Jak poprawić wzmocnienie napięcia w tranzystorowym wzmacniaczu wspólnym emiterze?

Aby zaprojektować wzmacniacz tranzystorowy z odpowiednim wzmocnieniem napięcia, należy uwzględnić kilka podstawowych parametrów obwodu. W artykule tym omówimy, jak dobór odpowiednich elementów obwodu wpływa na wydajność wzmacniacza oraz jakie techniki są używane do optymalizacji tego procesu.

Rozpocznijmy od analizy podstawowego obwodu wzmacniacza tranzystorowego w układzie wspólnego emitera. Zwykle na początku obliczeń zakłada się, że wartość wzmocnienia napięcia (|Av|) może zostać obliczona przy użyciu prostych przybliżeń. Z przykładu wynika, że wartość wzmocnienia napięcia może być przybliżona równaniem $|Av| \approx \frac{R_C}{R_{E1}}$. W tym przypadku przyjęto wartość $R_C / R_{E1} = 40$, co daje wzmocnienie wynoszące 40. Wartość ta jest optymistyczna, ponieważ w rzeczywistości wzmocnienie może być mniejsze, co jest wynikiem pominięcia pewnych nieistotnych dla początkowego projektu czynników.

Kolejnym krokiem jest zaprojektowanie układu, w którym uwzględnia się bieżące prądy quiescentne, co wymaga obliczeń w układzie bazy-emiter. Na przykład, przy założeniu prądu bazy $I_B = 0,20 \, \text{mA}$ oraz zysku prądowego $\beta = 100$, obliczamy napięcie na bazie-emiterze przy $V_{BE(on)} = 0.7 \, \text{V}$. W tym przypadku wynikające z równania napięcie $V = 5 \, \text{V}$ pozwala na dalszą optymalizację obwodu, przy czym zależność między elementami jak $R_C$, $R_{E1}$, oraz $R_{E2}$ jest kluczowa dla stabilności układu.

Warto zwrócić uwagę na wpływ prądu kolektora i emitera na napięcia w obwodzie. Jeśli $I_E \approx I_C$, to przy ustaleniu punktu pracy napięcie kolektor-emiter $V_{CEQ}$ powinno wynosić około 4 V. Dzięki tym obliczeniom, określona zostaje wartość rezystora kolektora $R_C = 9.5 \, \text{k}\Omega$, a dla $R_{E1} = 240 \, \Omega$ oraz $R_{E2} = 20 \, \text{k}\Omega$ obwód jest odpowiednio zoptymalizowany pod kątem wymaganych parametrów.

Podstawowym celem tego projektu jest zapewnienie odpowiedniego wzmocnienia napięcia przy zadanej częstotliwości sygnału wejściowego (12 mV). Niemniej jednak w rzeczywistości napięcie wyjściowe jest nieco mniejsze niż zaplanowane 0.4 V, co jest wynikiem nieuwzględnienia pewnych czynników, jak np. oporność wewnętrzną tranzystora $r_\pi$. W związku z tym, zastosowanie symulacji komputerowych (np. PSpice) jest niezbędne, aby uzyskać dokładniejsze wyniki oraz dostosować projekt w celu uzyskania pożądanych parametrów wyjściowych.

W przypadku przeprowadzenia symulacji na standardowych rezystorach i tranzystorze 2N3904, wynik sygnału wyjściowego wynosi 323 mV, co jest nieco poniżej docelowego poziomu 400 mV. Aby poprawić wzmocnienie napięcia, konieczne jest zmniejszenie wartości $R_{E1}$, np. do 160 Ω, co pozwala uzyskać wartość wyjściową 410 mV, bliską wartości wymaganej.

Warto również zauważyć, że wzmocnienie mało-sygnałowe oraz wartość napięcia wyjściowego są stosunkowo odporne na zmiany w zysku prądowym $\beta$. To sprawia, że projekt staje się bardziej stabilny, szczególnie przy uwzględnieniu rezystora emiterowego $R_{E1}$.

Wprowadzenie elementów aktywnego obciążenia w projektowanych wzmacniaczach może również znacząco poprawić wyniki w zakresie wzmocnienia napięcia. W zastosowaniach bardziej zaawansowanych, takich jak projektowanie wzmacniaczy z nieliniowymi obciążeniami, prąd kolektora, współczynniki tranzystora oraz charakterystyki obciążenia muszą być uwzględnione w równaniach mało-sygnałowych.

Po uwzględnieniu obciążenia aktywnego, np. przy użyciu tranzystora pnp w roli obciążenia, można osiągnąć znacznie wyższe wartości wzmocnienia napięcia, a odpowiednie obliczenia dają możliwość uzyskania wyników na poziomie nawet $-1317$, jak w przykładzie z nieliniowym obciążeniem.

Na koniec warto wspomnieć, że techniki przybliżeń są bardzo pomocne na etapie początkowego projektowania obwodów elektronicznych, ale dla precyzyjnego uzyskania wymaganego wzmocnienia oraz stabilności układu niezbędne są dalsze symulacje komputerowe oraz drobne korekty parametrów w procesie projektowania.

Jak stabilność prądu obciążenia zależy od oporu wyjściowego źródła prądowego?

W analizie układów elektronicznych jednym z kluczowych parametrów jest opór wyjściowy, który w znaczący sposób wpływa na stabilność prądu obciążenia, szczególnie w układach źródeł prądowych. Zasadniczo opór wyjściowy źródła prądowego determinuje, jak zmiany napięcia wyjściowego wpływają na wartość prądu, a tym samym stabilność całego układu. Jednym z przykładów układu o wyższym oporze wyjściowym jest źródło prądowe z kaskodą. Układ kaskodowy znacząco podnosi opór wyjściowy w porównaniu z prostym układem dwóch tranzystorów. W takiej konfiguracji zmiana napięcia wyjściowego ma znacznie mniejszy wpływ na wartość prądu obciążenia, co zapewnia większą stabilność prądową.

W klasycznym układzie źródła prądowego z kaskodą, wyjściowy opór Ro oblicza się według wzoru Ro = ro4 + ro2(1 + gmro4), gdzie ro4 i ro2 to opory wyjściowe odpowiednich tranzystorów, a gm to współczynnik transkonduktancji. Dla idealnych tranzystorów, przy założeniu odpowiednich wartości parametrów, Ro osiąga wartość rzędu 502 MΩ. W praktyce jednak, w rzeczywistych układach, uwzględniając straty na skutek prądów upływowych, uzyskanie wartości 502 MΩ może być trudne do osiągnięcia, co obniża ostateczną wartość oporu wyjściowego.

Opór wyjściowy układu kaskodowego zapewnia większą stabilność prądu obciążenia, ale tylko w warunkach idealnych. W rzeczywistości drobne zmiany w parametrach tranzystorów mogą wpłynąć na dokładność tej stabilności. Warto zauważyć, że dla układu z kaskodą, napięcie wyjściowe zależy od wartości minimalnego napięcia VD4, które wpływa na maksymalny zakres napięć w obciążeniu. Na przykład, w przypadku napięcia bramki VG4 tranzystora M4, minimum napięcia wyjściowego VD4(min) może wynosić od 1 V do 0.25 V, zależnie od warunków pracy.

Zastosowanie układu lustrzanego prądu Wilsona, z dodatkowym tranzystorem M4, pozwala na dalsze zwiększenie oporu wyjściowego, co zapewnia jeszcze większą stabilność prądu obciążenia. W układzie tym tranzystory M1, M2 i M4 mają stałe napięcia dren-do-źródła, co pozwala na uzyskanie stabilnego prądu referencyjnego, niezależnie od zmian napięcia zasilania. Modyfikacje układu Wilsona mogą również obejmować tranzystory o różnym współczynniku λ, co poprawia dokładność odwzorowania wartości prądu.

Jednakże, kluczową kwestią w projektowaniu takich układów jest zapewnienie odpowiedniej wydajności przy zachowaniu wysokiego oporu wyjściowego. Użycie odpowiednich tranzystorów, które pracują w nasyceniu, może pomóc w utrzymaniu stabilności, ale również wymaga precyzyjnego dopasowania parametrów, aby uniknąć zakłóceń spowodowanych przez wpływ napięć progowych i różnic w parametrach między tranzystorami.

Dla bardziej zaawansowanych układów, które wymagają niezależności od napięcia zasilania, opracowano również źródła prądowe niezależne od biasu. W takich układach, jak na przykład źródło prądowe oparte na MOSFET-ach, prąd wyjściowy pozostaje stabilny, mimo zmieniających się napięć zasilania. Takie rozwiązania zapewniają większą elastyczność w projektowaniu układów elektronicznych, szczególnie w systemach, które muszą działać w szerokim zakresie napięć. Opór wyjściowy tych układów nie zmienia się znacząco przy zmianach napięcia zasilania, co czyni je mniej wrażliwymi na zmiany parametrów zasilania.

Z kolei w układach JFET, takich jak proste źródło prądowe oparte na tranzystorze JFET w trybie wyczerpania, podobnie jak w MOSFET-ach, obliczenia oporu wyjściowego prowadzą do podobnych wyników. Jednakże, zależność prądu od napięcia dren-źródło w przypadku JFET-ów jest równie istotna. Obliczony na podstawie parametrów tranzystora wzór na prąd i opór wyjściowy wskazuje na konieczność uwzględnienia efektu λ, który może wpłynąć na dokładność wartości prądu wyjściowego.

Podsumowując, każdy z tych układów ma swoje unikalne właściwości, które decydują o ich użyteczności w różnych aplikacjach. Układy kaskodowe oferują wysoką stabilność prądu, ale ich wydajność zależy od idealności użytych tranzystorów. Układy Wilsona i źródła prądowe niezależne od biasu oferują większą odporność na zmiany napięcia zasilania, podczas gdy układy JFET zapewniają prostsze rozwiązania, jednak również wymagają uwzględnienia efektu λ. Projektowanie tych układów wymaga precyzyjnego doboru parametrów, aby zapewnić pożądane właściwości prądowe i wyjściowe w zróżnicowanych warunkach pracy.

Jak zaprojektować wzmacniacz z pętlą sprzężenia zwrotnego?

Projektowanie wzmacniaczy z pętlą sprzężenia zwrotnego wymaga zrozumienia, jak różne parametry tranzystorów i konfiguracje układów wpływają na ogólną wydajność obwodu. Chociaż sprzężenie zwrotne jest powszechnie stosowane do poprawy stabilności i wzmocnienia, wiele zależy od precyzyjnego doboru elementów oraz analizy ich interakcji w układzie. W tym kontekście szczególną uwagę należy zwrócić na zależności między rezystancją wejściową, wyjściową oraz wzmocnieniem prądowym, które decydują o efektywności wzmacniacza.

Analiza sprzężenia zwrotnego w układach wzmacniaczy daje nam możliwość lepszego dopasowania parametrów obwodu do założonych wymagań. W szczególności, zmieniając wartości rezystorów sprzężenia, takich jak rezystor w bazie tranzystora, możemy znacząco wpłynąć na właściwości układu, takie jak wzmocnienie prądowe i impedancje wejściową oraz wyjściową. Na przykład, układ z transformatorem zależności sprzężenia zwrotnego może osiągnąć bardzo wysoką odporność na zmiany parametrów poszczególnych tranzystorów, co jest cechą charakterystyczną tego typu obwodów. Nawet w przypadku zmiany wartości elementów, takich jak rezystory bazy, ogólna funkcja transferu układu pozostaje stosunkowo stabilna.

Projektowanie wzmacniacza prądowego z pętlą sprzężenia zwrotnego wymaga kilku kroków. Po pierwsze, należy wybrać odpowiednią konfigurację, która będzie minimalizować efekty obciążenia, zarówno po stronie wejściowej, jak i wyjściowej. W przypadku układów o dużym wzmocnieniu, takich jak wzmacniacze operacyjne, ważne jest, aby dobrać odpowiednią wartość rezystora sprzężenia zwrotnego. Wzmacniacz z takim sprzężeniem może zapewnić wysokie wzmocnienie prądowe, nawet w przypadku zastosowania tranzystora o niewielkiej wydajności prądowej. Ważnym punktem jest tutaj również wybór odpowiednich elementów do obwodu, aby zachować stabilność całego układu i uniknąć niepożądanych efektów, takich jak zbyt duża zmiana impedancji.

Przykład praktyczny może dotyczyć projektowania wzmacniacza prądowego o określonym wzmocnieniu prądowym, na przykład 10, przy założeniu, że źródło sygnału ma nominalną rezystancję 10 kΩ, a obciążenie wynosi 50 Ω. W tym przypadku należy dobrać odpowiednie wartości rezystorów sprzężenia, aby uzyskać oczekiwane wzmocnienie prądowe, minimalizując jednocześnie wpływ obciążenia na właściwości wejściowe i wyjściowe układu.

Innym istotnym aspektem jest analiza wpływu rezystancji wyjściowej na wydajność układu. Rezystancja wyjściowa w układzie sprzężenia zwrotnego jest jednym z kluczowych parametrów, który wpływa na jakość sygnału wyjściowego i jego zdolność do wysterowania obciążenia. Dzięki odpowiedniemu doborowi elementów w obwodzie można osiągnąć bardzo dużą wartość rezystancji wyjściowej, co pozwala na uzyskanie lepszych wyników w zastosowaniach wymagających minimalnego obciążenia.

Jednym z typowych wyzwań w projektowaniu takich układów jest również dostosowanie wzmocnienia do założeń projektowych. W układzie z pętlą sprzężenia zwrotnego, w którym wzmocnienie zależy od kombinacji elementów aktywnych i pasywnych, może być konieczne przeprowadzenie obliczeń lub symulacji komputerowych w celu uzyskania optymalnych wyników. Na przykład, symulacja komputerowa może pomóc w zweryfikowaniu zaprojektowanego układu, wskazując na różnice między przewidywanymi a rzeczywistymi wartościami wzmocnienia oraz rezystancji.

Należy również pamiętać, że w przypadku dużych układów złożonych z wielu tranzystorów, takich jak wzmacniacze operacyjne, wpływ poszczególnych elementów może być skomplikowany. W takich przypadkach pomocne jest wykorzystanie modeli matematycznych, które pozwalają na dokładniejszą analizę wpływu każdego komponentu na parametry układu.

Oprócz podstawowych parametrów, takich jak wzmocnienie prądowe, ważne jest, aby zrozumieć, jak różne konfiguracje sprzężenia zwrotnego wpływają na charakterystyki impedancyjne układu. Rezystancja wejściowa i wyjściowa wzmacniacza mają istotny wpływ na interakcję z obciążeniem i źródłem sygnału, co może determinować końcową wydajność całego układu.

Zatem, przy projektowaniu układów z pętlą sprzężenia zwrotnego, kluczowe jest uwzględnienie nie tylko podstawowych parametrów obwodu, ale także ich wzajemnych zależności. Dobór odpowiednich elementów, analiza wpływu sprzężenia zwrotnego na wzmocnienie oraz testowanie parametrów za pomocą symulacji komputerowych to kroki, które pozwalają na uzyskanie stabilnych i wydajnych wzmacniaczy.

Jak działa wzmocnienie sygnału i czym różnią się układy analogowe od cyfrowych?

Współczesne układy scalone stają się coraz bardziej złożone. Zmniejszanie rozmiaru elementów oraz zwiększanie liczby urządzeń mieszczących się na jednym chipie pozwala integrować na jednej półprzewodnikowej strukturze funkcje arytmetyczne, logiczne i pamięciowe. Klasycznym przykładem takiego układu scalonego jest mikroprocesor.

Zasadniczą różnicą między elementami pasywnymi a aktywnymi w układzie elektronicznym jest sposób zarządzania energią. Urządzenia pasywne, takie jak rezystory, kondensatory czy cewki, nie są zdolne do dostarczania więcej energii, niż otrzymują. Mogą jedynie magazynować (jak kondensatory i cewki) lub rozpraszać (jak rezystory) energię, ale średnia moc dostarczana przez nie przez nieskończony okres czasu nigdy nie będzie mniejsza od zera. Natomiast elementy aktywne – jak źródła napięcia stałego, generatory sygnałów zmiennych czy tranzystory – potrafią dostarczyć więcej mocy sygnału na wyjściu, niż otrzymują na wejściu. Dzieje się tak dzięki zjawisku wzmocnienia, które polega na wewnętrznej redystrybucji energii stałej i zmiennej wewnątrz elementu.

W układach elektronicznych zazwyczaj występują dwa wejścia: jedno pochodzi ze źródła zasilania, dostarczającego napięcia stałego, niezbędnego do prawidłowego ustalenia punktu pracy elementów aktywnych; drugie to sygnał – najczęściej zmienny w czasie – który należy wzmocnić, zanim stanie się użyteczny. Przykładowo, sygnał z odtwarzacza CD to napięcie o bardzo małej amplitudzie, niewystarczające do napędzenia głośników. Potrzebny jest więc wzmacniacz, który zwiększy moc sygnału, nie zmieniając jego charakteru.

Podobna potrzeba występuje w przypadku sygnałów z mikrofonów, sygnałów głosowych odbieranych z pokładów statków kosmicznych, sygnałów wideo z satelitów meteorologicznych czy danych z elektrokardiografu (EKG). We wszystkich tych przypadkach sygnał wejściowy ma zbyt małą moc, by bezpośrednio sterować obciążeniem – potrzebna jest więc jego amplifikacja. Niemniej jednak, moc sygnału wyjściowego nigdy nie przekracza mocy dostarczonej ze źródła zasilania. Oznacza to, że maksymalna moc wyjściowa układu jest ograniczona przez parametry źródła zasilania.

Analiza układów elektronicznych dzieli się na dwie główne części: analiza odpowiedzi układu na sygnał stały (DC) oraz analiza odpowiedzi na sygnał zmienny (AC). Aby modelować zachowanie elementów aktywnych i ich zdolność do wzmacniania sygnałów, stosuje się źródła napięcia i prądu zależne od innych wielkości w układzie. Do każdej z tych analiz używa się osobnych modeli zastępczych – jeden dla analizy prądu stałego, drugi dla analizy sygnału zmiennego.

W elektronice wyróżnia się układy dyskretne i układy scalone. Układy dyskretne składają się z osobnych elementów, takich jak rezystory, tranzystory i kondensatory, montowanych pojedynczo. To one stanowią bazę dla bardziej złożonych struktur układów scalonych (IC), jak np. wzmacniacze operacyjne czy układy logiki cyfrowej. Choć obecnie większość rozwiązań realizuje się w technologii scalonej, zrozumienie funkcji poszczególnych układów dyskretnych jest kluczowe dla analizy i projektowania dowolnego systemu elektronicznego.

Sygnały w systemach elektronicznych mogą mieć charakter analogowy lub cyfrowy. Sygnał analogowy przyjmuje dowolne wartości w określonym zakresie i zmienia się w sposób ciągły w czasie. Układy elektroniczne, które przetwarzają takie sygnały, nazywane są układami analogowymi. Typowym przykładem jest wzmacniacz liniowy, który powiększa amplitudę sygnału