A feladat

A feladat szerint egy közös emitteres erősítőt látunk, ahol adottak az alkatrészek értékei, a tápfeszültség és a kimeneten megfigyelt jel is. A feladat, hogy ezek alapján határozzuk meg, mennyi a kapcsolás erősítése.

A szükséges elméleti háttér

A közös emitteres erősítő számításához szükség van a tranzisztor működésének megértésére, a leíró egyenletek ismeretére is. Ezt a tananyag alábbi fejezetben találjuk:

• A bipoláris tranzisztorok legfontosabb tulajdonságai - Karakterisztika

Ebből láthatjuk, hogy a bemeneti feszültség, azaz a bázisfeszültség kis változása milyen nagyságú kollektoráram-változást hoz létre:

Ezek után nézzük meg a tananyagban a közös emitteres erősítőre vonatkozó leírást is. Az áramvisszacsatolás esete felel meg a feladatban megadott kapcsolásnak:

• Tranzisztoros alapkapcsolások, Közös emitteres kapcsolás - Áramvisszacsatolás

Ebből az erősítés képletére van szükség:

Ezzel minden fontos összefüggést tudunk, ami szükséges a megoldáshoz

A számítások elvégzése

Az erősítés számításához felhasználjuk R_C, R_E és g_m értékét. Ez utóbbit nem adja meg a feladat, így ki kell először számítanunk az (1) képlet alapján.

A tápfeszültség 7 V, a kollektoron a munkaponti feszültség a jelalak középértéke, azaz 3,75 V. Mivel R_C 1500 Ohm, így a munkaponti kollektoráram (7 V-3,75 V)/1500 Ohm ≈ 2,167 mA. g_m értéke ennek és a termikus feszültségnek (26 mV) a hányadosa, azaz 0,08333 S.

Az erősítés R_C/(R_E+1/g_m), tehát 4,386. Nem kellett hozzá a kimeneti jel ingadozásának nagysága, de az életszerű feladatokban mindig több adatunk lehet, mint amire szükség van. Erre mindig ügyelni kell, a feladatoknál azokat az adatokat használjuk fel, amire a megfontolások alapján valóban szükség is van. Ha kellően alapos a tudás, akkor ez nem bizonytalanít el, így jó mérőfoka is lehet ennek.

Az eredmény tesztelése

Fontos feltenni a kérdést, hogy a valóságban mennyire működik ez? Egyszerűen ellenőrizhetjük a számolást méréssel, de akár szimulációval is, ami ilyen áramköröknél nagy pontossággal felel meg a valódi esetnek.

Általános tranzisztormodell

Egy általános tranzisztormodellt vegyünk elő először, ami alapértelmezett a TINA-TI áramkörszimulátorban. A munkapontot az egyszerűség kedvéért nem bemeneti feszültségosztóval, hanem a generátor DC szintjének beállításával oldjuk meg:

A VG1 DC értékét olyanra vegyük, hogy megkapjuk a szükséges munkaponti értéket, azaz a kollektoráram ≈2,167 mA legyen. Ekkor az emitteráram is ennyi, mert a bázisáram ehhez képest elhanyagolhatóan kicsi, tehát az emitteren 2,167 mA⋅330 Ohm=0,715 V feszültséget kell beállítani. A bázis-emitter feszültség körülbelül 0,7 V, így kiindulásnak jó lesz az 1,415 V VG1 DC komponensének:

A szinuszos AC komponenst érdemes 5 mV amplitúdójúra venni, mert ekkor a jel 10 mV-nyit fog ingadozni, könnyű lesz leolvasni az erősítést, ennyivel kell majd osztani a kimeneti jel ingadozását.

A szimulátorban válasszuk a tranziens analízist, ami az időfüggő jeleket határozza meg. Ekkor a szimulációt elvégezve a következőt kapjuk:

Láthatjuk, hogy nem pontosan 3,75 V a munkapont, a kollektoráram most 2,25 mA, de ez mindössze 4%-nyi eltérés. Akár ezt is lecsökkenthetjük finomhangolással. Csökkenteni kell az áramot kicsit, így tehát a VG1 DC értékét is. A 1,385 V egészen jónak adódik, egyúttal mérjük meg a kimeneti jel ingadozásának nagyságát is:

A mért erősítés tehát 4,341, a számított pedig 4,386. Az eltérés mindössze 1%, ami kiváló egyezés.

Gyártott tranzisztor modellje

Próbáljuk ki egy másik tranzisztorral is a szimulációt, válasszuk ki a 2N3904 típust. Ez egy gyártott típus, szemben az előző általánosított modellel. Itt most az 1,4 V DC a megfelelő, azaz alig más, mint az előbb. Ebből láthatjuk, hogy az elméleti megközelítés ebben is jó értéket ad. A mérés ezzel a következőt adja:

Az erősítés most 4,295 értékű, azaz 2%-on belül egyezik a számítással. Ha nem vesszük figyelembe g_m hatását, akkor az erősítés közelítőleg R_C/R_E az elmélet szerint, azaz 4,545, ennek eltérése a mérttől 5,8%. A feladat tűréshatárába még ez is bőven beleférne. A gyakorlatban ennél nagyobb pontosságra nincs is szükség, ugyanakkor a tervezéseknél ismernünk kell az egyes mennyiségek hatását, ezt igazolja a fentebbi szisztematikus vizsgálat is.

Összefoglalás

Érdemes végiggondolni, mire volt szükség a feladat megoldásakor, a módszert így tudjuk más feladatok megoldásánál is alkalmazni.

• Az Ohm-törvényt kellett R_C-re alkalmazni.
• Tudni kellett, hogy mi a munkaponti kollektoráram.
• Ismerni kellett, hogy g_m a munkaponti kollektoráram és a termikus feszültség hányadosa.
• Ismerni kellett az erősítés képletét.

A szimulációhoz még a következőkre volt szükség (elvégeztünk tehát egy munkapontbeállítást és egy erősítésmérést is).

• A kollektor- és emitteráram gyakorlatilag azonos.
• Az emitterfeszültség ezért a beállítandó kollektoráram és az emitterellenállás szorzata.
• A bázis-emitter közti feszültség kb 0,7 V, tehát a munkaponthoz tartozó bázisfeszültség 0,7 V+emitterfeszültség (ez a gyakorlatban elég is szoktott lenni, még finomítani se kell).
• A munkapontot beállító bázisfeszültségre kis váltójelet kell tenni, így a kimeneti jelnek és ennek az ingadozásának a hányadosa megadja az erősítést.

Kérdések, további gyakorlófeladatok

• Állítsa össze a kapcsolást valódi áramkörökkel és méréssel is ellenőrizze az eredményt!
• Függ-e az eredmény a kimeneti jel amplitúdójától? Indokolja meg a válaszát!
• Lehet-e még pontosabb összefüggést megadni az erősítésre?
• Megmérhető-e a kisjelű erősítés váltófeszültségű jelek nélkül is?
• Adjon meg olyan R₁ és R₂ ellenállásértékeket, amivel ugyanaz a munkapontbeállítás elvégezhető, ami a feladatban szerepel!