Elektrinių signalų stiprinimas

1. Stiprintuvų parametrai ir charakteristikos

1.4. Tranzistoriaus darbo taško nustatymas

Norint tranzistorių naudoti kaip stiprintuvą, būtina tinkamai nustatyti tranzistoriaus priešįtampį. Nuolatinės srovės (DC) priešįtampio nustatymo paskirtis – parinkti pastovų tranzistoriaus srovės ir įtampos lygį, vadinamą DC darbo tašku arba rimties (Q – angl. „quiescent“) tašku. DC darbo taškas turi būti parinktas taip, kad signalo pokyčiai įėjime būtų stiprinami ir tiksliai atkuriami išėjime gnybte. Tranzistoriaus priešįtampio nustatymas iš esmės yra konkrečių srovės ir įtampos sąlygų parinkimas. Taigi konkrečiame DC darbo taške, pavyzdžiui, I_C ir V_CE, būdingos nurodytos vertės. 1.7 pav. matomos tinkamo ir netinkamo priešįtampio sukuriamos sąlygos. Esant netinkamam priešįtampiui, išėjimo signalas iškraipomas, nes esant tam tikram įėjimo signalui tranzistorius gali imti veikti atkirtos arba soties režimu: jeigu įėjimo signalas per didelis Q taško atžvilgiu, tranzistorius dalį įėjimo ciklo veikia atkirtos ir (arba) soties režimu.

1.7 pav. Soties ir atkirtos grafinė iliustracija

1.8 pav. pavaizduoto tranzistoriaus priešįtampis, siekiant gauti konkrečias I_B, I_C, I_E ir V_CE vertes, išreiškiamas kintamaisiais V_CC ir V_BB. Kolektoriaus charakteringosios kreivės paaiškina, kas nutinka I_C ir V_CE esant įvairioms I_B vertėms. Kai I_B didėja, I_C didėja, o V_CE mažėja. Taigi didinant arba mažinant V_BB, tranzistoriaus DC darbo taškas juda išilgai visus Q taškus jungiančios nuolydžios tiesios linijos, vadinamos DC apkrovos kreive. Čia DC apkrovos kreivė susikerta su V_CE ašimi 10 V taške, kur V_CE = V_CC. Tai tranzistoriaus atkirtos taškas, nes I_B ir I_C idealiu atveju lygios nuliui. DC apkrovos kreivė idealiu atveju I_C ašį kerta 50 mA taške. Tai tranzistoriaus soties taškas, nes idealiu atveju I_C maksimali taške, kuriame V_CE = 0, o I_C = V_CC/RC.

1.8 pav. a) tranzistoriaus grandinė keičiant priešįtampius, b) kairėje esančios grandinės nuolatinės srovės (DC) apkrovos kreivė

Kad tranzistorius veiktų tinkamai kaip stiprintuvas, prie abiejų PN sandūrų turi būti prijungti tinkami išoriniai priešįtampiai. Kai prie tranzistoriaus prijungtas priešįtampis, BE (bazės-emiterio) sandūros varža maža, nes priešįtampis tiesioginis, o BC (bazės-kolektoriaus) sandūros varža didelė, nes priešįtampis atvirkštinis.

I_B labai silpna, todėl I_C ≅ I_E. Į tai atsižvelgdami nagrinėsime toliau esančiame paveikslėlyje pavaizduotą tranzistorių, kurio kintamosios srovės (AC) įėjimo įtampa V_in prijungta nuosekliai V_BB priešįtampiui, o tranzistoriaus išorinis varžas RC prijungtas nuosekliai V_BB priešįtampiui. Kintamosios srovės (AC) ekvivalentinė grandinė pavaizduota pradinės grandinės (idealiu atveju nuolatinės srovės (DC) šaltiniai AC įtampos atžvilgiu atrodo kaip sujungti trumpai) dešinėje. Tiesioginio priešįtampio bazės-emiterio sandūros varža AC signalui yra maža. Ši vidinė tranzistoriaus emiterio AC varža vadinama r_e ir yra vidinis tranzistoriaus parametras (mažąja raide rašomi parametrai čia rodo AC dydžius). Emiterio AC srovė lygi:

Be to, I_C ≅ I_E , todėl ant RC krintanti išėjimo įtampa lygi:

1.9 pav. Tranzistorius su priešįtampiu ir kintamosios srovės (AC) įėjimo signalu

V_out ir V_in santykis vadinamas AC įtampos stiprinimo koeficientu (A_v) ir išreiškiamas toliau pateikta formule:

Pagal ją matyti, kad pirmiau esančiame paveikslėlyje pavaizduotas tranzistorius veikia kaip nuo RC ir r_e verčių priklausomas įtampos stiprintuvas.

Yra keli tranzistoriaus priešįtampio nustatymo metodai. 1.9 pav. pavyzdyje bazės-emiterio sandūros priešįtampiui nustatyti buvo naudojamas atskiras įtampos šaltinis V_BB. Čia pristatysime kelis kitus būdus, kiekvienas jų turi pranašumų ir trūkumų.

Metodas	Pranašumai	Trūkumai
Bazės priešįtampis	Kaip vienintelį priešįtampio šaltinį naudoja V_CC	Dėl βdc kitimo kinta ir I_C, ir V_CE, taigi pakinta tranzistoriaus Q taškas ir bazės priešįtampio grandinė tampa priklausoma nuo β.
Emiterio priešįtampis	Emiterio srovė gali iš esmės nepriklausyti nuo βdc, o V_EE >> V_BE	Reikalingi du atskiri nuolatinės srovės (DC) įtampos šaltiniai – vienas teigiamas ir vienas neigiamas.
Įtampos dalytuvo priešįtampis	I_E iš esmės nepriklauso nuo βdc. Grandinė siūlo gerą Q taško stabilumą, naudojant vieno poliškumo šaltinį. Tai dažniausiai naudojamas priešįtampio nustatymo būdas.	Reikia daugiau komponentų, o stabilumas pasiekiamas tik kol R_E> 10 * [R1R2/(R1 + R2)]
Kolektoriaus-grįžtamojo ryšio priešįtampis	Siūlo gerą stabilumą, naudojant neigiamą grįžtamąjį ryšį nuo kolektoriaus iki bazės, be to, kalbant apie reikiamus komponentus, grandinė paprasta.

Nors aptarti vieno tipo tranzistoriui, NPN arba PNP, nereikia pamiršti, kad vienintelis skirtumas tarp jų – maitinimo įtampų poliškumas, o priešįtampio nustatymo principai tokie pat. Priešįtampio nustatymo konfigūracijos pavaizduotos toliau esančiame paveikslėlyje.

1.10 pav. Bazės, emiterio, įtampos dalytuvo ir kolektoriaus grįžtamojo ryšio priešįtampis