27 1.8 Kontrolní otázky... 37 2. ZESILOVAČE S BIPOLÁRNÍMI TRANZISTORY... 38 2.1 Zapojení s emitorovým odporem (ZEO)... 41 2.1.1 Vstupní odpor... 43 2.1.2 Výstupní odpor... 43 2.1.3 Théveninovský model, vazební kapacity... 44 2.1.4 Zapojení se společným emitorem (SE)... 45 2.1.5 Změna zesílení beze změny pracovního bodu... 46 2.1.6 Vliv kapacity kolektor báze... 48 2.2 Zapojení se společnou bází (SB)... 50 2.3 Zapojení se společný kolektorem (SC) sledovač... 52 2.4 Kaskodové zapojení... 53 2.5 Diferenční zapojení tranzistorů... 59 2.6 Laboratorní úkoly k dané tématice... 63 2.6.1 Zesilovač SE... 63 2.6.2 Zesilovač SB... 71 2.6.2 Kaskodové zapojení tranzistorů NPN... 78 2.6.2 Kaskodové zapojení tranzistor NPN a PNP... 86 2.7 Kontrolní otázky... 95 3. TRANZISTORY ŘÍZENÉ POLEM... 94 3.1 Pracovní bod... 96 3.2 Malosignálový model... 100 3.3 Zapojení se společný kolektorem sledovač... 103

3.4 Laboratorní úkoly k dané tématice...108 3.4.1 Výstupní charakteristiky JFETu...108 3.4.2 Převodové charakteristiky JFETu...112 3.4.1 Vliv odporu na proud u JFETu...116 3.7 Kontrolní otázky... 95 4. OPERAČNÍ ZESILOVAČE... 121 4.1 Pracovní bod OZ...122 4.2 Ideální OZ...124 4.3 Reálný OZ...124 4.4 Základní zapojení s OZ...126 4.4.1 Zdroj napětí řízený proudem (převodník proud napětí)...126 4.4.2 Invertující zapojení OZ...127 4.4.3 Neinvertující zapojení OZ...128 4.4.4 Diferenční zapojení OZ...130 4.4.5 Součtové invertující zapojení OZ...131 4.4.6 Zdroj proudu s OZ...132 4.4.7 Zvětšení proudového rozsahu, ss zdroj napětí...133 4.4.8 Komparátory...134 4.5 Frekvence poklesu přenosu o 3 db ( )...137 4.6 Náběžná hrana...139 4.7 Rychlost přeběhu, mezní výkonový kmitočet...141 4.8 Laboratorní úkoly k dané tématice...143 4.8.1 Převodní charakteristiky OZ...143 4.8.2 Základní zapojení OZ...147 4.8.3 Základní zapojení OZ invertující a neinvertující OZ...153 4.8.4 Základní vlastnosti OZ...159 4.9 Kontrolní otázky...164 5. ZDROJE NAPĚTÍ... 165 5.1 Usměrňování a základní filtrace...165 5.2 Reálný zdroj napětí...168 5.3 Paralelní stabilizace...169 5.3.1 Zatěžování externím zdrojem...171 5.3.2 Výkonové poměry pro paralelní stabilizátor...172 5.4 Sériová stabilizace...172 5.4.1 Zatěžování externím zdrojem...175

5.4.2 Výkonové poměry... 175 5.4.3 Stabilizátory s diferenčním zesilovačem... 176 5.5 Laboratorní úkoly k dané tématice... 178 5.5.1 Zdroj napětí jednocestný usměrňovač... 178 5.5.2 Zdroj napětí dvoucestný usměrňovač... 183 5.5.3 Zdroj napětí induktivní zátěž... 188 5.5.4 Zdroj napětí s paralelní stabilizací... 193 5.5.5 Zdroj napětí se sériovou stabilizací... 198 5.5.6 Měření zatěžovací charakteristiky sériového stabilizátoru... 203 5.6 Kontrolní otázky... 208 6. ZDROJE PROUDU... 209 6.1 Triviální řešení... 209 6.2 Zdroj proudu s bipolárním tranzistorem... 210 6.3 Využití zdroje proudu pro zvětšení zesílení... 212 6.4 Zdroj proudu s tranzistorem JFET... 213 6.5 Zdroj proudu s OZ... 214 6.6 Laboratorní úkoly k dané tématice... 215 6.6.1 Zdroj proudu s jedním tranzistorem NPN... 215 6.6.2 Zdroj proudu s jedním tranzistorem PNP... 220 6.6.3 Zdroj proudu s JFETem... 225 6.6.4 Zesilovač se zdrojem proudu v kolektoru... 230 6.6.5 Zdroj proudu s vlečným napájením využívající paralelního stabilizátoru 234 6.7 Kontrolní otázky... 240 7. ZVĚTŠENÍ OPDORU POMOCÍ PODKRITICKÉ KLADNÉ ZPĚTNÉ VAZBY (BOOTSRAP)... 240 7.1 Zvětšení vstupního odporu... 242 7.2 Zvětšení kolektorového odporu... 243 7.3 Laboratorní úkoly k dané tématice... 245 7.3.1 Bootstrap zvětšení vstupního odporu... 245 7.3.1 Bootstrap zvětšení zesilovacího výkonu... 250 7.3.3 Syntetická indukčnost a její ekvivalentní obvod s cívkou... 254 7.4 Kontrolní otázky... 254 8. LOGARITMICKÝ A EXPONENCIÁLNÍ PŘEVODNÍK... 260 8.1 Logaritmický převodník... 260

8.2 Exponenciální převodník...263 8.3 Princip analogového násobení a dělení...264 8.4 Laboratorní úkoly k dané tématice...265 8.4.1 Zdroj napětí jednocestný usměrňovač...265 8.5 Kontrolní otázky...270 9. OSCILÁTORY... 271 9.1 Oscilátor s Wienovým členem...271 9.1.1 Měkké rozkmitání...272 9.1.2 Tvrdé rozkmitání...273 9.2 Princip stabilizace amplitudy...273 9.3 Oscilátor s fázovým posuvem 180...275 9.4 Laboratorní úkoly k dané tématice...277 9.4.1 Oscilátor s Wienovým členem...277 9.5 Kontrolní otázky...281 10. FILTRY... 282 10.1 Dolní propusti...282 10.1.1 Dolní propust 1. řádu...283 10.1.2 Dolní propusti 2. řádu pasívní...284 10.1.3 Dolní propusti 2. řádu aktivní (ARC)...288 10.2 Horní propusti...290 10.3 Pásmové propusti...294 10.3.1 Pásmové propusti 4. řádu...296 10.4 Pásmové zádrže...296 10.5 Kaskádní řazení filtrů...301 10.6 Laboratorní úkoly k dané tématice...303 10.6.1 Pasivní filtry...303 10.6.2 Aktivní filtry...309 10.7 Kontrolní otázky...315 11. LITERATURA... 316

Amplitudové omezovače, usměrňovače 1 Amplitudové omezovače, usměrňovače, komprese V těchto obvodech (nelineárních) se využívá vlastností usměrňovacích nebo stabilizačních diod, často ve spojení s operačním zesilovačem. 1.1 Jednoduché omezovače s usměrňovacími diodami Základní zapojení omezovače s usměrňovací diodou je na obr. 1.1. R U 1 D U 2 Obr. 1.1 Základní zapojení omezovače s usměrňovací diodou Předpokládejme křemíkovou usměrňovací diodu. Převodní charakteristika zapojení z obr. 1.1 je na obr. 1.2. U 2 (V) 0,6 0,6 U 1 (V) Obr. 1.2 Převodní charakteristika obvodu z obr. 1.2 Přenos je roven jedné pro 0,6 V. Pro 0,6 V začíná diodou protékat proud. Napětí je dáno napětím na křemíkové diodě v propustném směru, je tedy definováno rovnicí / kde je konstrukční vlastnost použité diody je napětí na diodě (v propoustném směru) je teplotní napětí (26 mv při 300 K) Pro 0,6 V nesmí proud diodou nikdy překročit výrobcem udávanou mezní hodnotu. Proud diodou je určen vztahem 0,6 Pro kladné nesmí být překročena výrobcem udávaná hodnota závěrného napětí diody. Splnění těchto podmínek musíme sledovat vždy. 9

Amplitudové omezovače, usměrňovače Omezovač s opačnou polaritou převodní charakteristiky je na obr. 1.3. Analogicky platí všechny předchozí úvahy. R U 1 D U 2 U 2 (V) 0,6 0,6 U 1 (V) a) b) Obr. 1.3 Omezovač s obrácenou polaritou vůči obr. 1.1 a), jeho převodní charakteristika b Převodní charakteristiky (doposud zobrazené) jsou kresleny idealizovaně lomenou čarou ve skutečnosti bude přechod mezi oblastí s přenosem jedna a oblastí omezení plynulý po křivce dané vlastnostmi diody. Zapojíme li do série s diodou zdroj napětí (který je schopen pohlcovat proud), posuneme úroveň omezení o napětí dané tímto zdrojem. Příklad takového zapojení je na obr. 1.4. R U U 1 D D U 2 U Obr. 1.4 Omezovač s pomocným zdrojem napětí Pro 0,6 V je 0,6 V, obvod omezuje. Pro 0,6 V je dioda rozpojená, platí. Převodní charakteristiky pro 1 V a 2 V jsou na obr. 1.5 (opět idealizované průběhy). U 2 (V) 2 1 pro U = +1 V 1,4 2 1 1 2 1 2 1,6 pro U = 2 V U 1 (V) Obr. 1.5 Převodní charakteristika obvodu z obr. 1.4 pro 1 V a 2 V 10

Amplitudové omezovače, usměrňovače 1.2 Jednoduché omezovače se stabilizačními diodami Možný model stabilizační diody s charakteristickým napětím je na obr. 1.6 viz i [EOII]. I ZD U ZD U ZD ( 0,6 V) Obr. 1.6 Jednoduchý model stabilizační diody V elektronické praxi je často nutné omezit amplitudu signálů v přenosovém řetězci, případně změnit zesílení v závislosti na dosažení určité amplitudy signálu. Nebo usměrnit střídavý signál. Funkce obvodů na obr. 1.7 až obr. 1.10 je tedy zřejmá. Značný praktický význam má zapojení na obr. 1.10, které poskytuje vhodnou, často požadovanou, symetrii omezení. Rozdíly v omezení jsou dány pouze rozptylem vlastností diod až. Pro kladnou hodnotu omezení platí 1,2 Pro zápornou hodnotu omezení platí 1,2 U 1 R U ZD D ZD U 2 0,6 U 2 (V) 0,6 U ZD U ZD U 1 (V) bez diody D a) b) s diodou D Obr. 1.7 Omezovač se stabilizační diodou ZD a) a jeho převodní charakteristika b) R U 2 (V) U 1 D ZD U 2 s diodou D bez diody D U ZD 0,6 0,6 U 1 (V) U ZD a) b) 11

Amplitudové omezovače, usměrňovače R U 2 (V) U ZD + 0,6 V ZD 1 U1 U 2 U ZD 0,6 V ZD 2 U ZD1 + 0,6 V U 1 (V) U ZD2 0,6 V a) b) Obr. 1.8 a) Omezovač s obrácenou polaritou ZD vůči obr. 1.7 b) jeho převodní charakteristika Obr. 1.9 Oboustranný omezovač se dvěma stabilizačními diodami a) a jeho převodní charakteristika b) R D 1 D 2 U 2 (V) U max U 1 ZD U 2 D 3 D 4 U ZD 1,2 V U ZD + 1,2 V U 1 (V) U min a) b) Obr. 1.10 Oboustranný symetrický omezovač, kde 1,2 V a 1,2 V 1.3 Obvody s pásmem necitlivosti V regulační technice je někdy požadováno potlačení vlivu (přenosu) signálů, které nepřesáhnou určitou úroveň požadujeme určité pásmo necitlivosti. Základní zapojení je na obr. 1.11. Pro 0,6 V je dioda "rozpojena". Pro 0,6 V je 0,6 V D U 2 (V) U 1 R U 2 0,6 U 1 (V) 12

Amplitudové omezovače, usměrňovače Obr. 1.11 Pásmo necitlivosti pro 0,6 V (křemíková dioda) Symetrická varianta obvodu z obr. 1.11 je na obr. 1.12 D 1 U 2 (V) U 1 D 2 R U 2 0,6 0,6 U 1 (V) Obr. 1.12 Pásmo necitlivosti pro 0,6 ; 0,6 křemíková dioda Pro 0,6 V platí 0,6 V pro 0,6 V platí 0,6 V Širší pásmo necitlivosti můžeme vytvořit pomocí stabilizačních diod, případně pomocí kombinace stabilizačních a usměrňovacích diod. Promyslete si zapojení na obr. 1.13. ZD 1 ZD 2 D 1 ZD 1 D 1 D 2 D 2 ZD 2 ZD U 1 R U2 U 1 R U 2 D 3 D 4 R U 1 U 2 a) b) c) Obr. 1.13 Různé způsoby vytvoření pásma necitlivosti 1.4 Usměrňovače (signálu) Obvod na obr. 1.11a) tvoří pro signály s amplitudou podstatně větší než 0,6 V usměrňovač (jednocestný). Pro usměrňování malých signálů není ovšem vhodný, právě z důvodu existence pásma necitlivosti. 13

Amplitudové omezovače, usměrňovače U CC+ + - OZ U CC U OZ D U 2 (V) R in U D U 2 R Z U 1 (V) Obr. 1.14 Jednocestný usměrňovač a) a jeho převodní charakteristika b) Elementární zapojení jednocestného usměrňovače s diodou a operačním zesilovačem je na obr. 1.14. Vstupní odpor je určen přímo odporem, statická převodní charaktertistika je téměř ideální obr. 1.14b. Pro 0 je na výstupu kladné napětí, dioda se otevírá, tím se uzavírá obvod záporné zpětné vazby a platí Pro ideální je ovšem vždy 0 a proto 0,6 Pro 0 je na výstupu záporné napětí, dioda se zavírá, zpětná vazba je rozpojena. Výstup přechází do záporné saturace ( ), které se blíží k hodnotě napájecího napětí. Napětí je dáno pouze proudem závěrně polarizované diody a odporem : Například pro 200 na a 10 Ω tak je 200 10 10 2 mv Promyslete si funkci obvodu na obr. 1.14, otočíme li diodu. Právě saturace pro 0 je velmi nevýhodná. Při skokové změně napětí z kladné hodnoty na hodnotu 0 se mění výstupní napětí ( ) z hodnoty 0,6 V na novou hodnotu, obr. 1.15, čas až. V čase je diferenční napětí na vstupu záporné a nenulové, napětí klesá maximální možnou rychlostí tedy rychlostí přeběhu [V/µs]. Uvedený rozdíl úrovní tedy překoná za dobu 0,6 a) b) 14

Amplitudové omezovače, usměrňovače U 1 t U OZ t U SAT t a t b t c t d t e Obr. 1.15 Kvalitativní znázornění časových poměrů v obvodu na obr. 1.14 Například pro 1 V/μ; 0,4 V a 13 V tak dostaneme (1 V/μ 10 V/s) 0,4 0,6 13 10 14 µs V čase je výstup v saturačním stavu a některý tranzistor ve struktuře je rovněž saturován (obsahuje nadbytečný náboj v bázi nebo v obvodu hradla). V čase se mění vstupní napětí ze záporné na kladnou hodnotu. ovšem "reaguje" až v čase. Časový rozdíl je tzv. doba zotavení, za kterou "dostane" ze saturace a začíná reagovat na "novou situaci" tedy kladné diferenční napětí. Výstupní napětí nyní narůstá s maximální možnou rychlostí, tedy. Platí 0,6 V čase je dioda otevřena, zpětná vazba je uzavřena, platí opět Doba zotavení je u běžných řádu µs. Pouze speciální (a drahé) dosahují doby zotavení pod 100 ns. Uvážíme li náš příklad 0,4 V a 2 μs, je součet "parazitních" intervalů 14 2 14 30 μ Proto je usměrňovač podle obr. 1.14 prakticky vhodný jen pro velmi nízké frekvence. Nevýhodně "pracuje" s vlastnostmi reálného. Mnohem lépe využívá vlastností reálného jednocestný invertující usměrňovač na obr. 1.16 [OZ v elektronice]. 15

Amplitudové omezovače, usměrňovače Pro 0 je na výstupu kladné napětí, dioda se otevírá, se zavírá, zpětná vazba je uzavřena. Diferenční napětí na vstupu je rovno nule pro D 2 R U 2 (V) U 1 R 0 - OZ + U OZ D 1 U D1 U 2 U1 (V) Obr. 1.16 Jednocestný invertující usměrňovač a jeho převodní charakteristika Jedná se o invertující zesilovač s přenosem 1 (a diodou uzavřenou v obvodu zpětné vazby). Za této situace je na výstupu napětí 0,6 Pro 0 je na výstupu záporné napětí, dioda se zavírá, zpětná vazba přes odpor je tak rozpojena. Pro 0,6 V se ovšem otevírá dioda a přes ni se uzavírá zpětná vazba (nelineární), která udržuje na vstupu OZ opět nulové diferenční napětí. Platí proto i 0 V zapojení na obr. 1.16 má operační zesilovač vždy uzavřenu zápornou zpětnou vazbu, nikdy není v stauraci. Proto se neuplatňuje doba zotavení. Uvažujme i nyní 0,4 V a 1 V/μs. Výstupní napětí se pro tento signál mění v intervalu 1 V až 0,6 V, tedy 1,6 V. Tento napěťový interval musí být překonán během jedné periody dvakrát, a to rychlostí přeběhu. Tomu odpovídá potřebný (parazitní) čas 2 3,2 3,2 V/µs 1 V/µs Se stejným operačním zesilovačem lze tedy očekávat asi devětkrát lepší dynamické vlastnosti než v zapojení podle obr. 1.14. Podrobnější analýzu některých usměrňovačů lze nalézt např. v [OZ v elektronice]. 1.5 Omezovače s OZ Zapojením stabilizačních diod (případně v kombinaci s usměrňoavcí diodou) do obvodu záporné zpětné vazby lze definovat omezení výstupního napětí zesilovacích struktur s operačními zesilovači. 16

Amplitudové omezovače, usměrňovače Základní zapojení pro symetrické omezení v invertující struktuře je na obr. 1.17. D 1 D 2 ZD A D 3 D 4 B U 1 R1 0 - OZ + R 2 U 2 Obr. 1.17 Symetrické omezení v invertující struktuře Záporná zpětná vazba je vždy uzavřena, proto je diferenční napětí na vstupu OZ rovno nule (ideálně) a napětí na ZD a diodách je přímo rovno napětí výstupnímu ( ). Pokud platí 2 jedná se o běžné invertující zapojení, tedy Dosáhne li mezní velikosti, připojuje se paralelně k diferenční odpor kombinace diod. Maximální úroveň absolutní hodnoty napětí je přibližně 2 převodní charakteristika je na obr. 1.18. U 2 (V) U ZD +2U D U 1 max U 1 max U 1 (V) R 2 R 1 U 1 (U ZD +2U D ) Obr. 1.18 Převodní charakteristika obvodu z obr. 1.17 Opět se jedná o idealizovanou aproximaci lomenou čarou. Přerušovanou čarou je vyznačen (kvalitativně) průběh se skutečnými diodami. Je zřejmé, že platí 2 2 17

Amplitudové omezovače, usměrňovače Nelineární zkreslení v praxi narůstá již pro. "Zaoblení" převodní charakteristiky způsobuje především chování reálné stabilizační diody v oblasti malých proudů (diodou tzv. "koleno"). Situaci lze částečně vylepšit zavedením pásma necitlivosti do obvodu zpětné vazby podle obr. 1.19. D 5 D 6 R D 1 D 2 I ZD D 3 D 4 A B Obr. 1.19 Zavedení pásma necitlivosti v obr. 1.17 Pokud proud (stabilizační diodou obr. 1.18) vyvolá na odporu menší úbytek než cca 0,6 V, ( ) je rozpojena a tak není kombinace diod až a připojena paralelně k (ale k výstupu připojena zůstává). Teprve při dostatečné úrovni proudu se omezení uplatní. Průběh vyznačený přerušovanou čarou se více blíží aproximaci lomenou čarou. Promyslete si průběhy převodních charakteristik, zapojíme li do obvodu na obr. 1.17 diody podle obr. 1.20a,b,c. D ZD D ZD ZD 1 ZD 2 A B A B A B Obr. 1.20 Různé kombinace diod ve zpětné vazbě na obr. 1.17 Omezení výstupní amplitudy lze zajistit i v neinvertující struktuře obr. 1.21. Zde však není na invertujícím vstupu nulové napětí, je zde napětí, což poněkud mění situaci. A U R2 B D 1 D 2 I 1 R1 U R1 I 1 0 R 2 - OZ U 1 + U 2 A ZD D 3 D 4 B (a) (b) Obr. 1.21 Symetrické omezení v neinvertující struktuře 18

Amplitudové omezovače, usměrňovače Pokud absolutní hodnota napětí na nepřesáhne hodnotu 2, chová se struktura jako běžný neinvertující zesilovač se zesílením (přenosem) 1. Jakmile platí 2 začínají diody určovat výstupní napětí. Zpětná vazba je uzavřena, stále platí ; Hraniční situace tedy nastává pro, které musí vyhovět podmínce 2 Odsud platí Pro 2 2 1 2 2 tedy platí Pro platí 1 2 2 proud se dělí mezi a diody. Promyslete si situaci, zapojíme li do obvodu na obr. 1.21a diody podle obr. 1.20a, b, c. 1.6 Změna zesílení (komprese) 19

Amplitudové omezovače, usměrňovače Někdy není v technické praxi vhodné zapojit omezovač, ale pouze od určité úrovně zmenšit zesílení. Demonstrujme tuto možnost v zapojení podle obr.1. 22. D 1 D 2 R 3 R1 - OZ U 1 + U 2 R 2 Obr. 1.22 Změna zesílení (zmenšení, komprese) pro 0,6 U 2-0,6 0,6 U 1 Obr. 1.23 Převodní charakteristika obvodu z obr. 1.22 20

Amplitudové omezovače, usměrňovače Pro 0,6 se jedná o běžné zapojení invertujícího zesilovače se zesílením. Pro 0,6 se paralelně k připojí a modul zesílení se zmenší. Zesílení nyní je. Převodní charakteristika je na obr. 1.23. Stačí tedy do shora uvedených omezovačů zařadit potřebný odpor. Paralelním řazením dalších kombinací diod (s větším úbytkem napětí tedy více usměrňovcích diod v sérii nebo vhodné ZD) můžeme získat i více bodů zlomu. Nejjednodušší možný obvod se dvěma zlomy (v každém kvadrantu) je zobrazen na obr. 1.24. Takový obvod lze použít například pro převod trojúhelníkového napětí na napětí sinusové (ve funkčních převodnících). Jeho převodní charakteristika je na obr. 1.25. D 5 D 6 R 4 D 3 D 4 D 1 R 3 D 2 R 1 - OZ U 1 + U 2 R 2 Obr. 1.24 Jednoduchý obvod se dvěma zlomy ± 0,6 V a ± 1,2 V U 2 1,2 0,6 0,6 1,2 U 1 Obr. 1.25 Převodní charakteristika se zlomy ± 0,6 V a ± 1,2 V 21

Amplitudové omezovače, usměrňovače 1.7 Laboratorní úkoly k dané problematice 1.7.1 Měření vlastností diod Cíl úlohy Prohloubit a upevnit teoretické znalosti. Na konkrétním zapojení obvodu si ověřit a ujasnit vlastnosti a parametry jednotlivých zapojení. Zadání: 1) Změřte AV charakteristiku nelineárního prvku podle schématu na obr. 1: a) usměrňovací diody b) Zenerovy diody c) LED diody Pozn. při měření použijte napěťový zdroj U = 10 V a zajistěte maximální zkratový proud 10 ma. 2) Změřte zatěžovací charakteristiky paralelního stabilizátoru napětí viz. obr. 2, s prvkem použitým v bodě 1b) ve třech bodech: a) naprázdno b) zvolte v oblasti stabilizace c) mimo oblast stabilizace 3) U ZD v měření 1) určete:, a ztrátový výkon prvku a) v propustném směru b) v koleně (závěrný směr) c) v lineární části AV charakteristiky v závěrném směru 4) Pro všechny případy z bodu 2) zkonstruujte zatěžovací přímky (aplikace Théveninovy věty). Vyneste je do grafu z bodu 1b, určete a tyto hodnoty porovnejte se změřenými hodnotami z bodu 2). 5) Ze známých napěťových poměrů v bodě 2b) určete proudové poměry. 6) Podle zapojení na obr. 3, určete zotavovací dobu přechodu PN usměrňovací diody 7) Změřte pomocí osciloskopu průběhy napětí na odporu 5 k v jednocestném usměrňovači bez filtrační kapacity pro frekvence 10 khz 200 khz. Komentujte získané průběhy napětí. Schéma zapojení: R 1 R 2 U ZD V Obr. 1 22

Amplitudové omezovače, usměrňovače R U ZD R Z V Obr. 2 kanál A OSC G kanál B OSC 5K Obr. 3 Předpokládané znalosti Pro tuto úlohu se vyžaduje nastudování: přednášky na dané téma, dále pak skripta Kap. 2 Polovodičové diody; [Mohylová, J., Punčochář, J.: Elektrické obvody II. FEI, VŠB TU Ostrava, 2007, ISBN 978 80 248 1338 7] Kap. 4 Semiconductors; [Scherz, P.: Practical electronics for inventors. McGraw Hill, USA, 2000, ISBN 0 07 058078 2] Kap. 7 Aktivní usměrňovače; [Humlhans, J.: Zajímavá zapojení inspirace konstruktérům III. BEN Praha, 2005, ISBN 80 7300 152 7] Kap 4 Diode applications; [Boylestad, R., Nashelsky L.: Electronics Devices and Circuit Theory seventh edition. Prentice Hall, Ohio, 1998, ISBN 13:978 0137692828] Použité vybavení: K měření použijeme sestavu rc 2000, popis jednotlivých modulů a prvků systému je uložen na stránkách předmětu www.moodle.cs.vsb.cz, dále pak generátor Tektronix a osciloskop. Teoretický rozbor 23

Amplitudové omezovače, usměrňovače Pracovní postup Sestava č.: Generátor libovolných průběhů Tektronix AFG 3021: Digitální osciloskop EZ Digital DS 1080C: 24

Amplitudové omezovače, usměrňovače Tabulky naměřených a vypočtených hodnot: Měření č. 1: U = 10 V Usměrňovací dioda R (kω) 1 2 5 10 50 100 500 1000 Propustný směr U D (V) I D (ma) Závěrný směr U D (V) I D (ma) Zenerova dioda U = 10 V R (kω) 1 2 5 10 50 100 500 1000 Propustný směr U D (V) I D (ma) Závěrný směr U D (V) I D (ma) LED dioda U = 10 V R (kω) 1 2 5 10 50 100 500 1000 Propustný směr U D (V) I D (ma) Závěrný směr U D (V) I D (ma) 25

Amplitudové omezovače, usměrňovače Měření č. 2: U = 10 V R Z (kω) U ZD (V) Vypočtené hodnoty bod 4) U 0 (V) R i (Ω) I K (ma) U ZDP (V) Vypracování: 26

Amplitudové omezovače, usměrňovače Zavěr : U měření č. 6 přiřaďte vzorovým oscilografům (při amplitudě napětí 1,5 V) frekvence 10, 40, 100 a 200 khz. 27

Amplitudové omezovače, usměrňovače 1.7.2 Diodového omezovače amplitudy Cíl úlohy Prohloubit a upevnit teoretické znalosti. Na konkrétním zapojení obvodu si ověřit a ujasnit vlastnosti a parametry jednotlivých zapojení. Zadání: a) Ověřte funkci diodového omezovače amplitudy: Omezení shora Omezení zdola Oboustranné omezení b) Změřte a graficky znázorněte statickou převodní charakteristiku omezovače c) Měření opakujte pro diodový omezovač s předpětím různá kladná a záporná napětí d) Ověřte si chování obvodu, pokud jednu (obě diody) nahradíte Zenerovou diodou. e) Proveďte analýzu naměřených průběhů Schéma zapojení : R = 1K R = 1K 5 V, 100 Hz ~ U 1 D U 2 5 V, 100 Hz ~ U 1 U 2 D = R = 1K R = 1K 5 V, 100 Hz D ~ U 1 U 2 5 V, 100 Hz ~ U 1 U 2 D = D 5 V, R ~ U U 1 1K 2 100 Hz R 5 V, 1K ~ U U 2 1 100 Hz D = 28

Amplitudové omezovače, usměrňovače D 5 V, R ~ U U 2 1 1K 100 Hz R = 1K R 5 V, 1K ~ U U 2 1 100 Hz D R = 1K = 5 V, 100 Hz ZD ~ U 1 U 2 R = 1K 5 V, 100 Hz ZD ~ U 1 U 2 R = 1K 5 V, ZD 1 ~ U 1 ZD 2 U 2 100 Hz 5 V, 100 Hz D 1 D 2 ~ U 1 U 2 = = R = 1K D 1 5 V, ~ U U 2 1 D 3 ZD D 2 100 Hz D 2 Předpokládané znalosti Pro tuto úlohu se vyžaduje nastudování: přednášky na dané téma, dále pak skripta Kap. 2 Polovodičové diody; [Mohylová, J., Punčochář, J.: Elektrické obvody II. FEI, VŠB TU Ostrava, 2007, ISBN 978 80 248 1338 7] Kap. 4 Semiconductors; [Scherz, P.: Practical electronics for inventors. McGraw Hill, USA, 2000, ISBN 0 07 058078 2] Kap. 7 Aktivní usměrňovače; [Humlhans, J.: Zajímavá zapojení inspirace konstruktérům III. BEN Praha, 2005, ISBN 80 7300 152 7] Kap 4 Diode applications; [Boylestad, R., Nashelsky L.: Electronics Devices and Circuit Theory seventh edition. Prentice Hall, Ohio, 1998, ISBN 13:978 0137692828] Použité vybavení: K měření použijeme sestavu rc 2000, popis jednotlivých modulů a prvků systému je uložen na stránkách předmětu www.moodle.cs.vsb.cz. 29

Amplitudové omezovače, usměrňovače Teoretický rozbor Pracovní postup Sestava č.: 30

Amplitudové omezovače, usměrňovače Vypracování 31

Amplitudové omezovače, usměrňovače Závěr: 32

Amplitudové omezovače, usměrňovače 1.7.3 Omezovače amplitudy s OZ Cíl úlohy Prohloubit a upevnit teoretické znalosti. Na konkrétním zapojení obvodu si ověřit a ujasnit vlastnosti a parametry jednotlivých zapojení. Zadání: a) Ověřte funkci omezovače amplitudy s OZ a funkci usměrňovače s OZ: Omezení shora vyberte a upravte zapojení Omezení zdola vyberte a upravte zapojení Oboustranné omezení vyberte zapojení b) Změřte a graficky znázorněte statickou převodní charakteristiku omezovače c) Změřte statickou převodní charakteristiku obou usměrňovačů d) Proveďte analýzu naměřených průběhů Schéma zapojení : R 1 = 10K ZD 1 ZD 2 R 1 = 10K D 1 D 2 R = 90K ZD - OZ U + 2 U 1 R 3 R 2 10 K 1 M D 3 D 4 - OZ U 2 U 1 + R 3 R 2 1 M 10 K R 1 1M + U - OZ 1 R 2 U 2 10K D R 1 1M + D U - OZ 1 R 2 10K U 2 R 1 = 10K ZD D R 1 = 10K ZD D R = 90K R = 90K - OZ U + 2 U 1 R 3 R 2 10 K 1 M - OZ U 2 U 1 + R 3 R 2 1 M 10 K 33

Amplitudové omezovače, usměrňovače Předpokládané znalosti Pro tuto úlohu se vyžaduje nastudování: přednášky na dané téma, dále pak skripta Kap. 2 Polovodičové diody; [Mohylová, J., Punčochář, J.: Elektrické obvody II. FEI, VŠB TU Ostrava, 2007, ISBN 978 80 248 1338 7] Kap. 4 Semiconductors; [Scherz, P.: Practical electronics for inventors. McGraw Hill, USA, 2000, ISBN 0 07 058078 2] Kap. 7 Aktivní usměrňovače; [Humlhans, J.: Zajímavá zapojení inspirace konstruktérům III. BEN Praha, 2005, ISBN 80 7300 152 7] Kap 4 Diode applications; [Boylestad, R., Nashelsky L.: Electronics Devices and Circuit Theory seventh edition. Prentice Hall, Ohio, 1998, ISBN 13:978 0137692828] Použité vybavení: K měření použijeme sestavu rc 2000, popis jednotlivých modulů a prvků systému je uložen na stránkách předmětu www.moodle.cs.vsb.cz. Teoretický rozbor Pracovní postup Sestava č.: 34

Amplitudové omezovače, usměrňovače Tabulky naměřených a vypočtených hodnot: Měření č. c): Převodní charakteristika usměrňovače a) U 1 (V) 0 0,001 0,010 0,100 0,300 0,500 0,700 0,900 1,000 U 1 (V) U 1 (V) 1,100 1,200 1,300 1,400 1,500 1,700 1,900 2,000 10,00 U 2 (V) U 1 (V) 0 0,001 0,010 0,100 0,300 0,500 0,700 0,900 1,000 U 2 (V) U 1 (V) 1,100 1,200 1,300 1,400 1,500 1,700 1,900 2,000 10,00 U 2 (V) 35

Amplitudové omezovače, usměrňovače b) U 1 (V) 0 0,001 0,010 0,100 0,300 0,500 0,700 0,900 1,000 U 1 (V) U 1 (V) 1,100 1,200 1,300 1,400 1,500 1,700 1,900 2,000 10,00 U 2 (V) U 1 (V) 0 0,001 0,010 0,100 0,300 0,500 0,700 0,900 1,000 U 2 (V) U 1 (V) 1,100 1,200 1,300 1,400 1,500 1,700 1,900 2,000 10,00 U 2 (V) Vypracování 36

37 Amplitudové omezovače, usměrňovače

Amplitudové omezovače, usměrňovače Závěr: 1.8. Kontrolní otázky 1) Jaký je typický úbytek napětí v propustném směru u Si diody? 2) Jakou hodnotu napětí musí mít zdroj zapojený do série s diodou (Si), požadujeme li omezení xxx V? 3) Jak vytvoříme pásmo necitlivosti 6 V; 6 V? 4) Co je příčinou konečné doby zotavení? 5) Jaké dynamické vlastnosti má nejjednodušší jednocestný usměrňovač s jedním OZ a jednou diodou? 6) Jak omezujeme vliv doby zotavení v usměrňovačích? 7) Co vznikne zapojením stabilizačních diod nebo diod do obvodu záporné zpětné vazby? 8) Jak uděláme z omezovače kompresní zesilovač? 38

Zesilovače s bipolárními tranzistory 2 Zesilovače s bipolárními tranzistory Tranzistorový jev bipolární tranzistor (BJT Bipolar Junction Transistor) je dostatečně popisován např. v [EOII]. Konstrukčně se vždy jedná o dva přechody PN s tenkou sdílenou oblastí bází: a) P tranzistor NPN emitor (E) typu N, báze (B) typu P, kolektor (C) typu N b) P tranzistor PNP emitor (E) typu P, báze (B) typu N, kolektor (C) typu P Přechod B E je v aktivním režimu vždy otevřen a emituje do B majoritní nosiče (emitoru; tedy z N elektrony a z P díry). Přechod B C je v aktivním režimu vždy v závěrném směru vzniká na něm elektrické pole, které "zachytává" v bázi nosiče dodané z emitoru a "přesune" je do kolektorové oblasti tranzistoru. Část nosičů v bázi rekombinuje, tomu odpovídá bázový proud obr. 2.1. NPN PNP B U CB I B C I C B I B C I C I E U CE I E U BE E E Obr. 2.1 Základní šipková konvence pro BJT Platí kde / ; 1 ; 1 je nasycený proud diody B E (konstrukční vlastnost) / je teplotní napětí (26 mv při T = 300 K; Boltzmanova konstanta, náboj elektronu) proudový zesilovací činitel (v zapojení SB) proudový zesilovací činitel (v zapojení SE) Z obr. 2.1 je zřejmé, že vždy platí 39

Zesilovače s bipolárními tranzistory 1 11 ; 1 1 Proud je exponenciální funkcí napětí B E ( ). Pro malé signálové změny v okolí pracovního bodu (změny proudu jsou podstatně menší než klidový pracovní proud) ovšem můžeme okolí linearizovat, zjistit směrnici tečny pomocí derivace I E : 1 lim / / / protože výraz / opět popisuje pracovní proud při daném napětí. Malosignálové změny proudu (a tedy i ) jsou popsány odporem (signálovým) kde je teplotní napětí a je pracovní proud. V malém okolí pracovního proudu lze signálové změny popsat pomocí tak, jak je tomu v modelu na obr. 2.2. Tento model je stejný pro tranzistory PNP i NPN pouze pracovní body se nastaví vhodnou polaritou stejnosměrných zdrojů. C T i i c B 0 V E i i e r CE r e E Obr. 2.2 Malosignálový model BJT v pracovním bodě ; ; Tranzistor má nyní interní emitor (fyzicky nedostupný) a externí emitor. Signálový přenos z báze B do je roven jedné tomu odpovídá nulový úbytek napětí mezi a. Mezi a je zařazen odpor (pro daný pracovní bod). Potom napětí na je rovno hodnotě a lze určit ze vztahu: V malém okolí pracovního bodu tento vztah platí, proto platí i model na obr. 2.2. Dosud nebyl zkoumán vliv změn napětí mezi kolektorem a emitorem. Pro proud musíme použít poněkud složitější model / 1 40

Zesilovače s bipolárními tranzistory kde je tzv. Earlyho napětí (desítky až stovky V). Analogicky zkoumáme 1 / / ; Malosignálové změny v okolí pracovního bodu jsou popsány odporem připojeným mezi a obr. 2.2, přičemž,, tedy Při analýze obvodů s BJT vždy nejdříve zkoumáme (navrhujeme) pracovní bod (správná polarizace přechodů, proud ). To je ovšem nelineární problém. Pro běžné křemíkové tranzistory se situace značně zjednoduší tím, že uvažujeme pracovní napětí báze v intervalu asi 0,5 až 0,65 V. Nepočítáme tedy s výchozí exponenciální funkcí. Pak určíme (případně i ) a tak známe malosignálový model BJT pro navržený pracovní proud (v pracovním bodě). Musíme se uvědomit, že ideální zdroj napětí (tedy i napájecí zdroje) představuje pro signál zkrat (má nulový vnitřní odpor). Ideální napáječe (i zemní obvody) nesmí na signál "reagovat", vykazují ideálně nulovou impedanci. V opačném případě vznikají na napáječích nežádoucí vazby, které mohou ovlivnit funkci celé zesilovací struktury. V praxi často zařazujeme těsně ke vstupním dílům zesilovacích struktur filtrační kondenzátory, které zaručují nízkou hodnotu impedance napáječů na vyšších frekvencích obr. 2.3. U CC ZESILOVAČ Obr. 2.3 Zapojení filtračních kondenzátorů v napájení: elektrolytický kondenzátor 10 µf svitkový kondenzátor 1 µf keramický kondenzátor 100 nf Elektrolytický kondenzátor se uplatní na nižších frekvencích, svitkový kondenzátor "pokryje" střední pásmo kmitočtů a keramický představuje zkrat pro vyšší kmitočty, kde již degradují vlastnosti a (parazitní indukčnosti). 41

Zesilovače s bipolárními tranzistory 2.1 Zapojení s emitorovým odporem (ZEO) Zajistit pracovní bod, je li emitor připojen přes externí odpor ke společné svorce (zemi), lze různými způsoby [EOII, EOII cvičení]. Zařazení tohoto odporu je výhodné pro stabilizaci pracovního bodu. Další důsledky vyplynou z následujícího textu. Nejběžnější je tzv. H typ napájení obr. 2.4. Přechod B E je vždy otevřen, přechod B C je vždy v závěrném směru. Běžně lze předpokládat, že β 100 a volíme proud odporem alespoň pětkrát větší než je proud báze. Potom lze považovat dělič,, za téměř nezatížený ("tvrdý") a platí (obr. 2.4a,b) Napětí na externím emitorovém odporu je potom 0,6 ; U CC > 0 U CC > 0 C 1 R 1 I B R C 0,6 V I E C 2 C 1 R 2 U 2 I B R E 0,6 V I E U E C 2 R 2 U 2 R E U E R 1 R C a) b) U CC > 0 R 1 R C C 2 R B C 1 0,6 V I E U ZD ZD R E U E c) Obr. 2.4 Zapojení BJT s emitorovým odporem, a) s tranzistorem NPN, b) s tranzistorem PNP, c) modifikace zapojení z a) Obvykle se volí asi /10 a zbývající napětí /10 se rovnoměrně rozdělí na a tranzistor. Tím je zaručeno, že při větších amplitudách signálu dochází k symetrické limitaci omezení "shora" i "zdola" nastává při zvětšování amplitudy současně. Na obr. 2.4c je pro napájení bázového obvodu použita stabilizační dioda ZD (s patřičným pracovním proudem): 42

Zesilovače s bipolárními tranzistory 0,6 ; Dále platí shora uvedené. Je nutné zařadit odpor, aby vstupní signál nebyl přiváděn přímo na ZD, která má (v oblasti stabilizace) velmi malý signálový odpor (desítky Ω) a vstupní signál by tak byl vlastně zkratován na zem. I zde se předpokládá volba takového odporu, že úbytek je v praxi zanedbatelný vůči. Oddělovací (vazební) kondenzátory musí pro pracovní rozsah frekvencí představovat zkrat kritické jsou tedy nejnižší pracovní frekvence. Kondenzátory zabraňují ovlivňování pracovních bodů mezi jednotlivými zesilovacími stupni, protože stejnosměrné složky jsou tak odděleny. Signálové schéma všech obvodů na obr. 2.4 je na obr. 2.5 (neuvažujeme ). 0 V E i R C R V r e E R E Obr. 2.5 Signálové schéma obvodů z obr. 2.4 Pro obr. 2.4a,b platí Pro obr. 2.4c platí Z poměrů na obr. 2.5 pak určíme, že ( ) ; 1 100 Výstupní napětí má oproti vstupnímu napětí opačné znaménko, jde o invertující zesilovač s modulem zesílení /. 43

Zesilovače s bipolárními tranzistory 2.1.1 ZEO vstupní odpor Vstupní odpor je určen poměrem vstupního napětí a vstupního proudu. Z poměrů na obr. 2.5 vyplývá, že 1 1 1 1 1 1 Vstupní odpor zesilovače je tvořen paralelní kombinací a ekvivalentního vstupního odporu báze tranzistoru : 1 2.1.2 ZEO výstupní odpor Výstupní odpor zesilovače určíme pomocí Théveninova teorému. Výstupní napětí naprázdno (při konstantním buzení signálem ) je 0 V Ampérmetr r e R E Obr. 2.6 Určení zkratového proudu Určení zkratového proudu je zachyceno na obr. 2.6. Platí 44

Zesilovače s bipolárními tranzistory Nyní již snadno určíme, že Výstupní odpor je určen odporem. 2.1.3 ZEO Théveninovský model, vazební kapacity Théveninovský model zahrnující předchozí výsledky je na obr. 2.7. Pomocí tohoto modelu můžeme zkoumat i vliv kapacit a na frekvenční vlastnosti obvodu. Situace je shrnuta na obr. 2.8. R out R in Obr. 2.7 Théveninovský model ZEO C 1 R out C 2 R in R Z Obr. 2.8 Doplnění vazebních kapacit do obr. 2.7 Kondenzátory nemají na přenos (zesílení) vliv, platí li 1 ; 1 Analýzou v ustáleném harmonickém stavu určíme, že způsobí pokles přenosu o 3 db (vůči dříve uvedené hodnotě) na frekvenci 1 Kapacita způsobí pokles přenosu o 3 db na frekvenci 1 45

Zesilovače s bipolárními tranzistory Kvalitativní průběh modulu přenosu v závislosti na je na obr. 2.9. Přenos [db] +20 db/dec 3 db 20 log (a) +40 db/dec 0 Přenos [db] (b) +40 db/dec 6 db 0 Obr. 2.9 Kvalitativní průběhy modulu přenosu a) b) V praxi je výhodnější situace, kdy. Větší z těchto hodnot určuje dolní (mezní) kmitočet (pro pokles přenosu o 3 db). 2.1.4 Zapojení se společným emitorem (SE) Zapojení SE je zvláštním případem ZEO. Na obr. 2.4 stačí připojit paralelně k odporu kapacitu obr. 2.10. Tím zůstává stejný pracovní bod (pro stejnosměrné poměry se chová jako rozpojený obvod), ale pro signály je zkratován externí odpor platí pro 1 V signálovém schématu na obr. 2.5 tak prostě nahradíme zkratem 0 a platí: ; 1 1 1 1 46

Zesilovače s bipolárními tranzistory Je dosaženo maximálního možného zesílení (modulu), vstupní odpor klesá, výstupní odpor se nemění. R E C E Obr. 2.10 Připojení paralelně k 2.1.5 Změna zesílení beze změny pracovního bodu Zapojíme li paralelně k sériovou kombinaci a (obr. 2.11), získáváme strukturu, kde pracovní bod je určen podle předchozích úvah, ale změnou odporu můžeme měnit zesílení, aniž se pracovní bod mění. Odpor se díky uplatní pouze pro střídavé signály. R 3 R E C E Obr. 2.11 Připojení sériové kombinace a paralelně k Platit bude signálové schéma na obr. 2.5 s tím, že místo musíme zapojit celou impedanci v obvodu emitoru, tedy 1 1 1 1 a problém musíme řešit pomocí fázorů (ustálený harmonický stav). Formálně stejným postupem jako v předchozí části určíme, že 1 1 1 1 47

Zesilovače s bipolárními tranzistory Pro 0 je Pro je Nula přenosu je 1 Pól přenosu je 1 Asymptotické zobrazení modulu přenosu je na obr. 2.12. Přenos [db] 20 log 20 log 0 Obr. 2.12 Asymptotické zobrazení přenosu obvodu z obr. 2.11 Pro zapojení SE jednoduše platí 0, tedy 1 1 Analogicky určíme, že vstupní impedance je definována vztahem 1 1 1 1 Analýza pro 0 a je jednoduchá: 0 48

Zesilovače s bipolárními tranzistory 2.1.6 Vliv kapacity kolektor báze ( ) v zapojení ZEO Doposud použitý model tranzistoru nevykazoval žádnou frekvenční závislost (degradaci). Dominantní vliv na frekvenční vlastnosti tranzistoru má kapacita (je fyzikální vlastností každého přechodu PN, tedy i přechodu kolektor báze). Použijeme signálové schéma z obr. 2.5 (pro nejobecnější situaci z obr. 2.11 prostě nahradíme hodnotou ); předpokládáme, že a do modelu doplníme obr. 2.13. C CB Î Rc C Û in Î CB B Î B Î Bi 0 V Î C Î E Û out = R C Î Rc R V r e Û in E R E Obr. 2.13 Signálové schéma s kapacitou Pro konvenci zvolenou v obr. 2.13 platí ; ; 1 1 1 Pól přenosu (, generovaný kapacitou ) je 1 Nula přenosu (, generovaná kapacitou ) je 49

Zesilovače s bipolárními tranzistory Nula přenosu je tedy rovna součinu a modulu zesílení zesilovače. Z odvozeného vztahu lze určit, že pro ; tedy 0 je je 1 1 ; tedy je 1 Jedná se o dopředný přenos z báze do kolektoru přes kapacitu. Kvalitativní zobrazení modulu přenosu je na obr. 2.14. Přenos [db] 20 db/dec 0 Obr. 2.14 Vliv na modul přenosu Snadno určíme, že ve využitelné oblasti (frekvenční; kmitočet poklesu přenosu o 3 db) je výstupní odpor struktury opět definován odporem. Zbývá určit vliv na vstupní impedanci. Opět se omezíme na oblast, kde platí Proto 1 Ekvivalentní impedance v uzlu B vytvořená doplněním tedy je 1 1 50

Zesilovače s bipolárními tranzistory Ekvivalentní kapacita připojená z B proti zemi by musela mít velikost 1 aby jí protékal stejný proud. Jedná se o tzv. Millerův efekt (objevený již u triody) a platí pro jakoukoliv kapacitu připojenou mezi vstup a invertující výstup zesilovače (zesílení ). Obecně platí pro tuto situaci 1 1 V našem případě je zřejmé, že (modul zesílení) Celková vstupní impedance je tedy dána paralelním řazením, ekvivalentní kapacity a odporu : 1 1 1 1 1 Tato impedance může velmi nepříznivě ovlivnit funkci zesilovacího řetězce. Vede k rychlé frekvenční degradaci, je li zesilovací stupeň buzen ze zdroje signálu s významným (nenulovým) výstupním odporem. 2.2 Zapojení se společnou bází (SB) Pro zapojení SB můžeme použít stejné nastavení pracovního bodu jako na obr. 2.4. Pouze signálový vstup je nyní umístěn do emitoru tranzistoru a báze musí být signálově uzemněna. Na obr. 2.4a,b jednoduše připojíme původní vstup signálově (přes kapacitu) k referenční svorce. Na obr. 2.4c vypustíme (nahradíme zkratem) odpor a malý diferenční odpor stabilizační diody poslouží prakticky jako zkrat báze na zem. Situace je shrnuta na obr. 2.15. U CC > 0 U CC > 0 R 1 R C C 2 R 2 R E C E C 1 C 1 R 2 C E R 1 C 2 R E R C (a) (b) Obr. 2.15 Zapojení SB; a) NPN tranzistor, b) PNP tranzistor, 51

Zesilovače s bipolárními tranzistory U CC > 0 R 1 R C C 2 ZD R E C E (c) Obr. 2.15 Zapojení SB; c) modifikace z a) Signálové schéma, stejné pro všechny možnosti na obr. 2.15, je na obr. 2.16. E r e E i 0 V R E B C CB R C Obr. 2.16 Signálové schéma zapojení SB Z poměrů na obrázku plyne, že a postupem analogickým k předchozím úvahám snadno určíme výstupní napětí Neuvažujeme li vliv. Pokud v modelu uvažujeme i vliv, platí 1 1 Jedná se o neinvertující zesilovač napětí, proud není nyní zesilován (na rozdíl od zapojení SE). Vstupní odpor je dán paralelní kombinací a a nemůže být nijak ovlivněn kapacitou. Proto má zapojení SB lepší frekvenční vlastnosti než zapojení SE, ale vstupní odpor je malý. Výstupní odpor je i nyní určen odporem pro 1/. 52

Zesilovače s bipolárními tranzistory 2.3 Zapojení se společným kolektorem (SC), sledovač Jedná se o poslední elementární zapojení BJT. Základní zapojení je na obr. 2.17. Napájecí napětí se dělí rovnoměrně na emitorový odpor a napětí kolektor báze tranzistoru. U CC > 0 U CC > 0 I 1 C B R 1 R 2 I B R E I C C 2 C 1 R 2 R 1 I B R C C 2 (a) (b) Obr. 2.17 Zapojení SC; a) s tranzistorem NPN, b) s tranzistorem PNP Obvykle se volí a to tak, aby proud děličem byl podstatně větší než proud bázový 5 5 Musí proto platit tedy 2 5 5 2 5 2 Signálové schéma zapojení SC je na obr. 2.18. C CB 0 V E i R V r e E R E Obr. 2.18 Signálové schéma zapojení SC, // 53

Zesilovače s bipolárními tranzistory Snadno určíme, že 1 1 1 1 Napěťový přenos je téměř roven jedné proto sledovač. Zesilován je pouze proud. Kapacita se uplatňuje pouze svou prostou hodnotou. Proto má i zapojení SC dobré frekvenční vlastnosti. V praxi bývá odpor v zapojení SC značně větší než u zapojení SB a SE. Proto je vstupní odpor také značný. Výstupní odpor lze určit opět pomocí Théveninova teorému, platí Je tedy velmi malý, a to je často výhodné. Emitorový sledovač se často používá jako oddělovací stupeň tedy stupeň s velkým vstupním a malým výstupním odporem. 2.4 Kaskodové zapojení Proudové a současně i napěťové zesílení (tedy značné výkonové zesílení) má zapojení s emitorovým odporem, přičemž maximální napěťové zesílení je dosaženo v zapojení SE, kdy se uplatňuje pouze odpor a externí odpor je pro signály zkratován kapacitou. Toto zahojení má však nejhorší frekvenční vlastnosti, protože kapacitou je vytvořena v bázi tranzistoru (proti zemi) ekvivalentní kapacita 1 Kaskodové zapojení dvou tranzistorů umožní dosáhnout zesilovací poměry jako u zapojení ZEO, ale s podstatně lepšími frekvenčními vlastnostmi obr. 2.19. Varianta a) vytváří bázové napětí pomocí diod. Je li součin zanedbatelný vůči napětí 3 1,5 1,7 V, určíme, že 1,7 0,6 1,1 V a pro 100 je 1,1 Napětí stačí nastavit v rozmezí asi 0,6 až 1,5 V podle maximální úrovně vstupního napětí. Ukáže se totiž, že tranzistor T1 zesiluje pouze proudově. Zbývající část napětí 54

Zesilovače s bipolárními tranzistory U CC > 0 X I C X R ZD R C C 2 R 1 R D I B2 T 2 U ZD ZD Y 0,6 V U CE2 C B Y C 1 U C1 = U E2 R 2 R B I B1 T 1 Z 0,6 V U CE1 C E R 3 Z 3U D R E1 U E1 R E2 (a) (b) Obr. 2.19 Kaskodové zapojení tranzistorů; bázová napětí vytvořena a) diodami, b) odporovým děličem,, je vhodné rozdělit stejným dílem mezi a. Tranzistor T2 je totiž zapojen jako SB báze T2 je signálově připojena k zemi přes malý signálový odpor ZD nebo přes kapacitu, zesiluje již pouze napěťově. Platí 0,6 0,6 1,1 Dále platí Má li platit (kvůli symetrické limitaci) musí platit 2 2 Odpor odděluje vstupní signál od malého diferenčního odporu diod. 55

Zesilovače s bipolárními tranzistory Pro plné určení harmonického průběhu stačí znalost amplitudy, frekvence (kmitočtu) nebo periody a počáteční fáze. Varianta b) vytváří bázové napětí pomocí odporového děliče,,. Připojení báze tranzistoru T2 k zemi (signálové) zajišťuje kapacita. Je li příčný proud děličem alespoň pětkrát větší než jsou proudy bázové, platí, že napětí na bázi T1 je dáno přibližně napětím na nezatíženém odporu, tedy Napětí na bázi T2 je dáno přibližně napětím na nezatížených odporech a, tedy Platí předchozí úvahy s tím, že nahrazujeme 3 Odpor nyní není nutný, vstupní signál vidí z napájecího obvodu bází tranzistorů paralelní kombinaci (protože jeden vývod je signálově uzemněn přes. Signálové schéma společné oběma variantám napájecích obvodů je na obr. 2.20. Pro variantu a) platí Pro variantu b) platí i C1 α i e1 r e αα i e1 i C2 i B1 0 V T1 C 1 E 2 0 V T2 R C R C i C2 R V r e i E R E1 R E2 R e Obr. 2.20 Signálové schéma kaskody Z poměrů na obr. 2.20 určíme, že ; 56

Zesilovače s bipolárními tranzistory Proto Celkové napěťové zesílení je tedy stejné, jako tomu bylo u zapojení ZEO. Dále platí 1 To je rovněž stejné jako u zapojení ZEO. Vstupní odpor proto je 1 1 1 1 Výstupní odpor je také shodný se zapojením ZEO tedy Podstatný rozdíl je ovšem v tom, mezi jaké napěťové úrovně je připojena kapacita tranzistoru T1. V kaskodovém zapojení je tato kapacita připojena mezi a (fázory, řešíme v ustáleném harmonickém stavu), nikoli mezi a obr. 2.21. C CB1 I E1 r e T2 R V I BC1 0 V T1 0 V C Z C α 2 CB2 I E1 r e R C Z C R C 1 pc CB2 R e U in r e R E I C1 Obr. 2.21 Model kaskody doplněný o kapacity a Paralelně k je připojena kapacita příslušná tranzistoru T2. Pro 1 platí Kapacita se uplatňuje pouze svou prostou hodnotou. Kapacita (příslušná T1) je připojena mezi a. Jaké je ovšem napětí? Pro 57

Zesilovače s bipolárními tranzistory 1 je ze signálového hlediska v kolektoru T1 pouze odpor (přes přechod E B tranzistoru T2 upnut k zemi). Proto snadno určíme, že Je zřejmé, že maximální hodnota modulu přenosu do kolektoru T1 je při 0. T1 tedy napěťově nezesiluje, napětí pouze invertuje; zesiluje pouze proudově. C 1 R B1 I RB2 R B2 T 1 C BO C E 3U D R E1 U E1 (a) R 2 C 1 R B T 1 C BO C E R 3 R E1 U E1 R E2 (b) Obr. 2.22 Zavedení bootstrapové vazby pomocí Millerova kapacita v bázi T1 je tedy 1 1 58

Zesilovače s bipolárními tranzistory I při 0 je tedy ( 1) 2 Uveďme příklad. Předpokládejme, že máme zapojení ZEO, jehož zesílení 100 Tranzistor má kapacitu 3 (obr. 2.13). Potom 1 101 3 303 Nyní realizujme stejné zesílení 100 dvěma stejnými tranzistory v kaskodovém zapojení obr. 2.21. Na základě předchozí úvahy je zřejmé, že nyní bude v bázi T1 2 36 tedy padesátkrát menší ekvivalentní kapacita. Kaskodové zapojení nám tedy poskytuje (za cenu dalšího tranzistoru) stejnou službu, jako speciální vysokofrekvenční tranzistor s 3/50. Pokud je ponechán v emitoru tranzistoru T1 odpor, můžeme i u kaskodového zapojení využít bootstrapovou vazbu z emitoru T1 do napájecí části bází a podstatně tak zvětšit vstupní odpor. Situace je zachycena na obr. 2.22a i na obr. 2.22b pro obě varianty nastavení pracovního bodu z obr. 2.19. U varianty a) rozdělíme na a. Přenos do emitoru je stejný jako u zapojení SC Odpor je tak zavěšen mezi a. Proud odebíraný ze zdroje signálu je 1 Vůči se nyní odpor chová jako ekvivalentní odpor 1 Proud protékající odporem (signálový) je nyní hrazen z emitoru T1 (kde je ho k dispozici mnohem více než ve zdroji signálu). U varianty b) je proti výchozímu stavu doplněn odpor (obr.2.19b). Dále jsou úvahy stejné jako u varianty a). Odpor se jeví pro signál jako ekvivalentní odpor 1 Signálový proud, který původně bázový obvod odebíral ze zdroje signálu, je nyní hrazen z emitoru tranzistoru T1. 59

Zesilovače s bipolárními tranzistory Vstupní odpor kaskody je při této úpravě určen paralelním řazením vstupního odporu báze tranzistoru T1 a ekvivalentního odporu, tedy 1 1 1 1 Je potlačen vliv původního na vstupní odpor zesilovací struktury. 2.5 Diferenční zapojení tranzistorů Moderní diferenční zapojení dvou tranzistorů NPN je na obr. 2.23. V emitorech T1, T2 je zdroj proudu 2. Zdroj představuje tzv. souhlasné napětí, zdroj diferenční napětí. V uspořádání na obr. 2.23 musí oba zdroje umožnit průchod stejnosměrných bázových proudů potřebných pro funkci tranzistorů T1 a T2. Předpokládá se ideální shoda vlastností T1 a T2. D T 3 I C3 U CC + > 0 I v I C1 I C2 T 1 T 2 U D E U S 2 I Q U CC - < U CC + Obr. 2.23 Moderní zapojení diferenčního zesilovače Při 0 jsou potom napětí B E obou tranzistorů stejná, bude platit a také 2 Napětí nemá vliv (ideálně), pokud rozdíl napětí a umožňuje funkci zdroje proudu nebo pokud pracují tranzistory v aktivní oblasti. Tím je vymezen rozsah souhlasného vstupního napětí. Dioda a tranzistor T3 tvoří proudové zrcadlo; ideálně platí, že proud je roven proudu diodou, tedy 60

Zesilovače s bipolárními tranzistory Pro proud vždy platí tedy při 0 0 Základní pracovní proud tranzistorů je tedy a tomu odpovídá pro signálové změny odpor /. Signálový model obvodu z obr. 2.23 je na obr. 2.24. Diferenční napětí (malé) se převede na odpory a vyvolá proud /2. Platí Proto 2 1 2 2 2 1 zrcadlo U D 0 U D U D 2r e 0 r e r e Obr. 2.24 Signálový model obvodu z obr. 2.23 Výstupní proud je ideálně určen pouze diferenčním napětím na vstupu a odporem (strmostí 1/ ). Výstupní napětí je dáno součinem proudu a odporu, který je připojen na výstup: Doplňme zapojení na obr. 2.23 o emitorový sledovač a získáme nejjednodušší model diferenčního zesilovače obr. 2.25. Zemnicí (referenční) uzel je vytvořen zapojením napájecích zdrojů, a vůči němu jsou vztahována veškerá napětí. Samotný diferenční stupeň v sobě zem nezahrnuje. Proud do báze tranzistoru T2 může protékat přes odpory a, proud do báze T1 musí mít možnost protékat přes zdroj. Z předchozích úvah víme, že 61

Zesilovače s bipolárními tranzistory D T 3 +10 V I v T 4 10 V (+) T 1 T 2 (o) zem U o U D (-) E R E 10 V U + 2 I Q U - -10 V R 1 R 2 Obr. 2.25 Moderní diferenční zesilovač princip operačního zesilovače Vstupní odpor tranzistoru T4 převádí proud na napětí. Přenos z báze T4 do emitoru T4 je přibližně roven jedné, proto Předpokládejme, že Potom a dále a kde 1 1 1 1 je zesílení diferenčního zesilovače bez zpětné vazby. Příklad 2.1 Pro strukturu na obr. 2.25 mějme: 100 µa; 100; 1 kω. Odhadněte zesílení a vlastnosti diferenčního zesilovače. Řešení : 62

Zesilovače s bipolárními tranzistory Nejdříve určíme 26 100 a nyní již můžeme určit zesílení 26 10 260 Ω 100 10 1 101 10 388,5 260 Vstupní diferenční odpor je určen oběma tranzistory tedy i oběma odpory na obr. 2.25. Proto 2 1 202 260 52520 Ω Výstupní odpor je určen paralelní kombinací a. Pro 1 kω je emitorový proud tranzistoru T4 cca 10 ma a 26 10 ma 2,6 Ω Jsou li zapojeny externí odpory (zpětnovazební) vyznačené na obr. 2.25 přerušovanou čarou, platí (zanedbáváme proudy do báze) / Pro 9 1 1 a dříve uvedené poměry tak obdržíme 1 1 1 1 1 1 10 Jedná se o neinvertující zapojení diferenčního zesilovače. 1 1 1 1 10 388,5 9,74 63