|
Tranzistor
v zapojení SE |
q
Náhradný obvod tranzistora pre veľký signál
Tranzistor - polovodičová súčiastka s
tromi elektródami,
slúžiaca na zosiľňovanie a prepínanie signálov (v kremíkovom alebo
germániovom
prevední).
-
Bipolárny tranzistor (F)
môže byť P-N-P alebo N-P-N typu, ako ilustruje obrázok 0aa.
-
Unipolárny tranzistor alebo tranzistor
ovládaný elektrickým
poľom FET.
Principy funkcie tranzistora (F)
ako aj kontróla pracovných podmienok pre režim zosilňovača a
spínača
boli už spomenuté v úvodnej úlohe U1 (F).
Tri elektródy súčiastky (E, B, K)
umožňujú 6 možností
ich zapojenia - z toho je polovica nezávislých od poradia (napr.
kombináciu
BE pokladame za rovnocenú s EB), ktoré podľa elektródy spoločnej
pre vstupnú a výstupnú časť obvodu sa nazýva:
-
zapojenie so spoločnou bázou (SB),
-
zapojenie so spoločným emitorom
(SE),
-
zapojenie so spoločným kolektorom
(SK).
|
Obr.
0a
-
Schématická
značka bipolárneho tranzistora;
-
Diódový náhradný
obvod;
-
Náhradný obvod
bipolárneho tranzistora
pre veľký signál. Zdroj prúdu IC=bFIB
charakterizuje výstupnú charakteristiku IC=
f(UCE),
ktorá prestavuje nevodivý PN prechod báza-kolektor. (Kvôli zopakovaniu
pripomínam, že charakteristickou vlastnosťou prúdového zdroja je vysoký
vnútorný odpor RCE, ktorý spôsobuje, že prúd IC z
tohto zdroja prakticky nezávisí od napätia UCE, takže
zobrazením
tejto charakteristiky je rovnobežka s osou UCE).
|
Nutnou podmienkou pre správnu funkciu
tranzistora
je nastavenie jednosmerných prúdov IC a IB tak,
aby
P-N prechod báza emitor bol polarizovaný vo vodivom smere a P-N prechod
báza kolektor bol polarizovaný v nevodivom smere (diódový náhradný
obvod
tranzistora na obrázku 0ab F).
Základnou vlastnosťou tranzistora je, že jeho kolektorový prúd IC
je násobkom bázového prúdu IB. Ich pomer bF=
IC/IBsa nazýva koeficient prúdového zosilnenia (v
zapojení so spoločným emitorom - lebo v tomto zapojení sa využíva
spôsob
ovládania prúdu IC pomocou prúdu IB.
Inou možnosťou zapojenia
tranzistora (obr.0a00)
je spôsob ovládania prúdu IC=aF
IE pomocou prúdu IE. Pritom medzi koeficientmi
prúdového
zosilnenia platí vzťah bF=aF/(1-aF).
Presný názov koeficientov prúdového zosilneni bF
a aF
má ešte doplnok v stave výstupu nakrátko - teda napr. koeficient
prúdového
zosilneni bF
v zapojení so spoločným emitorom v stave výstupu nakrátko
- čím sa zdôrazňuje jeho nezávislosť od voľby odporu v obvode
kolektora.)
|
|
Obr.
0a00
Priklad zapojenia so spoločnou
bázou
(SB):
-
Koeficient prúdového zosilnenia aF=IC/IE
~1 je menší ako pri zapojení SE.
-
Vstupný odpor tranzistora Rvs=1/gm
je podstatne menší ako pri zapojení SE.
-
Výstupný odpor Rvys=RC
je rovnaký ako pri zapojení SE.
|
|
Ďalšou možnosťou zapojenia tranzistora
je zapojenie
so spoločným kolektorom (SK F),
ktoré má pracovný odpor pripojený v emitorovom obvode a signál sa
odoberá
z emitora.
Základné
charakteristiky tranzistora
Obrázok 0a1 ilustruje ako sa mení
výstupný prúd
IC pri zmene vstupného napätia UBE (prevodová
charakteristika),
poprípade ako sa pri skokovej zmene vstupného napätia UBE
menia
výstupné charakteristiky . Vstupná charakteristika na obr. 0a2
potvrdzuje
fakt, že cez vstup tranzistora tečie prúd podobne ako cez vodivú
diódu.
|
Obr. 0a1 -
prevodová charakteristika
(strmosť gm=(DIC/DUBE)
odmeraná pri konštantnom napätí UCE=konst) a výstupná
charakteristika
(kolektorový prúd len málo závisí od zmeny UCE =>
vysoký
výstupný odpor rCE =DUCE
/DIC,
odmeraný pri konštantnom napätí UBE=konst. V reálnych
zapojeniach
je väčšinou rCE>>RC.) |
|
Obr.
0a2 - vstupná charakteristika. (vstupný odpor rBE=DUBE/DIB,
odmeraný pri konštantnom napätí UCE=konst.) |
Aproximácia
charakteristík tranzistora
analytickým výrazom
Na určenie závislosti prúdu iC
od napätia uBE
v tranzistore (v ktorom sú správne polarizované jeho
PN prechody báza-emitor a báza -kolektor, takže prúd medzi
emitorom
a kolektorom tečie prúd iC,
amplitúda ktorého závisí od napätia uBE
medzi bázou a emitorom , poprípade od prúdu
iB) sa často používa Ebersov-Mollov vzťah
iC=IS.[exp(uBE/UT)
- 1] ,
|
v ktorom: |
UT=kT/q=25,3mV
"teplotné " napätie pri izbovej teplote T=300K.
q - náboj elektrónu 1,6. 10-19C
T - absolutná teplota v K
k - 1,38.10-23 J/K - Boltzmannova
konštanta
IS- nasýtený záverný
prúd cez
emitorový PN prechod tranzistora (závisí od T). V aktívnej
oblasti
(kde je IC= bFIB
tranzistor pracuje ako zosilňovač) je IC>>IS
a člen
-1 možno zanedbať. |
|
Obr.
0a3 Závislosť prúdu IC od napätia UBE - prevodová
charakteristika tranzistora. |
|
Obr.
0a4.Závislosť súčiniteľa
bF od prúdu IC
(Označenie
na obrázku : h21e=bF) |
Z Ebersovho-Mollovho vzťahu plynú
niektoré zaujímavé
uzávery pre voľbu zapojenia tranzistora, ktoré zabezpečí vhodné
pracovné
podmienky tranzistora (ilustrované na obr. 0a5, obr. 0ad, obr. 0ae,
obr.
0af):
-
Na desaťnásobnú prúdu zmenu DIC
treba zmenu napätie medzi bázou a emitorom DUBE~60mV
=> zabezpečiť napäjanie bázy z "tvrdého" zdroja, napr. z
deliča, ktorého prúd Id~(5-10)IB.
-
Z hľadiska vstupujúceho prúdu do
emitora
sa tranzistor teda chová podobne ako vodivá dióda s
odporom
re=1/gm=UT/IC=25/IC{pre
IC [mA] bude v re[W]}
alebo tiež možno povedať, že prenosová vodivosť gm=1/re
, ktorá sa volá strmosť gm= (DIC/DUBE)
odmeraná pri konštantnom napätí UCE=konst charakterizuje
citlivosť
prúdu IC na zmeny vstupného napätia UBE .
Grafické
vyjadrenie závislosti IC=f(UBE) sa nazýva
prevodová
charakteristika tranzistora a ako ilustruje obrázok 0a3 je vhodne
popísaná
exponencialnou funkciou v širokom rozsahu prúdov (obyčajne od nA do
mA).
Pre porovnanie: zo závislosti bF
od prúdu IC z obrázku 0a4 je zrejmé, že pre nastavenie
pracovných
podmienok tranzistora je voľba založená len na bF
nie vždy lineárna.
-
Závislosť napätia UBE od
teploty. Nakoľko
prúd IS závisí od teploty zmenšuje sa DUBE~2,1mV/°C.
Už aj zmena DUBEo
-2,1mV pri zvýšení teploty o 1°C môže spôsobiť pri zosilnení Au
veľký posun (-2,1*Au mV) jednosmerného pracovného napätia na
kolektore UC.
-
Tzv. Earlyho efekt - hoci veľmi málo
ale UBE
pri stálom prúde IC závisí aj od UCE . Tento jav
spôsobuje zmena efektívnej šírky bázy a je približne DUBE~-0,001DUCE.
Earlyho efekt možno minimalizovať voľbou UB>UBE>>0,6V
(=>> zvýšenie napätia UB~UE+0,6V pomocou
zapojenia
odporu RE do emitora) .
F Vlastnosti
zapojenia SE
-
Vhodné kapacity
vstupných, výstupných
a emitorových kondenzátorov
-
Náhradný obvod z
hľadiska jednosmerného
a striedavého signálu
Jednosmerné pracovné
podmienky tranzistora
Pre nastavenie jednosmerných pracovných
podmienok
tranzistora alebo pri veľkých skokoch amplitúdy signálu (ube
> 5mV) nie je možné pokladať tranzistor za lineárny
prvok. Vhodný
náhradný obvod možno skonštruovať pomocou aproximácie
charakteristík
tranzistora lomenými úsečkami, v ktorom sa využíva fakt (ilustrovaný na
obrázku 0a1, 0a2), že ak má tranzistor fungovať ako zosilňovač musí byť
jeho PN prechod BE zapojený vo vodivom smere, kde má charakteristiku
podobnú
dióde (s prahovým napätím UBE) a jeho PN prechod CE musí byť
zapojený v nevodivom smere, kde jeho charakteristika pripomína zdroj
prúdu
(náhradný obvod zodpovedajúci takým parametrom je na obrázku 0ac).
|
Obr.
0a5. Zapojenie tranzistorového spínača - najjednoduchšie zapojenie,
ktoré
zabezpečuje polarizovanie PN prechodov tranzistora tak, aby pre
majoritné
nosič náboja bol prechod BE polarizovaný vo vodivom smere a
prechod
CB polarizovaný v závernom smere (F).
S hľadiska vlastností spínača požadujeme, aby na kolektore bolo malé
napätie
(napätie nasýtenia Us~0,05-0,2V), čo v danom zapojení možno
splniť voľbou tranzistora s bF~100. |
Spôsob zapojenia tranzistora s uzemneným
emitorom
(pri RE=0) na obr. 0a5 má rad nedostatkov, predovšetkým:
-
Nízke napätie UB~0,6V, ktoré
nezabezpečuje
dostatočnú stabilitu kolektorového prúdu IC pri zmene
teploty;
-
Nelinearitu zosilnenia spôsobenú príliš
veľkým zosilnením
signálov s väčšou amplitúdou (pre veľké zmeny kolektorového prúdu DIC
v okolí pracovného bodu už nemožno pokladať tranzistor za lineárny
prvok).
Zapojenia na obrázkoch 0ad - 0ag ilustrujú rôzne
úpravy zapojenia tranzistora SE, založené na vložení rezistora RE
do emitorového obvodu a tiež napájania bázy z deliča (F).
Zosilnenie napätia
AuT=RC/(
re+RE)
v takomto obvode je menšie (než v obvode s RE=0)
v dôsledku
pôsobenia zápornej spätnej väzby (signál na emitorovom odpore zmenšuje
amplitúdu signálu na vstupe). Zapojením
kondenzátora CE paralelne
s rezistorom RE možno v určitom frekvenčnom pásme potlačiť vplyv
zápornej zpätnej väzby (uvedené príklady ilustrujú rôzne spôsoby
ako vhodne
ovplyvniť zosilnenie).
|
Obr.
0ad. Zapojenie v ktorom je z hľadiska jednosmerného napájania
zabezpečené
vyššie napätie na báze ako 0,6 V, ktoré je typické pre kremíkový
tranzistor z uzemneným emitorom (nie so spoločným emitorom ale pri RE=0).
Nutnou súčasťou zapojenia je delič, ktorý vytvára potrebné predpätie. |
|
Obr.
0ae. Obdoba zapojenie na obr. 0ad v ktorom sú podmienky pre
nastavenie pracovného bodu rovnaké z hľadiska jednosmerného a
striedavého
signálu. Nutnou súčasťou zapojenia je delič, ktorý vytvára potrebné
predpätie
tak, že prúd Id~(5-10)IB
cez
delič R1-R2
je omnoho väčší ako jednosmenrý prúd IB cez
bázu. Kolektorový odpor bol zvolený tak, aby napätie UC=0,5Ucc
(IC =10mA, => gm=0,4S, re=1/gm=25W).
Nedostatkom je pomerne malý RE
, preto aby zosilnenie AuT=RC/(
re+RE) nebolo (pôsobením
zápornej
spätnej väzby na RE) príliš
malé. |
|
Obr.
0af. Obdoba zapojenie na obr. 0ad a obr. 0ae, v ktorom
sú
podmienky pre nastavenie pracovného bodu odlišné z hľadiska
jednosmerného
a striedavého signálu (len časť emitorového odporu RE2=820W
je "šuntovaná " kondenzátorom). Jednosmerné podmienky voľby pracovného
bodu tranzistora sú obdobné ako na obr. 0ae. Odpor RE1=180W
bol zvolený tak, aby zosilnenie AuT=RC/(re+RE)~50. |
|
Obr.
0ag. Obdoba zapojenie na obr. 0af, v ktorom sú iným
spôsobom
vytvorené odlišné podmienky pre nastavenie pracovného bodu z
hľadiska
jednosmerného (RE1=1kW)
a striedavého signálu ( ako RE figuruje kombinácia RE1=1kW
paralelne s odporom RE2=180W
- "šuntovaná " kondenzátorom). Jednosmerné podmienky voľby pracovného
bodu
tranzistora sú obdobné ako na obr. 0ae. Odpor RE1=180W
bol zvolený tak, aby zosilnenie AuT=RC/(re+RE)~50. |
|
Obr.
0ah Pôsobenie emitorového kondenzátora CE na frekvenčnú
závislosť
napäťového zosilnenia (napäťový prenos). Záporná spätná väzba
zmenšujúca
zosilnenie AuT=RC/(re+RE)
nebude
pôsobiť ak ZE=RE||(1/jw
CE)~0. |
Pre
voľbu vhodného emitorového kondenzátora CE
vo vyššie uvedených zapojeniach, ktorý by potlačil pôsobenie spätnej
väzby
po dolnú hraničnú frekvenciu fd treba splniť podmienku
CE~gm/(2pfd).
q
Náhradný obvod tranzsitora pre malý signál
|
Obr.
0b. Náhradný obvod tranzistora pre malé signály;
-
s prúdovým
zdrojom ic=b0ib
;
-
s prúdovým
zdrojom ic=gmup
;
-
vf model,
doplnený o ďalšie elementy,
ktoré umožnujú charakterizovať správanie tranzistora pri rýchlych
zmenách
signálu.
(Označenie na
obrázku :
upi = up
; rpi = rp;
Cmi=Cm
; Cpi = Cp.)
|
Náhradný obvod tranzistora na obrázku
0b_a a 0b_b
vyplýva zo zjednodušeného vzťah pre závislosť malých zmien prúdov bázy
iB=f(uBE, uCE) a kolektora iC=f(uBE,uCE)
od zmien napätia uBEa uCE, v okolí pracovného
bodu
tranzistora, ktorý má nastavené stále jednosmerné napätie UCE
a UBE :
diB=ib=(diB/duBE)duBE+(diB/du)duBE=(ube/rp)+(ubeSr)~ube/rp |
diC=ic=(diC/duBE)uBE+(diC/du)duBE=(gmube)+(ube/rCE)~gmube |
Vo
výslednom
zjednodušenom vzťahu:
boli zanedbané parametere - spätná
vodivosť Sr
~ 0, ktorá sa uplatňuje len pri vysokých frekvenciach a výstupná
vodivosť
1/rCE ~ 0 (napr. pre NPN tranzistor, cez ktorý tečie
jednosmerný
kolektorový prúd IC býva rCE ~ 100/IC).
Okrem toho namiesto diferencialne malých zmien, napríklad prúdu diB
, bola kvôli jednoduchšiemu zápisu použitá amplitúda malého striedavého
signálu, ktorá charakterizuje túto zmenu prúdu ib. (Kvôli
úplnosti
treba ešte uviesť, že v uvedenom vzťahu členy s duBE
sú
definované pri konštantnom napätí UCE a členy s duCE
sú definované pri konštantnom napätí UBE ). Náhradný obvod
skonštruovaný
na základe finálnych vzťahov je zobrazený na obrázku 7b v dvoch
modifikáciach
(0b_a, 0b_b), ktoré sú však
rovnocené
(nakoľko gm=b0/rp)
a použiteľné pre bipolárny a aj
unipolárny tranzistor (FET).
Tento náhradný obvod sa často žargonovo nazýva nf model tranzistora
pre malý signál, nakoľko dobre charakterizuje vlastnosti
tranzistora
v oblasti stredných frekvencii t.j. v okolí 500Hz až 1kHz.
-
v zapojení so spoločným emitorom a v
zapojení so
spoločným kolektorom
-
viacstupňový zosilňovač
-
emitorový sledovač
-
Darlingtonove zapojenie sledovača
Príklady použitia
náhradného
obvodu pre malý signál
Príklad 1
|
Obr. 0bd1.
Najjednoduchšie zapojenie zosilňovača s tranzistorom SE a jeho náhradný
obvod;
-
Zapojenie obvodu ;
-
Postup pri tvorbe
náhradného obvodu,
ktorý je založený na aplikácii princípu superpozície v lineárnych
obvodoch.
(zámena nezávislého napájacieho zdroja napätia jeho náhradnými obvodom
=> skratom)
(Označenie na obrázku
:upi
= up
; rpi = rp. |
|
Obr.
0bd2. Výsledný náhradný obvod zapojenia z obr. 0bd1a
(Označenie na
obrázku:
upi= up
; rpi= rp)
|
Príklad 2
V zapojení podľa obrázku 0bd1a, v ktorom
je Ucc=12V,
RB=470kW,
RC=5kW,
Rg=5kW
a bF=50
určite základné vlastnosti zosilňovača (s kremíkovým
tranzistorom).
Jednosmerný kolektorový prúd :
IC=bF(Ucc-0,6)/RB
=50(12-0,6)/470000=1,2mA |
Parametre tranzistora za predpokladu, že
b0=bF:
Strmosť: |
Odpor
medzi bázou a emitor: |
gm=0,04*IC=40*1,2=48mS |
rp=b0
/gm ~ 1kW |
Za predpokladu správnej voľby väzobného
kondenzátora
C1 možno pomocou náhradného obvodu na obrázku 0bd2 vypočítať
ďalšie potrebné parametre, ktoré sú charakteristické pre uvedené
zapojenie
zosilňovača:
Napäťový
zisk celkový: |
Napäťový
zisk tranzistora: |
Au=-b0
RC/(Rg+rp)=-50*5/(1+1)=-125 |
AuT=-b0
RC/rp=-gmRC=-RC/re~-250 |
Pri takomto veľkom zisku AuT
>100 treba
skontrolovať aj platnosť zjednodušujúcej podmienky, ktorú sme
použili
pri návrhu náhradného obvodu - či možno neuvažovať odpor rCE~100/IC~80kW.
Skutočné zosilnenie AuT=(-gm(RC||rCE)
~-188 je teda menšie ako -250.
Vstupný odpor: |
Výstupný odpor: |
Rvst = rp~
1kW |
Rvyst = RC~
5kW |
Nakoniec kontrola vhodnosti použitia
lineárneho
náhradného obvodu tranzistora:
Za predpokladu RB ||rp~rp
a požiadavke |up|<<kT/q~25mV (teda napr. ak žiadame |up|~5mV)
môže byť maximálna amplitúda z generátora ug=up(Rg+rp)/rp~10mV.
Táto hodota teda určuje hranice "malosti signálu" pre náhradný obvod
tranzistora
v oblasti malého signálu.
Príklad 3
|
Obr.
0be0 Modifikácia zapojenia zosilňovača s tranzistorom SE s emitorovým
odporom
. |
|
Obr.
0be1. Postup pri tvorbe náhradného obvodu zapojenia z obr. 0be0.
|
Z hľadiska ďalšieho zjednodušenia obvodu
na obr.
0be0, resp. 0be1 treba upraviť zdroj prúdu gmube
tak, aby bol úmerný nie napätiu ube na odpore rbe
ale skutočnému vstupnému napätiu u1 na vstupe tranzistora Rvst=
rbe/(rbe+(b0+1)RE
. Nakoľko pomer
ube /u1=
rbe/(rbe+(b0+1)RE)
~ re/(re+RE) ;
kde re = rbe /(b0+1) |
možo vyjadriť:
gmube
= gmu1re/(re+RE)
=a0u1/(re+RE)
~ g'mu1 |
a na základe toho v zapojení na obrázku
0be1 nahradiť
prúdový zdroj gm upraveným prúdovým zdrojom (obr. 0be2)
g'm=a0/(re+RE)~1/((1/gm)+RE)
a
tak dosiahnuť rozdelenie obvodu na vstupnú a výstupnú časť podobne ako
v náhradnom obvode na obr. 0bd2.
|
Obr.
0be2. Výsledný náhradný obvod zapojenia z obr. 0bd , formálne rovnaký
ako
náhradný obvod na obr. 0bd2.
(Označenie na
obrázku:
upi=up
; rpi = rp;
beta=b0;
alfa=a0)
|
F Tranzistor
v oblasti vysokých frekvencii
-
Vnútorné kapacity tranzistora
-
Tranzitná frekvencia
-
Millerov jav
-
Náhradný obvod pre vysokofrekvenčnú
oblasť frekvencii
-
Kapacita výstupu
-
Zapojenie so spoločnou bázou
Úprava náhradného
obvodu pre
oblasť vysokých frekvencii
Náhradný obvod na obrázku 0b_c,
ktorý je doplnený o medzielektródové kapacity (obr. 0bh) vystihuje
správanie
sa tranzistora pri vyšších frekvenciach (<160MHz) a žargonovo sa nazýva
vf model
tranzistora pre malý signál. V náhradnom obvode tranzistora
na obrázku 0b_c charakterizuje:
-
Cm-
kapacitu medzielektródového PN prechodu kolektor-báza,
polarizovaného
v závernom smere. Veľkosť tejto kapacity je v tranzistore malá Cm
~ 2 - 5 pF.
-
Cp-
kapacitu medzielektródového PN prechodu báza-emitor. Táto
kapacita charakterizuje
rýchlosť difúzie minoritných nosičov náboja cez oblasť bázy
tranzistora.
Kapacita Cp
lineárne závisí od prúdu cez tranzistor a jej veľkosť býva niekoľko sto
pF.
-
rp-
vstupný odpor bipolárneho tranzistora, v zapojení SE rp=rbe=(duBE/diB)=b0/gm
a je definovaný pri konštantnom napätí UCE = konst.
-
rx -
odpor medzi vývodami bázy a jej efektívnou oblasťou,
cez ktorú difundujú
minoritné nosiče náboja. Pri nízkych frekvenciach je rx~ rp/10,
pri vysokých frekvenciach je rx~25W
.
-
gm -
strmosť gm=(diC/duBE)
odmeraná
pri konštantnom napätí UCE = konst. Parameter gm
nezávisí od individuálnych vlastností jednotlivých tranzistorov. Pre
praktické
použitie sa využíva závisloť
gm[S]~0,04IC[mA]=IC[mA]/25=1/re
od
nastavenia pracovného režimu, reprezentovaného jednosmerným prúdom cez
kolektor IC. Odpor re=1/gm
reprezentuje
vnútorný odpor prechodu emitor báza pri pohľade zo strany
emitora.
Pri pohľade zo strany bázy sa odpor prechodu báza emitor javí ako rbe=rp=
b0re.
q
Prúdový zosilňovací činiteľ b0
v zapojení SE
Prúdový zosilňovaci činiteľ b0
v zapojení so spoločným emitorom (SE)
bol definovaný v tzv. stave
nakrátko, teda pri záťaži v obvode kolektora
RC=0.
|
Obr.
0bf. Zapojenie pomocou, ktorého sa definuje prenos prúdu b(w) v
zapojení
tranzistora so spoločným emitorom v stave nakrátko (teda pri záťaži v
obvode
kolektora RC = 0). |
Modul prenosu prúdu |b(w)|
:
|b(w)|=b0/[1+(2p
f rp(Cp+Cm))]0,5 |
nie je konštantný a zmenšuje sa pri
vyšších frekvenciach.
Z praktického hľadiska je dôležité poznať hornú hraničnú frekvenciu
tranzistora fb,
teda frekvenciu po ktorú môžme predpokladať, že modul prúdového
zosilňovacieho
činiteľa |b(w)|
je stály. Pri frekvencii fb,
podobne ako pri hornej hraničnej frekvencii dolnopriepustného RC
článku,
je:
Iná charakteristická frekvencia je tranzitná
frekvencia fT:
fT =b0fb
, |
pri
ktorej je |
|b(w)|=1. |
|
Obr.
0bg. Typická frekvenčná závislosť prúdového zosilnenia |b(w)|
pri skrate na výstupe (pre zapojenie podľa obrázku 0bf) pri b0
=150 a fT = 100MHz. |
u
Millerova kapacita
|
Obr.
0bh Ilustrácia medzielektródových kapacít v tranzistore:
Ccb = Cm;
Cbe
= Cp
a
CL -
kapacita reprezentujúca
kapacitu záťaže a tiež kapacitu prechodu Cce (kvôli
zjednodušeniu
ju neuvažujeme v ďalšom, nakoľko ju možno zahrnúť do kapacity ďalšieho
vstupu);
RL -
odpor v sebe zahrnuje
RC a odpor záťaže. |
Samozrejme v praktických zapojeniach
zosilňovačov
sa nepoužíva stav nakrátko (v ktorom je RC=0 a pomocou
ktorého
bol zadefinovaný prúdový zosilňovaci činiteľ b0
v zapojení so spoločným emitorom). Takýto stav je vhodný len na
zadefinovanie
b0 a
na objasnenie vplyvu mezielektródových kapacít Cp
a Cm
na hornú hraničnú frekvenciu
tranzistora:
poprípade na odhad kapacity Cp
na základe známych katalógových údajov Cm
, fT a b0:
V dôsledku pripojenia nenulového
odporu RC
môže mať zapojenie tranzistora SE napäťové zosilnenie Au
(pre
prípad s RE=0 je Au=gmRC=RC/re).
Nepriaznivým dôsledkom je však zníženie hornej hraničnej frekvencia
tranzistora
v tomto zapojení:
fhb=1/[2p
rp(Cp+Cm(1+Au)]=1
/[2p rpCM
] |
Popísaný jav sa nazýva Millerov efekt
a
fiktívna kapacita Millerova kapacita:
|
Obr.
0bh. Aproximácia frekvenčnej závislosti zosilnenia zapojenia
tranzistora
SE pomocou náhradnej kapacity CM. |
Na
minimalizovanie vplyvu Millerovej kapacity
možno použiť zapojenie:
-
so
spoločnou bázou (kapacitu Ccb = Cm
možno chápať ako súčasť kapacity záťaže CL F
obr. 0bji.);
-
so
spoločným kolektorom (sledovač - u ktorého v dôsledku
zosilnenia Au~1 sa Millerov efekt neprejavuje F
obr. 0bji.);
-
kombinované
zapojenia ako napr. zapojenia na obrázku
0bi a obrázku 0bj;
-
so špeciálnymi spínacími tranzistormi s
malými kapacitami
Cpa
Cm a
vďaka vhodnej montáži aj malou kapacitou CL;
-
s
malým odporom RC (a teda zapojenia pracujúce
pri veľkom prúde IC).
|
|
Obr. 0bi
Zapojenie zosilňovača
s emitorovou väzbou, ktoré možno interpretovať ako emitorový sledovač
(SK)
s následným tranzistorom v zapojení SB a preto je vplyv Millerovho javu
neprejavuje. |
Obr. 0bji.
Náhradné obvody zapojení
u ktorých sa neprejavuje Millerov jav:
-
So
spoločnou bázou (SB),
-
Emitorového
sledovača (SK)
|
|
Obr.
0bj. Zapojenie nazývané kaskóda, u ktorého dolný tranzistor v zapojení
SE má ako zaťažovací odpor nízky odpor re2 vstupu zapojenia
SB (=> má malé zosilnenia Au1~re2 /re1~
-1) a preto je vplyv Millerovho javu tiež minimálny. (Nakoľko však Au2~RL/re2
je celkové zosilnenie Au~Au1*Au2~ -RL
/re1 - rovnaké ako 1 tranzistora SE.). Podobné
zapojenie
s FET-mi (F). |
Zmena hornej hraničnej frekvencie z
ideálnej wb=2pfb
v stave nakrátko na reálnu whb=2pfhb
v zapojení s RC<>0 má napríklad pri zosilňovaní
impulzov
za následok dodatočné predĺženie trvanie čela (tca=2,2t)
impulzu (obrázok 5) v dôsledku predĺženia časovej konštanty o Dthb:
Dthb=thb-tb=(1/whb)-(1/wb
) =rpCmAu
. |
Porovnanie
vlastností najznámejšich zapojení tranzistora v zosilňovači
|
SE |
SC |
SE+RE |
SB |
kaskóda |
EC |
AuT |
-gmRC |
~1 |
-RC/(1/gm+RE) |
RC/(1/gm+RE) |
gm1RC |
gmRC/2 |
AiT |
ß |
(1+ß) |
ß |
a |
ß1a2~ß1 |
|
RvsT |
rp=rbe |
rp+(1+ß)RE |
rp+(1+ß)RE |
rp/(1+ß) |
rp |
rp |
Rvys |
RC |
rp/(1+ß) |
RC |
RC |
RC |
RC |
-
SE - zapojenie so spoločným emitorom
podobné zapojeniu
na obr. 0bi
-
SC - zapojenie so spoločným kolektorom
podobné zapojeniu
na obr. 0b a obr. 0a
-
SE+RE - zapojenie so
spoločným emitorom
a odporom v emitore podobné zapojeniu na obr. 0bd1
-
SB - zapojenie so spoločnou bázou
podobné zapojeniu
na obr. 0a00
-
kaskóda - kaskódové zapojenie
tranzistora SE a SB
podobné zapojeniu na obr. 0bj
-
EC - zapojenie tranzistora SC a SB s
emitorovou väzbou
podobné zapojeniu na obr. 0bi
-
AuT - napäťový zisk
-
AiT - prúdový zisk
-
RvsT - vstupný odpor
tranzistora v uvedenom
zapojení
-
Rvys - vstupný odpor
tranzistora v uvedenom
zapojení
Príklad
na odhad zosilnenia tranzistora v oblasti vysokých frekvencii
|
Obr. 0bk.
Príklad zapojenia časti vysokofrekvenčného zosilňovača, v ktorom
predpokladáme
správne nastavenie jednosmerných pracovných podmienok (predovšetkým
vhodného
predpätia na vstupoch in1 a in2). |
Preanalyzujme
vlastnosti
tranzistora Q3 (na obrázku 0bk) v oblasti vysokých
frekvencii.
Tranzistor Q3 typu 2N4124 s parametrami Cm~
2,4pF pri 2,5V, b0~
250 a fT~300MHz (obr. 0bl). Kapacita na výstupe CL~2pF.
Záťažou tranzistora je jeho odpor v kolektore RL=R3~1kW.
Ako zdroj signálu slúži predchádzajúci stupeň diferenčného zosilňovača
s odporom v kolektore Rg=R2~8,2kW.
Na vstupe náhradného obvodu pôsobí kapacita Cp
(zistená prepočtom Cp~[b0/(2p
rp
fT) - Cm]=50pF)
a vstupný odpor rp
(určený z rp=b0/gm=b0/(0,04IC)=2500W
(pri prúde IC=2,5mA).
-
Napäťový zisk tranzistora Q3=R3/re~100
nakoľko re=1/gm=10W
. Na základe parametrov na výstupe (CL+Cm=2,4pF+2pF
a odporu R3=1kW
) môže náhradný RC obvod na výstupe (v prípade tranzistora s ideálnymi
vysokofrekvenčným zosilnením) prenášať bez zoslabenia nanajvýš
frekvenciu:
f-3dB=1/[2pR3
(CL+ Cm
)]~40MHz
|
-
Reálne vysokofrekvenčné vlastnosti
tranzistora charakterizuje
jeho Millerova kapacita CM=Cp+Cm+CmAu=53pF+240pF
paralelne pripojená k vstupnému odporu rp=b0re=2500W
.
-
S hľadiska náhradného obvodu na obr.0bl
vplyv Millerovej
kapacity CM na zosilnenie tranzistoru s kolektorovým odporom
R3 (a teda zosilnením Au=100) charakterizuje
horná
hraničná frekvencia:
fhb
=1/[2p(rp||R2)CM
]~280kHz |
|
Obr. 0bl.
Náhradný obvod výstupnej časti zapojenia z obr. 0bk s tranzistorom Q3:
-
Rg=R2~8,2kW
odpor náhradného zdroja signálu;
-
RL=R3~1kW
záťaž v kolektore
tranzistora Q3
;
-
CL=2pF
kapacita výstupu
-
Cp+m
= Cp
+ Cm
=53pF .
|
Zhodnotenie
použiteľnosti zapojenia
z príkladu:
Zrejme je zapojenie tranzistora Q3
z hľadiska
zosilňovania signálov s vysokou frekvenciou navrhnuté nesprávne,
nakoľko
fhb<<f-3dB.
Zlepšiť ho možno
napríklad:
-
zmenšením výsledného odporu rp||R2,
-
voľbou tranzistora s vyššou tranzitnou
frekvenciou
fT,
-
zmenšením vplyvu CmAu
, napríklad použitím menšieho odporu RC= R3 ,
-
voľbou tranzistora v inej konfigurácii
ako SE, napr.
(obr. 0bm).
|
Obr.
0bm Zjednodušené
principy zapojení vysokofrekvenčných zosilňovačov:
-
Sledovač + SE
-
SE+SB
-
Sledovač+SB
|
Ako kompromisné riešenie na potlačenie
Millerovho
javu sa často tiež používa čiastočná korekcia zosilnenia v oblasti
vysokých
frekvencii, napr. podľa obrázku 0bn, v ktorom indukčnosť v sérii s odporom
RC čiastočne potláča pôsobenie Millerovej kapacity a
tak zvyšuje
zosilnenie v oblasti vysokých frekvencii. (Podrobnejšie možno tento jav
pozorovať v úlohe U10.)
|
Obr. 0bp.
Korekčná indukčnosť (niekoľko mH) v obvode kolektora kompenzuje vplyv
Millerovej
kapacity a tak čiastočne zlepšuje zosilňovanie signálov s vysokou
frekvenciou. |
|