Pojačalo u spoju ZE Najčešće korišten spoj tranzistorskog pojačala (najbitniji)

1. Pojačalo u spoju ZE • Najčešće korišten spoj tranzistorskog pojačala (najbitniji) • Veliko i AI i AV – najveći dobitak snage G od svih spojeva! • Analiza u 2 temeljna koraka: • Istosmjerni (DC) uvjeti rada – određivanje statičke radne točke • Izmjenični (AC) uvjeti rada – pojačanja (strujno i naponsko te dobitak snage), kao i ulazni/izlazni otpori (tj. impedancije ako je frekvencija signala viša, pa moramo uzeti u obzir i kapacitivnosti tranzistora) → direktno ovise o statičkoj r.t. (tj. o definiranim DC uvjetima)

2. Pojačalo u spoju ZE – DC analiza • Prvo je potrebno odrediti tzv. statičku radnu točku • Sklop koji se analizira (ovo je najjednostavniji spoj, no rijetko se koristi jer je termički nestabilan; promatra se kao strujno pojačalo):

3. Pojačalo u spoju ZE– DC analiza • Analiza pod istosmjernim uvjetima (DC analiza): • Podrazumijeva određivanje kolektorske struje (IC=ip) i napona (UCE) tranzistora, te bazne struje (IB) kada ulaz ne postoji (iul=0), tj. kad postoje samo istosmjerne struje → s ovim je određena statička radna točka Q. Q je potrebno odrediti kako bi tranzistor pojačavao što linearnije (da su izobličenja pojačane struje što manja). • Najjednostavnija analiza koristi samo izlazne karakteristike tranzistora • Istosmjerni uvjeti određeni su sa vrijednostima RB , RP i UCC Pogledajmo detaljnije!

4. Pojačalo u spoju ZE– DC analiza • Ako znamo IBQ, koliki su ICQ i UCEQ? • Ovo određujemo iz izlazne karakteristike tranzistora (pomoću radnog pravca): radni pravac

5. Pojačalo u spoju ZE– DC analiza • Točke ICQ i UCEQ ograničene su na radni pravac • Radni pravac ovisi o naponu napajanja pojačala (UCC) i otporu potrošača (RP) • Presjek radnog pravca i izlazne karakteristike za odgovarajuću baznu struju IBQ (u primjeru slici IB4) definira radnu točku Q • Q se u pravilu odabire što bliže sredini aktivnog područja (UCEQ=UCC/2), kako bi se omogućio maksimalni “prostor” za simetričnu promjenu izlazne struje i napona tako da tranzistor ostane u aktivnom području (na slici desno nije točno na sredini; za ovo bi trebali odabrati malo manju IBQ)

6. Pojačalo u spoju ZE– DC analiza • No, da bi odredili presjek radnog pravca sa izl. karakteristikom, moramo prvo znati kolika je struja IBQ • Ako je iul=0 (nije ništa spojeno na ulaz), kolika je ib ? • Istosmjerni uvjeti: ib=IBQ (Q [eng. Quiescent – mirno, neaktivno] je tipična oznaka statičke radne točke). S obzirom da je sada ovo i struja koja teče kroz RB, (jer nije spojen ulazni generator) prema 2. K.Z. i Ohmovom Z. slijedi: • IBQ=(UCC – UBE )/RB • *Aproksimacija: UBE=0.7 V uvijek, pa: • IBQ=(UCC – 0.7)/RB UCC UCC - UBE ( egzaktno, IBQ se može naći iz presjeka ulaznih karakteristika za spoj ZE IB(UBE) i radnog pravca određenog sa RB i UCC (kako smo pokazali kod obične diode), no napon ce imati iznos približno jednak naponu koljena diode BE,(sjetimo se UI karakteristike diode) pa je gornja aproksimacija opravdana ) UBE DAKLE, biranjem vrijednosti otpornika RB, biramo i struju IBQ, a samim tim i položaj radne točke Q na radnom pravcu (tj. izlaznu struju ICQ i napon UCEQ tranzistora)

7. Pojačalo u spoju ZE– tranzistor kao sklopka • Ako se IB bira tako da radna točka Q leži u područjima zasićenja i zapiranja (umjesto u aktivnom), tranzistor ne radi kao pojačalo nego kao sklopka! • Ako je pad napona na izlazu tranzistora cca 0.2V (zasićenje) , tranzistor se ponaša približno kao zatvorena sklopka – ovo se postiže dovoljno velikom ulaznom strujom (IB), čije povećavanje uzrokuje pomijeranje Q po radnom pravcu prema gore lijevo. Nakon ulaska u područje zasićenja, daljnje povećanje IB praktično ne pomjera dalje Q. Može se uzeti da je tada napon na izlazu tranz. (UCE) minimalan - konstantnih 0.2 V, a struja IC maksimalna. Daljnje povećanje IB nema utjecaja na tranzistor – “zasićen” je! Stoga, ako želimo da se tranzistor ponaša kao zatvorena sklopka, na ulazu dovedemo IB dovoljnu da uđe u zasićenje – najčešće se odabere i 50-tak % veća IB od ove, radi pouzdanosti. • Ako nema ulazne struje (IB=0), nema ni izlazne struje (IC ≈ 0 - zapiranje – napon na tranzistoru UCE je maksimalan, tj. UCE≈UCC) - tranzistor se ponaša kao otvorena sklopka.

8. Pojačalo u spoju ZE– AC analiza • Analiza pod izmjeničnim uvjetima (AC analiza) podrazumijeva: • Određivanje AI i AV pojačala, te ulazne i izlazne impedancije (pojednostavljeno, otpora) čitavog pojačala • Statička r. t. Q se postavlja tako da osigurava da se u okolini Q tranzistor ponaša približno linearno (pod uvjetom da su promjene dovoljno male, tj. da radi u režimu malih signala). Pod ovim uvjetima tranzistor možemo zamijeniti linearnim elementima. • Temelji se na parametrima tranzistora kao četveropola (tranzistor se predstavlja preko linearnih elemenata kao četveropol) – mi ćemo koristiti prije pokazani H-model. Ovo neće unijeti veliku grešku u analizu, jer pretpostavljamo linearnost! • Pod izmjeničnim uvjetima, istosmjerni izvori nemaju nikakvog utjecaja na promjene signala, tj. na AC analizu – tretiraju se kao: • kratki spoj za idealni istosmjerni naponski izvor • otvoreni krug za idealni istosmjerni strujni izvor Prve izmjene nakon kojih se dobiva modificirana (jednostavnija) shema

9. Pojačalo u spoju ZE– AC analiza • Prvo prilagodimo shemu analizi pod izmjeničnim uvjetima: istosmjerni naponski izvori zamjenjuju se kratkim spojem

10. Pojačalo u spoju ZE– AC analiza Urednije...

11. Pojačalo u spoju ZE– AC analiza Još urednije...

12. Pojačalo u spoju ZE– AC analiza • Zamijenimo tranzistor četveropolom (H-model):

13. Pojačalo u spoju ZE– AC analiza • Donja shema može se još pojednostavnitiaproksimacijama u H-modelu tranzistora.

14. Pojačalo u spoju ZE– AC analiza Tipično hre<<1, pa se utjecaj izlaznog napona uCE na ulaz tranzistora može zanemariti(uzeti da je hreuCE≈0, tj. da je iznos naponskog izvora 0, tj. naponski izvor predstavlja kratki spoj): hreuCE ≈ 0

15. Pojačalo u spoju ZE– AC analiza Također, tipično je RB>>hie, pa se RB može zanemariti prema hie: (komponenta ulazne struje koja teče kroz RB je znatno manja od ib, pa možemo uzeti da je približno 0, tj. da je iul ≈ ib) RB >>hie → iul ≈ ib

16. Pojačalo u spoju ZE– AC analiza Slijedi konačna, pojednostavljena shema:

17. Pojačalo u spoju ZE– AC analiza Ulazni i izlazni otpor pojačala ?

18. Pojačalo u spoju ZE– AC analiza Strujno pojačanje, AI ? strujno djelilo (**)

19. DODATAK: (vrlo) korisne relacije I R2 U R1 U1 I I1 U R1 I2 R2 (*) Naponsko djelilo (U1=?) (**) Strujno djelilo (I1=?) *prisjetiti se realnih naponskih i strujnih izvora: isti princip!

20. Pojačalo u spoju ZE– AC analiza Strujno pojačanje, AI ? Ako je otpor potrošača znatno veći ili manji (što je često slučaj) od izlaznog otpora, vrijede dodatne aproksimacije: (najčešće!)

21. Pojačalo u spoju ZE– AC analiza Naponsko pojačanje, AV ?

22. Pojačalo u spoju ZE– AC analiza Pojačanje snage (dobitak), G? Pojačalo ZE ima znatno i strujno i naponsko pojačanje – najveće pojačanje snage!

23. Pojačalo u spoju ZB Održavanje statičke radne točke ako se uG isključi • Ulazna struja: IE ; Izlazna IC ; IB << → IE≈IC → • Naponsko pojačanje znatno [ Rul vrlo malen (propusno polar. PN spoj) u odnosu na RP ]:

24. Pojačalo u spoju ZC U ovom primjeru statička radna točka (tj. potencijal baze) ostvarena je naponskim djelilom, umjesto još jedne baterije u ulaznom krugu. Napomena: ovakav način realizacije statičke radne točke mogao se koristiti i u shemi prije, no ovo je nešto složenije za analizu nego jednostavno korištenje baterije.. • Veliko AI ≈ β, nema AV (tj. AV ≈ 1) • Iako se iz sheme odmah ne vidi spoj ZC, u AC uvjetima (baterija je KS) kolektor (C) je spojen na uzemljenje, dakle, C je priključak zajednički ulazu i izlazu • Izlazni napon “slijedi” (praktično je isti kao) ulazni: emitersko slijedilo (nema pojačanja ni okretanja u fazi) propusno polarizirani ulazni PN spoj BE ima vrlo mali dinamički otpor (gotovo 0), tako da se praktično kompletna promjena napona na ulazu "preslikava" na izlaznom otporniku RP .

25. Pojačalo u spoju ZC • Ulazni otpor vrlo velik (sklop djeluje kao “pojačalo” otpora RP ): RUL≈β·RP Dokaz: • Izlazni otpor je vrlo malen

26. Pojačalo u spoju ZC Najčešće se koristi za prilagođenje impedancije(ne za pojačanje): Problem:želimo naponski generator velikog unutrašnjeg otpora (“loš” naponski generator) spojiti na mali otpor potrošača, tako da potrošač “vidi” što više napona generatora (idealno bi bilo sav). • Ako se direktno spoje generator i potrošač, na potrošaču “ostane” samo dio napona generatora (većina pada napona formira se na unutrašnjem otporu, jer potrošač ima mali otpor – o ovome je bila riječ kod poglavlja o realnim naponskim izvorima) • Drugim riječima, posljedica priključenja potrošača na generator (“opterećenja” generatora) je da potrošač “vidi” tek manji dio stvarnog iznosa napona generatora • Još bitnije, napon na potrošaču jako ovisi o iznosu potrošača (umjesto samo o naponu generatora, a što manje o potrošaču) Rješenje:naponski generator spojimo na ulaz transformatora impedancije (npr. emiterskog sljedila, koji ima vrlo velik ul.otpor), a onda potrošač na njegov izlaz • Veliki ulazni otpor emiterskog sljedila drži napon na ulazu gotovo isti kao napon generatora (ulazni otpor emiterskog sljedila >> unutrašnjeg otpora generatora) • Izlaz je gotovo isti kao ulaz (čak i za mali otpor potrošača) → zahvaljujući velikom ulaznom otporu transformatora impedancije, generator je “rasterećen”

27. Pojačalo u spoju ZS • Veliko AV • Rul→∞, Rizl >> • MOSFET osiromašenog tipa, obogaćeni mod rada (UGG takav daUGS>0) • Strminsko pojačalo: ulazni napon upravlja izl. strujom

28. Pojačalo u spoju ZD • AI >>, AV ≈ 1 • Rul>>, nema okretanja faze • Naponsko djelilo umjesto baterije u ulaznom krugu • D spojen na bateriju: za izmj. signal D je uzemljen! • Također radi u obogaćenom modu • Ista uloga kao emitersko sljedilo: za prilagođavanje impedancije

29. Pojačalo u spoju ZG Ako se odspoji generator, održava statičku radnu točku, osigurava mali ulazni otpor C – praktično K.S. za izmjenični signal - G je uzemljen za izmjenični signal (pogledati nadomjesnu shemu) Naponsko djelilo za osiguravanje statičke radne točke

30. Pojačalo u spoju ZG • AV >>, AI ≈ 1 • Rul<<, Rizl>> • Koristi se kao transformator impedancije, no za strujne generatore – (za strujne generatore sa malim unutrašnjim otporom (“loše” generatore) u odnosu na otpor potrošača)