Elektronika

Maturitní otázky

ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ TRANZISTORU JAKO DVOJBRANU (SE,SB,SC)

20.Základní zapojení tranzistoru jako dvojbranu (SE,SB,SC)

Díváme-li se na tranzistor jako na čtyřpól (dvojbran), lze jeho vlastnosti vyjádřit pomocí čtyřpólových rovnic.Ve většině případů jsou udávány parametry tranzistoru ve tvaru tzv. h-parametrů, neboli smíšených parametrů.

Soustava těchto rovnic má tvar:

Z těchto rovnic můžeme odvodit vzorce pro výpočet jednotlivých parametrů.

Vzorce pro výpočet jednotlivých parametrů h a jejich význam:

                  pro u₂ = 0. Jedná se tedy vstupní odpor tranzistoru při výstupu nakrátko.   

                pro i₁ = 0. Jedná se o zpětný napěťový přenos při vstupu naprázdno.

                   pro u₂ = 0. Jedná se o proudový zesilovací činitel při výstupu nakrátko.

                pro i₁ = 0. Jedná se o výstupní vodivost tranzistoru při vstupu naprázdno.

Parametry h jsou střídavé parametry, určované v okolí pracovního bodu.

Při vysokých frekvencích nelze dobře dodržet definiční podmínky jednotlivých parametrů, protože měřící generátory i voltmetry mají vždy určitou kapacitu, která vstup nebo výstup zkratovává a není splněna podmínka vstupu naprázdno. Proto udává výrobce u vf tranzistorů parametry admitanční, které jsou definovány následovně:

Z těchto základních rovnic lze opět odvodí vzorce pro výpočet jednotlivých parametrů.Význam parametrů y je následující:

                 pro u₂ = 0. Je to vstupní vodivost tranzistoru při výstupu nakrátko.

                 pro u₁ = 0. Je to tzv. inverzní přenosová vodivost při vstupu nakrátko.

                 pro u₂ = 0. Je to přímá přenosová vodivost při výstupu při výstupu nakrátko.

                 pro u₁ = 0. Je to výstupní vodivost při vstupu nakrátko

Je vidět, že všechny definiční podmínky parametrů vyžadují vstup nebo výstup nakrátko, což se snadno realizuje pomocí kondenzátorů.

Tyto vf parametry udává výrobce obyčejně v grafech a to v polárních nebo v pravoúhlých souřadnicích. Mezi h-parametry a y-parametry existují jednoznačné vztahy pro vzájemný přepočet.

Tranzistorové zesilovače mohou pracovat ve třech možných zapojeních. V zapojení se společným emitorem (SE), společným kolektorem (SC) nebo se společnou bází (SB). V katalozích bývají uváděny pouze parametry pro zapojení se společným emitorem. Pro ostatní dvě zapojení se parametry přepočítají podle následujících vzorců:

Pro přepočet parametrů SE na SC a SB  platí tyto vztahy:

     h_11C = h_11e             h_12C = 1 - h_12e

     h_21C = -(1+h_21e)        h_22C  = h_22e

Ze známých h-parametrů lze vypočítat parametry zesilovače A_U,A_i,r_1,r_2.

Zesilovací stupně s bipolárními tranzistory.

1) Tranzistorový stupeň se společným emitorem.

Společnou elektrodou vstupního a výstupního obvodu je emitor.

 Napěťový přenos  se určí z rovnic

Řešením rovnic dostaneme   , kde

Pro R_Z = 0    je

pro R_Z ® ¥    je

V praxi velmi často platí, že R_Z «   a  « . Potom je napěťový přenos dán vztahem  . Znaménko minus znamená, že výstupní napětí má opačné znaménko než napětí vstupní, čili že dané zapojení otáčí napěťovou fázi o 180º. Největší napěťové zesílení je u tranzistoru s velkým proudovým činitelem h_21e a malým vstupním odporem nakrátko. Nejvyšší hodnota bývá řádu stovek až tisíců.

Průběh přenosu je na obr.

Proudový přenos je definován vztahem . Vypočítá se z rovnic

Dostaneme 

Minimální proudový přenos je při , t.j. . Maximální proudový přenos je při ,  potom .

Výkonový přenos je definován

Pro  i   je .

 Pro malé odpory R_Z je _p ≈ .

 Při velkých R_Z  je  ≈ - _.

Výkon se zvětšuje s druhou mocninou parametru h_21e.

Vstupní odpor je dán vztahem

  a určí se z rovnic 

Řešením těchto rovnic dostaneme

Pro  a  je   a  . Tento vstupní odpor nezahrnuje vliv napájecího odporu v bázi. Průběh vstupního odporu je na obr.

Výstupní odpor je definován vztahem   a určí se z rovnic

Řešením rovnic dostaneme vztah   . V mezních případech pro    a  je    a   .

Uvedený vztah nezahrnuje kolektorový odpor R_C. Skutečný výstupní odpor je  . Často ovšem platí, že r₂ » R_C a potom je R_výst ≈ R_C.

Tento odpor je nutno rozlišovat od skutečného zatěžovacího odporu R_Z. Odpor R_C je odpor v kolektoru řešeného stupně a odpor R_Z je zatěžovací odpor řešeného stupně a paralelně vstupní odpor následujícího stupně.

Vstupní kapacita stupně v zapojení SE je dána vztahem

kde C_BE  je kapacita báze - emitor tranzistoru

    C_BC  je průchozí kapacita tranzistoru. Tento druhý člen má rozhodující vliv u stupňů s velkým zesílením.

Výstupní kapacita se určí ze vztahu

  .  Obyčejně bývá h_11e » R_g, potom C_výst ≈ C_CE.

Jen v případě proudového buzení je h_11e « R_g a potom má druhý člen tvar h_21e.C_BC.

2) Tranzistorový zesilovací stupeň se společným kolektorem - SC.

V katalogu udává výrobce pro tranzistory pouze v zapojení SE. Používáme-li tranzistor v zapojení SC nebo SB, přepočteme parametry pro zapojení SE na parametry pro zapojení SC (SB) a tyto parametry dosazujeme do vzorců pro A_U, A_i, Ap, r1, r₂.

Schéma zapojení zesilovacího stupně v zapojení SC .

Dosazením přepočtěných vztahů do vzorců pro A_U dostaneme:

pro   je . Pro  je . Napěťový přenos dosahuje maximálně 1, znaménko je kladné, t.zn. zapojení neotáčí fázi napětí.

Proudový přenos A_i je největší při -(1+h_21e) a R_Z < 1/h_22e. S rostoucím R_Z proudový zesilovací činitel klesá.

Výkonové zesílení A_p má největší hodnotu číselně rovnou parametru h_21e. Závislost vstupního odporu na zatěžovacím odporu a výstupního odporu na odporu R_g je uvedena na obr.

Výstupní impedance unipolárního zesilovač v zapojení SC.

 Pro určení výstupní impedance odpojíme zátěž a předpokládáme, že na výstupních svorkách je připojen externí zdroj o napětí u₂, který protlačuje do zesilovače proud i.

 Velikost proudu je

  , protože .

Výstupní impedance mezi emitorem a je společnou svorkou je

  , protože platí SR_i = m.

Zatěžovací impedance R_z = R_E je připojena k impedanci r₂ paralelně.

Vstupní impedance.

Do vstupu teče proud .

 Odtud vstupní odpor . Pro A®1  je R_g ® ¥.

        stupní odpor tranzistoru je v tomto zapojení o tři řády větší, než odpor         h_11e a je ovlivňován hlavně proudovým zesilovacím činitelem.

Výstupní odpor je pro R_g = 0 roven h_11e/h_21e a pro R_g ® ¥ je 1/h_22e.

Tento stupeň se také nazývá emitorový sledovač, protože emitorové napětí sleduje fázi vstupního napětí. Napěťový přenos je vždy < 1. Vstupní odpor je tím větší a výstupní tím menší, čím je větší h_21e.

3) Tranzistorový stupeň se společnou bází - SB.

Teoreticky se hodnota napěťového přenosu liší málo od zapojení SE, pouze zde není fázový  posuv  mezi vstupním  a  výstupním  napětím. Pro R_z®¥ je napěťový přenos přibližně h_21e/Dh_e a pro R_z = 0 je napěťový přenos roven 0. Závislost napěťového zesílení A_U na R_z je na obr. Proudové přenosy pro R_z = 0 jsou  a pro R_z ® ¥ je A_i = 0. Výkonové zesílení v zapojení SB se pohybuje ve stovkách.

Vstupní odpor má pro R_z = 0 hodnotu h_11e/h_21e a pro R_z ® ¥ je Dh_e/h_22e. Při zatěžovacích odporech do 10⁴ W je vstupní odpor malý (desítky ohmů). Při větších odporech R_z je stovky ohmů.

Výstupní odpor se pohybuje v hodnotách jednotek až stovek ohmů. Závislosti odporů jsou rovněž na obrázku.

Shrnutí vlastností jednotlivých zapojení.

Zapojeni SE:

Výkonové zesílení je největší ze všech sledovaných zapojení, ale je velmi závislé na parametru h_21e. Napěťové zesílení se pohybuje ve stovkách, ale zapojení otáčí fázi napětí. Proudové zesílení je rovněž velké, výstupní proud  je ve fázi se vstupním. Vstupní odpor je řádově jednotky kilohmů, výstupní odpor jsou desítky kilohmů.

Zapojení SC:

Napěťové zesílení je vždy menší než jedna, výstupní napětí je ve fázi s napětím vstupním. Proudové zesílení je velké, výstupní proud je v protifázi oproti vstupnímu. Vstupní odpor je velký (o několik řádů větší, než u zapojení SE), výstupní odpor je malý. Zapojení se používá buď k snímání signálu ze zdrojů s velkým vnitřním odporem (např. krystalové přenosky) nebo k přizpůsobení výstupu zesilovače na malý zatěžovací odpor (např. na koaxiální kabel).

Zapojení SB:

Napěťové zesílení je velké (jako u zapojení SE), výstupní signál je ale ve fázi se vstupním. Proudové zesílení je vždy menší než jedna. Vstupní odpor je malý (jednotky až desítky ohmů), výstupní odpor je velký (stovky kilohmů až jednotky megohmů). Zapojení se používá k snímání signálů zdrojů s malým vnitřním odporem (antény, termočlánky).

Čtyřpólové parametry tranzistoru jsou závislé na pracovním bodě. Proto bývají v katalozích jejich hodnoty udávány pro definovaný pracovní bod. Je-li pracovní bod tranzistoru jiný, udává výrobce převodní grafy, z nichž se odečtou koeficienty, kterými se v závislosti na jiný kolektorový proud nebo jiné napětí kolektor-emitor vynásobí udané čtyřpólové parametry.

V prvním kvadrantu jsou uvedeny výstupní charakteristiky. Z nich lze odečíst parametr h_22e. Ve druhém kvadrantu je uvedena převodní charakteristika. Z ní lze odečíst v pracovním bodě parametr h_21e. Ve třetím kvadrantu jsou uvedeny vstupní charakteristiky a v pracovním bodě lze odečíst parametr h_11e. Ve čtvrtém kvadrantu je uvedena zpětná charakteristika a v pracovním bodě lze odečíst parametr h_12e.

Závislost h-parametrů na frekvenci:

Při nízkých frekvencích jsou h-parametry pouze reálná čísla. Při vyšších frekvencích, když jsou doby průchodu signálu přes přechody srovnatelné s periodou zpracovávaných signálů, jsou ovšem h-parametry komplexní čísla. Např.pro proudový zesilovací činitel platí vztah

, kde f_m je mezní frekvence, při které klesá absolutní hodnota proudového činitele  o 3 dB.

Kromě mezní frekvence se společným emitorem f_m = f_h21e  je uvedena tranzitní frekvence tranzistoru f_T. Je to frekvence, při níž klesne parametr h_21e na hodnotu 1. Hodnota tranzitní frekvence f_T je udávána výrobci v katalozích.