V minulém díle DIY seriálu Elektronika virtuálně v programu LTspice jsme si ukázali a nasimulovali zapojení tranzistoru se společným emitorem. Toto zapojení dosahuje velkého výkonového zesílení, protože zesiluje napětí i proud. Bývá používáno například v nízkofrekvenčních zesilovačích. Termín „nízké frekvence" se používá pro frekvence v rozsahu 300 kHz až 3 MHz.
Označení „nízké frekvence“ může být matoucí. Pro srovnání: lidské ucho rozpozná frekvence v rozsahu od 16 Hz do 20 kHz (vysoký, nepříjemný tón). Frekvence 3 MHz znamená, že dochází k vlnění třimilionkrát za vteřinu! Tedy stopadesátkrát rychleji, než je nejvyšší tón, jaký rozpoznáme! A existují i frekvence vyšší – společnost O2 provozuje mobilní síť 5G na 3669.60 MHz!
Pro zesilování vysokých frekvencí je vhodné použít zapojení tranzistoru se společnou bází. Toto zapojení se vyznačuje velkým napěťovým zesílením, ale malým proudovým zesílením.
Simulace v LTspice
Na obrázku číslo 1 vidíme schéma, které budeme dnes simulovat. Vidíme, že schéma je trošku složitější než předchozí, ale nebojte, vše si postupně vysvětlíme. Na obrázku číslo 2 vidíme důležité části obvodu zvýrazněné. Zelená kolečka označují kondenzátory, které oddělují stejnosměrnou složku vstupu a výstupu. Díky nim bude signál „zarovnaný“ kolem nulového napětí. Schválně si zkuste změřit výstupní napětí před a za kondenzátorem.
Oranžové kolečko označuje zdroj vstupního signálu. Vstupem bude napětí se sinusovým průběhem (funkci sinus pravděpodobně znáte z matematiky) o frekvenci 2 kHz a amplitudou 10 mV.
Spoj označený jako „OUT“ bude sloužit jako výstup našeho zesilovače. A nakonec červený obdélník: jedná se o tranzistor (stejný jako minule), ale nastavený do pracovního bodu dvěma zdroji napětí. Pojďme si vysvětlit, co znamená pojem „pracovní bod“.
Pracovní bod
Tranzistor je nelineární součástka. To znamená, že výstup a vstup nejsou v předem daném poměru. Tato vlastnost nám značně znesnadňuje použití této součástky (může se chovat nepředvídatelně).
Na obrázku číslo 3 vidíme takzvanou „výstupní charakteristiku tranzistoru“. Tento graf ukazuje závislost kolektorového proudu (svislá osa) na napětí mezi kolektorem a emitorem (vodorovná osa). Křivek je více, protože velikost proudu tekoucí skrze bázi také ovlivňuje velikost kolektorového proudu. Vidíme, že křivky nejsou po celou dobu přímky, ale jsou „divně zaoblené“. To je právě ona nelinearita.
Na obrázku číslo 4 vidíme jednu část křivky pro bázový proud o velikosti 150 μA (mikroampér) zvýrazněnou. Vidíme, že v této části je křivka přímkou. V této části se tranzistor chová lineárně. Dokážeme-li tranzistor udržet v této oblasti, bude jeho výstup předvídatelný (a to chceme). Tomuto postupu se říká „nastavení pracovního bodu“. V našem schématu se o nastavení pracovního bodu starají zdroje napětí mezi emitorem a bází a kolektorem a bází.
Frekvenční analýza
Další, co si dnes ukážeme je „frekvenční analýza“. Již jsem zmínil, že zapojení „se společnou bází“ se používá pro zesilování vysokých frekvencí. Při volbě simulace tedy zvolíme místo „Transient“ záložku „AC analysis“.
Poté vyplníme políčka podle obrázku číslo 5. Ve výsledném grafu vidíme, jaké frekvence jsou zesilovány více (mezi 280 kHz a 640 kHz) a které jsou zesilovány méně (190 kHz).
Závěr
V dnešním díle jsme si nasimulovali další typ zapojení tranzistoru (se společnou bází) a vysvětlili si, co je pracovní bod. V příštím díle se podíváme na poslední typ zapojení (společný kolektor).
