Tranzystorowy repeater emitera: zasada działania
Historia tranzystorów rozpoczyna się w połowie XX wieku, kiedy w 1956 roku trzech amerykańskich fizyków - D. Bardin, U. Brattein, V. Shockley, otrzymało nagrodę Nobla "Za badania półprzewodników i odkrycie efektu tranzystora".
Inżynieria radiowa, zaczynając pracę w swojej dziedzinie, czasami trudno jest zrozumieć obwody elektroniczne i cel tego czy innego elementu. Aby to zrobić, są pewne zmiany - już wymyślono schematy okablowania dla tranzystorów i innych elementów o określonych właściwościach, z których można wykonać różne urządzenia. Jedna z tych "cegieł" w budowie obwodów elektronicznych jest popychaczem emitera na tranzystorze.
Schemat połączeń tranzystorów
Istnieją trzy typy tranzystorów bipolarnych - ze wspólną bazą (OB), wspólnym emiterem (OE) i wspólnym kolektorem (OK).
Najczęstsze połączenie (OE), ponieważ daje duży przyrost napięcia i prądu. Jedną z cech tego połączenia jest odwrócenie napięcia wejściowego do 180 0 . Wadą połączenia jest małe wejście (setki omów) i duża rezystancja wyjściowa (dziesiątki omów).
Po przyłożeniu napięcia wejściowego tranzystor otwiera się, a prąd przechodzi przez podstawę do emitera, a prąd kolektora wzrasta. Prąd emitera jest sumowany z prądu podstawowego i prądu kolektora: AND E = AND B + AND K
W obwodzie kolektora na rezystorze pojawia się napięcie znacznie wyższe niż sygnał wejściowy, co prowadzi do wzrostu napięcia wyjściowego i odpowiednio do natężenia prądu.
Włączenie tranzystora zgodnie ze schematem (ON) zapewnia wzmocnienie napięcia i umożliwia pracę z szerszym zakresem częstotliwości niż schemat z (OE), dlatego często jest używany na wzmacniaczach antenowych. Schemat ten pozwala w pełni wykorzystać zdolność tranzystora do wzmacniania wysokich częstotliwości sygnału (charakterystyka częstotliwościowa). Im wyższa częstotliwość wzmacnianego sygnału, tym niższe wzmocnienie napięciowe. Ta kaskada ma małą impedancję wejściową i wyjściową.
Włączenie tranzystora za pomocą (OK) daje wzmocnienie prądu i jest często używane jako przejściówka pomiędzy zasilaczem o wysokiej rezystancji i obciążeniem o niskiej impedancji. Ponadto, to włączenie może być użyte do dopasowania różnych obwodów kaskadowych, nie zmienia polaryzacji sygnału wejściowego.
Ogólne koncepcje dotyczące repeatera
Repeater emiter jest wzmacniacz sygnału prąd, w którym włącza się tranzystor zgodnie ze schematem (OK). Wzmocnienie napięciowe sygnału jest praktycznie równe jeden, napięcie emitera jest równe sygnałowi wejściowemu, dlatego obwód jest nazywany popychaczem emitera. Zasada działania urządzenia zostanie omówiona poniżej.
Pomimo faktu, że naśladowca emitera ma stosunek przepuszczalności napięcia równy jeden, może być klasyfikowany jako wzmacniacz, ponieważ daje on zysk w prądzie, a tym samym w mocy: I Е = (β +1) x I B , gdzie ORAZ Е - prąd emitera i B - prąd podstawowy.
Z małą odpornością zasilanie kolektor tranzystora jest podłączony do wspólnej magistrali, a rezystor, z którego usuwane jest napięcie wyjściowe, jest podłączony do obwodu emitera. Podłączanie wejścia i wyjścia do obwodów zewnętrznych za pomocą kondensatorów C 1 i C 2 . Przy niewielkim współczynniku wzrostu napięcia, bieżący współczynnik wzrostu osiąga maksimum w trybie zwarć zacisków na wyjściu.
Zasada działania
Obciążenie obwodu kaskadowego przemiennika jest rezystorem na emulatorze.. Sygnał wejściowy jest przesyłany przez pierwszy kondensator C1, a usuwanie sygnału wyjściowego następuje przez drugi kondensator C2.
Popychacz emitera ma bardzo małe wejście i dużą impedancję wyjściową. Dzięki prąd przemienny, kiedy półfalówka dodatniego napięcia przemiennego przechodzi przez tranzystor typu pnp, otwiera się silniej i następuje wzrost prądu z ujemną półfalą - i na odwrót. W rezultacie wyjściowe napięcie AC ma tę samą fazę z wejściem i jest napięciem zwrotnym. Napięcie wyjściowe jest skierowane w stronę wejścia i jest połączone szeregowo, więc popychacz wysyłający wykorzystuje ciągłe ujemne sprzężenie zwrotne. Napięcie wyjściowe jest mniejsze niż napięcie wejściowe o niewielką wartość (napięcie podstawy-emiter wynosi około 0,6 V).
Jak wykonać schemat obliczeń
Początkowe dane do obliczenia wskaźnika nadajnika to prąd kolektora (I K ) i napięcie zasilania (V I):
- Napięcie emiter (UE) musi odpowiadać: Y Е = 0,5 x U Х (aby zapewnić maksymalny zakres napięcia wyjściowego).
- Teraz musisz wykonać obliczenia rezystancji rezystora na emiterze: У У Е / И К.
- Opór dzielnika rezystorowego jest obliczany: P1-P2 (dobieramy rezystancję tak, aby prąd na rozdzielaczu był około 10 razy mniejszy niż prąd na podstawie): I D = 0.1 x I K / β, gdzie β jest bieżącym współczynnikiem wzmocnienia tranzystor. Oporność Р 1 + Р 2 = У ВХ / И Д.
- Obliczamy napięcie podstawy względem ziemi: У Б = У Е + 0,7.
Cechy wyróżniające
Repeater nadajnika ma interesującą cechę - prąd kolektora zależy tylko od rezystancji obciążenia i napięcia wejściowego, a parametry tranzystora nie odgrywają znaczącej roli. Uważa się, że takie systemy mają 100% sprzężenie zwrotne napięcia. Nie możesz bać się spalić tranzystora, przykładając zasilanie do bazy bez rezystora ograniczającego.
Działanie nadajnika emitera opiera się na wysokiej impedancji wejściowej, która pozwala na podłączenie do niego źródła sygnału o dużej złożonej impedancji (na przykład odbioru z radia). Wzmacniacz mocy
Bardzo często repeater emitera służy jako wzmacniacz mocy na wyjściowych stopniach wzmacniaczy. Głównym zadaniem takich węzłów jest przekazanie określonej mocy do obciążenia. Najważniejszym parametrem ustawionym w obliczeniach mocy wzmacniacza jest przyrost mocy , zniekształcenie transmisji sygnału i sprawność (jego wzrost jest konieczny ze względu na zużywanie większości mocy zasilacza przez wzmacniacz wyjściowy) . Wzmocnienie napięcia nie jest głównym parametrem i zwykle zbliża się do jedności.
Istnieje kilka sposobów pracy na takim etapie wzmacniacza, w zależności od umiejscowienia punktu pracy na wykresie charakterystyk i odpowiednio, z różną wydajnością i charakterystyką sygnału wyjściowego.
Tryby działania
W rozważanych przypadkach działania następcy emiterów węzeł kolektora zostanie przesunięty z powrotem, a tryb działania będzie zależny od złącza nadajnika:
- W pierwszym przypadku przesunięcie złącza emitera następuje w taki sposób, że tranzystor stabilnie nie przechodzi w tryb nasycenia, a wzmacniacz pracuje na bezpośredniej części wykresu charakterystyki transferu (napięcie Y K i Y E są takie same). Maksymalne napięcie wyjściowe jest mniejsze niż napięcie wejściowe. Sprawność jest równa stosunkowi mocy dostarczanej do obciążenia do mocy z zasilacza i osiąga maksimum (25%) przy najwyższej amplitudzie napięcia wyjściowego. Aby uniknąć niedopasowania wyjścia i sygnału wejściowego, amplituda napięcia wyjściowego musi zostać zmniejszona, w wyniku czego zmniejsza się także wydajność. Niska sprawność w tym trybie pracy wzmacniacza wynika z niezależności prądu płynącego przez tranzystor, od napięcia zasilającego i mocy pobieranej ze źródła zasilania jest wartością stałą. W przypadku braku sygnału wejściowego moc rozpraszana przez tranzystor jest największa. Dlatego też, w tym trybie, popychacz emitera nie jest używany jako wzmacniacz mocy, ale raczej jako nadajnik lekko zniekształconego sygnału.
- Kolejny tryb działania stopnia wzmacniacza, w którym przesunięcie złącza nadajnika przenosi punkt operacyjny tranzystora do granicy obszaru blokowania. Jeśli przyjmiemy napięcie emiterów (U E = 0) i sygnał wejściowy nie zostanie odebrany, złącze nadajnika jest przeciwne do kierunku wstecznego, a tranzystor znajduje się w stanie zamkniętym. W rezultacie zmniejszone zużycie energii. Podczas przechodzenia ze źródła zasilania dodatniej półfali tranzystor jest odblokowany (połączenie emiterowe otwiera się), a ujemny blokuje (brak sygnału wyjściowego). Drugi przypadek stopnia wzmacniacza rozwiązuje problem ze wzrostem sprawności wzmacniacza, ponieważ nie ma prądu na tranzystorze, jeśli nie ma napięcia zasilającego. Ale jest wada - silne zniekształcenie sygnału wyjściowego.
Układ push-pull
Popychacz emitera push-pull umożliwia bieżące wzmocnienie w zakresie dodatnim i ujemnym. Aby uzyskać dwubiegunowy sygnał wyjściowy, można użyć dodatkowego śledzącego emitera. Zasadniczo, obwód push-pull jest dwoma wzmacniaczami, z których każdy wzmacnia sygnał w półfali dodatniej lub ujemnej. Obwód składa się z dwóch rodzajów tranzystorów bipolarnych (z pnp i pnp - przejściami).
Zasada działania systemu uzupełniającego
Kiedy moc wejściowa jest nieobecna, oba tranzystory są wyłączone z powodu braku napięcia na złączu emiterowym. Po przejściu półfali dodatniej biegunowości następuje otwarcie tranzystora npn, podobnie przejście negatywnej półfalówki powoduje otwarcie tranzystora pnp.
Potężny popychacz emitera ma obliczenia wydajności (K = Pi / 4 x Y OUT / U K ), gdzie U o jest amplitudą sygnału wyjściowego; K - napięcie na złączu kolektora.
Z wzoru widać, że K rośnie wraz ze wzrostem amplitudy OO i staje się maksymalne, z U O = A K (K = Pi / 4 = 0,785).
To pokazuje, że popychacz na schemacie uzupełniającym ma znacznie wyższą wydajność niż konwencjonalny wzmacniacz.
Właściwością tego schematu jest duże (przejściowe) nieliniowe zniekształcenie. One objawiają się w większym stopniu niż mniejsze napięcie wejściowe (V B ).
Obliczanie wzmacniacza push-pull
Ponieważ potrzebujemy wzmacniacza emitera dla wzmocnienia mocy, dane źródłowe do obliczenia wskaźnika obserwatora będą wynosić: rezystancja obciążenia (RN), moc obciążenia ( RN ). Aby zmniejszyć niedopasowanie wyjścia i sygnału wejściowego, napięcie zasilania powinno być wyższe o 5 V od amplitudy napięcia wyjściowego.
Wzory do obliczania stopnia wzmacniacza:
- Napięcie wyjściowe: O OUT = pierwiastek kwadratowy (2P N P N ).
- Napięcie zasilania: VX = V E + 5.
- Prąd wyjściowy: I Е = У Е / Р Н.
- Moc pobierana ze źródła zasilania: P + + P - = 2 / Pi × U E / P N × U K.
- Maksymalne rozpraszanie mocy na każdym z tranzystorów: П 1 = П 2 = У К 2 / Пи 2 Р Н.
Zmniejszone zniekształcenie napięcia wyjściowego
Popychacz nadajnika push-pull, którego zasada działania jest opisana powyżej, można dalej poprawić przez zmniejszenie przejściowego zniekształcenia sygnału wyjściowego w jego obwodzie.
Aby zmniejszyć zniekształcenie napięcia na wyjściu kaskady, można zastosować do podstawy tranzystorów napięciowych, odchylenie charakterystyki wyjściowej.
Diody lub tranzystory są wykorzystywane do ustawiania, które dostarczają sygnał do baz pracujących tranzystorów wzmacniacza.
Obwód diodowy
Na przejściach emiterów tranzystorów T1 i T2 pojawiają się przesunięte względem diod D1 i D2 połączonych między podstawami tranzystorów. Kiedy napięcie wejściowe wynosi zero, tranzystory są aktywne. Gdy polaryzacja napięcia jest dodatnia, tranzystor T2 jest zablokowany, a przy ujemnej polaryzacji napięcia tranzystor T1 jest zablokowany. Gdy sygnał wejściowy wynosi zero, jeden z tranzystorów jest aktywny, więc obwód diodowy daje charakterystykę wyjścia, która jest bardzo zbliżona do liniowej. Zamiast diod można użyć tranzystorów z przetężonym złączem kolektora.
Wzmacniacz mocy z dodatkowymi wzmacniaczami emitera
Inny schemat, który zmniejsza zniekształcenie sygnału wyjściowego, którego wejście zawiera dwa tranzystory.
W tym obwodzie na wejściu umieszczono dwa wzmacniacze na tranzystorze, które tworzą przesunięcie napięciowe dla przejść nadajnika dwóch tranzystorów wyjściowych. Istotną zaletą tego włączenia będzie zwiększona odporność na wejściu kaskady. Prądy emitera prądów wejściowych i bazowych tranzystorów wyjściowych ustawiają pierwsze dwa rezystory . Dwa pozostałe rezystory są zawarte w obwodzie sprzężenia zwrotnego dla tranzystorów wyjściowych.
Ta opcja połączenia jest wzmacniaczem buforowym o pojedynczym wzmocnieniu.
Tranzystory kompozytowe
Teraz tranzystory są produkowane jako osobna kaskada dwóch tranzystorów w jednym pakiecie (obwód Darlington). Są one stosowane w układach scalonych we wzmacniaczach na dyskretnych komponentach. Zastąpienie konwencjonalnego tranzystora całką zwiększa wejście i zmniejsza impedancję wyjściową obwodu.