Úloha SE

¶ Tranzistor v zapojení SE ¶

Tranzistor - polovodičová súčiastka s tromi elektródami, slúžiaca na zosiľňovanie a prepínanie signálov (v kremíkovom alebo germániovom prevední) môže byť P-N-P alebo N-P-N typa, ako ilustruje obrázok 0aa. Principy funkcie tranzistora (F) ako aj pracovné podmienky pre režim  zosilňovača a spínača boli už spomenuté v úvodnej úlohe  U1 (F).
 

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 I_C a I_B 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). Základnou vlastnosťou tranzistora je, že jeho kolektorový prúd I_C je násobkom bázového prúdu I_B. Ich pomer b_F= I_C/I_Bsa nazýva koeficient prúdového zosilnenia (v zapojení so spoločným emitorom - lebo v tomto zapojení sa využíva spôsob ovládania prúdu  I_C pomocou prúdu I_B. Inou možnosťou na ovládanie tranzistora je spôsob ovládania prúdu  I_C=a_F I_E pomocou prúdu I_E. Pritom medzi koeficientami prúdového zosilneni platí vzťah b_F=a_F/(1-a_F). Presný názov koeficientovi prúdového zosilneni b_F a a_F má ešte doplnok v stave výstupu nakrátko - teda napr. koeficient prúdového zosilneni b_F v zapojení so spoločným emitorom v stave výstupu nakrátko - čím sa zdôrazňuje jeho nezávislosť od voľby odporu v obvode kolektora.)

Obrázok 0a1 ilustruje ako sa mení výstupný prúd I_C pri zmene vstupného napätia U_BE (prevodová charakteristika), poprípade ako sa pri skokovej zmene vstupného napätia U_BE 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 UCCE=konst. )

	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 D I_C treba zmenu napätie medzi bázou a emitorom DU_BE~60mV => zabezpečiť napäjanie bázy z "tvrdého" zdroja, napr. z deliča, ktorého prúd I_d~(5-10)I_B.
• Z hľadiska vstupujúceho prúdu do  emitora  sa tranzistor  teda chová podobne ako vodivá dióda s  odporom  r_e=1/g_m=U_T/I_C=25/I_C{pre I_C [mA] bude v  r_e[W]} alebo tiež možno povedať, že prenosová vodivosť g_m=1/r_e , ktorá sa volá strmosť  g_m=(D I_C/DU_BE) odmeraná pri konštantnom napätí U_CE=konst charakterizuje citlivosť prúdu I_C na zmeny vstupného napätia U_BE . Grafické vyjadrenie závislosti I_C=f(U_BE) 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  b_F od prúdu I_C z obrázku 0a4 je zrejmé, že pre nastavenie pracovných podmienok tranzistora je voľba založená len na b_F nie vždy lineárna.
• Závislosť napätia U_BE od teploty. Nakoľko prúd  I_S závisí od teploty zmenšuje sa DU_BE~2,1mV/°C. Už aj zmena DU_BE  o -2,1mV pri zvýšení teploty o 1°C môže spôsobiť pri zosilnení A_u  veľký posun (-2,1*A_u mV) jednosmerného pracovného napätia na kolektore U_C.
• Tzv. Earlyho efekt - hoci veľmi málo ale U_BE pri stálom prúde I_C závisí aj od U_CE . Tento jav spôsobuje zmena efektívnej šírky bázy a je približne   DU_BE~-0,001DU_CE. Earlyho efekt možno minimalizovať voľbou U_B>U_BE>>0,6V (=>> zvýšenie napätia U_B~U_E+0,6V pomocou zapojenia odporu R_E do emitora) . 

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. 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 R_E=0) na obr. 0a5 má rad nedostatkov, predovšetkým:

• Nízke napätie U_B~0,6V, ktoré nezabezpečuje dostatočnú stabilitu kolektorového prúdu I_C pri zmene teploty;

• Nelinearitu zosilnenia spôsobenú príliš veľkým zosilnením signálov s väčšou amplitúdou (pre veľké zmeny kolektorového prúdu DI_C v okolí pracovného bodu už nemožno pokladať tranzistor za lineárny prvok). 

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)IBcez 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 C_E vo vyššie uvedených zapojeniach, ktorý by potlačil pôsobenie spätnej väzby po dolnú hraničnú frekvenciu f_d treba splniť podmienku C_E~g_m/(2pf_d).
 

[Návrat]

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 i_B=f(u_BE, u_CE) a kolektora i_C=f(u_BE,u_CE) od zmien napätia u_BE a u_CE, v okolí pracovného bodu tranzistora, ktorý má nastavené stále jednosmerné napätie U_CE a U_BE. 
 

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
 

ib~ube/rp

ic~gmube

boli zanedbané parametere - spätná vodivosť S_r ~ 0, ktorá sa uplatňuje len pri vysokých frekvenciach a výstupná vodivosť 1/r_CE ~ 0 (napr. pre NPN tranzistor, cez ktorý tečie jednosmerný kolektorový prúd I_C býva r_CE ~ 100/I_C). Okrem toho namiesto diferencialne malých zmien, napríklad prúdu di_B , bola kvôli jednoduchšiemu zápisu použitá amplitúda malého striedavého signálu, ktorá charakterizuje túto zmenu prúdu i_b. (Kvôli úplnosti treba ešte uviesť, že v uvedenom vzťahu členy s du_BE  sú definované pri konštantnom napätí U_CE  a členy s du_CE  sú definované pri konštantnom napätí U_BE ). Náhradný obvod skonštruovaný na základe finálnych vzťahov je zobrazený na obáráku 7b v dvoch modifikáciach (0b_a, 0b_b), ktoré sú však rovnocené (nakoľko g_m=b₀/r_p) 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.

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 principu 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 U_cc=12V, R_B=470kW, R_C=5kW, R_g=5kW a 
b_F=50 určite základné vlastnosti zosilňovača (s kremíkovým tranzistorom).

Jednosmerný kolektorový prúd :

IC=bF(Ucc-0,6)/RB =50(12-0,6)/470000=1,2mA

Prametre tranzistora za predpokladu, že b₀=b_F:

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 A_uT >100 treba skontrolovať aj platnosť  zjednodušujúcej podmienky, ktorú sme použili pri návrhu náhradného obvodu - či možno neuvažovať odpor r_CE~100/I_C~80kW. Skutočné zosilnenie A_uT=(-g_m(R_C||r_CE) ~-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 R_B ||r_p~r_p a požiadavke |u_p|<<kT/q~25mV (teda napr. ak žiadame |u_p|~5mV) môže byť maximálna amplitúda z generátora u_g=u_p(R_g+r_p)/r_p~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 g_mu_be tak, aby bol úmerný nie napätiu u_be na odpore r_be ale skutočnému vstupnému napätiu u₁ na vstupe tranzistora R_vst= r_be/(r_be+(b₀+1)R_E . 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 g_m upraveným prúdovým zdrojom (obr. 0be2) g'_m=a₀/(r_e+R_E)~1/((1/g_m)+R_E) 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)

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:

• C_m kapacitu medzielektródového PN prechodu kolektor-báza, polarizovaného v závernom smere. Veľkosť tejto kapacity je v tranzistore malá C_m ~ 2 - 5 pF.

• C_p kapacitu medzielektródového PN prechodu báza-emitor. Táto kapacita charakterizuje rýchlosť difúzie minoritných nosičov náboja cez oblasť bázy tranzistora. Kapacita C_p lineárne závisí od prúdu cez tranzistor a jej veľkosť býva niekoľko sto pF.

• r_pvstupný odpor bipolárneho tranzistora, v zapojení SE r_p=r_be=(d u_BE/di_B)=b₀/g_m a je definovaný pri konštantnom napätí U_CE = konst.

• r_x odpor medzi vývodami bázy a jej efektívnou oblasťou, cez ktorú difundujú minoritné nosiče náboja. Pri nízkych frekvenciach je r_x~ r_p/10, pri vysokých frekvenciach je r_x~25W .

• g_m strmosť g_m=(d i_C/du_BE) odmeraná pri konštantnom napätí U_CE = konst. Parameter g_m nezávisí od individuálnych vlastností jednotlivých tranzistorov. Pre praktické použitie sa využíva závisloť g_m[S]~0,04I_C[mA]=I_C[mA]/25=1/r_e od nastavenia pracovného režimu, reprezentovaného jednosmerným prúdom cez kolektor I_C. Odpor r_e=1/g_m reprezentuje vnútorný odpor prechodu  emitor báza pri pohľade zo  strany emitora. Pri pohľade zo strany bázy sa odpor prechodu báza emitor javí ako r_be=r_p= b₀r_e.

[Návrat]

µ  Prúdový zosiľňovací činiteľ b₀ v zapojení SE.
Prúdový zosiľňovací činiteľ b₀v zapojení so spoločným emitorom (SE) bol definovaný v tzv. stave nakrátko, teda pri záťaži v obvode kolektora R_C=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 vyššich frekvenciach. Z praktického hľadiska je dôležité poznať hornú hraničnú frekvenciu tranzistora f_b, teda frekvenciu po ktorú môžme predpokladať, že modul prúdov0ho zosilňovacieho činiteľa |b(w)| je stály. Pri frekvencii f_b, podobne ako pri hornej hraničnej frekvencii dolnopriepustného RC článku, je
 

|b(w)|=b0/(2)0,5

Iná charakteristická frekvencia je tranzitná frekvencia f_T
 

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 Obr. 0bf) pri b0 =150 a fT = 100MHz.

 

[Návrat]

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 zahrbúť 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 R_C=0 a pomocou ktorého bol zadefinovaný prúdový zosiľňovací činiteľ b₀ v zapojení so spoločným emitorom). Takýto stav je vhodný len na zadefinovanie b₀ a na objasnenie vplyvu mezielektródových kapacít C_p a C_m na hornú hraničnú frekvenciu tranzistora:
 

fb=1/[2prp(Cp+Cm)],

poprípade na odhad kapacity C_p na základe známych katalógových údajov C_m , f_T a b_0.
 

Cp~[b0/(2prpfT) -Cm]

V dôsledku pripojenia nenulového odporu R_C môže mať zapojenie tranzistora se napäťové zosilnenie A_u (pre pripad s R_E=0 je A_u=g_mR_C=R_C/r_e). 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:
 

CM=Cp+Cm(1+Au)

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 C_cb = C_m možno chápať ako súčasť kapacity záťaže C_L  F obr. 0bji.);
• so spoločným kolektorom (sledovač - u ktorého v dôsledku zosilnenia A_u~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  C_pa C_m a vďaka vhodnejj montáži aj malou kapacitou C_L;
• s malým odporom R_C (a teda zapojenia pracujúce pri veľkom prúde I_C). 

Obr. 0bi  Zapojenie zosilňovača s emitorovou väzbou, ktoré možno interpretovať ako emitorový sledovač (SK) s nasledným 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.)

Zmena hornej hraničnej frekvencie z ideálnej w_b=2pf_b v stave nakrátko na reálnu w_hb=2pf_hb v zapojení s R_C<>0 má napríklad pri zosilňovaní impulzov za následok dodatočné predĺženie trvanie čela (t_ca=2,2t) impulzu (obrázok 5) v dôsledku predĺženia časovej konštanty o Dt_hb:
 

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 C_m~ 2,4pF pri 2,5V, b₀~ 250 a f_T~300MHz  (obr. 0bl). Kapacita na výstupe C_L~2pF. Záťažou tranzistora je jeho odpor v kolektore R_L=R₃~1kW. Ako zdroj signálu slúži predchádzajúci stupeň diferenčného zosilňovača s odporom v kolektore R_g=R₂~8,2kW. Na vstupe náhradného obvodu pôsobí kapacita C_p  (zistená prepočtom C_p~[b₀/(2p r_p f_T) - C_m]=50pF) a vstupný odpor r_p (určený z r_p= b₀/g_m=b₀/(0,04I_C)=2500W (pri prúde I_C=2,5mA).

1. Napäťový zisk tranzistora Q₃=R₃/r_e~100 nakoľko r_e=1/g_m=10W . Na základe parametrov na výstupe (C_L+C_m=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

2. Reálne vysokofrekvenčné vlastnosti tranzistora charakterizuje jeho Millerova kapacita C_M=C_p+C_m+C_mA_u=53pF+240pF paralelne pripojená k vstupnému odporu r_p=b₀r_e=2500W .

 
3. S hľadiska náhradného obvodu na obr.0bl vplyv Millerovej kapacity C_M na zosilnenie tranzistoru s kolektorovým odporom R₃ (a teda zosilnením A_u=100) charakterizuje horná hraničná frekvencia

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 navhnuté nesprávne, nakoľko f_hb<<f_-3dB. Zlepšiť ho možno napríklad:

• zmenšením výsledného odporu r_p||R₂,
• voľbou tranzistora s vyššou tranzitnou frekvenciou f_T,
• zmenšením vplyvu C_mA_u , napríklad použitím menšieho odporu R_C= 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 R_C 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.

 

[Návrat]

Cieľom úlohy je demonštrácia funkcie bipolárneho tranzistora v zapojení so spoločným emitorom (SE), predovšetkým overienie:

Správneho nastavenia statických (jednosmerných) pracovných parametrov tranzistora;
funkcie vstupného filtračného CR článku s kondenátorom  C_{v1 ;}
funkcie kondenzátora C_E  v emitorovom obvode tranzistora;
vplyvu ďalšej záťaže (pripojenej cez kondenátorom C_v2;) na prenos a zosilnenie obvodu;
vplyvu Millerovej kapacity C_M  náhradného modelu tranzistora.

V ďalšej časti textu bude  postupne :

objasnený proces zosilňovania  v tranzistore (odelene pre malé a veľké amplitúdy signálu) a popísaný vhodný náhradný obvod tranzistora (nf model tranzistora pre malý a veľký signal);

analyzované príčiny poklesu prenosu zosilňovača:

v oblasti vysokých frekvencii (vf model tranzistora);
v oblasti nízkych frekvencii (vplyv kondenzátorov C_v a C_E).

q Nastavenie jednosmerných pracovných podmienok tranzistora v praktikovej úlohe.
Na obrázku 1a je príklad zapojenia zosilňovacieho obvodu s tranzistorom, ktoré má záťaž pripojenú v kolektorovom obvode, signál sa odoberá z kolektora a emitor býva pripojený buď priamo na zem alebo nepriamo na zem pomocou malej impedancie. Emitorový obvod je teda jednak súčasťou vstupného a tiež aj súčasťou výstupného obvodu. Takéto zapojenie sa nazýva zapojenie so spoločným emitorom .

Pravdepodobne sa v texte uvedené zapojenia simulovaných obvodov budú odlišovať hodnotami súčiastok od zapojení, ktoré si vlastnoručne zhotovíte. Ovšem na základe v ďalšom uvedeného postupu predpokladám, že sa Vám podarí dosiahnuť podobné výsledky meraní.

Okrem súčiastok sú na obrázku 1a uvedené aj odmerané napätia pomocou jednosmerného voltmetra - jednosmerného napätia na báze, kolektore a emitore tranzistora ( F U_B=1,7V, U_C=7,8V a U_E=1,08V). Pomocou týchto odmeraných napätí a s pomocou odporov príslušných rezistorov možno určiť prúdy cez bázu a kolektor, ako  ďalšie parametre náhradného obvodu tranzistora (ako napr. statický zosilňovací činiteľ b_F  v zapojení SE, strmosť g_m , vstupný odpor r_p  a pod. => obrázok 0a, 0b F). Pomocou takto určených parametrov náhradného obvodu tranzistora možno potom vypočítať ďalšie parametre zosilňovača (napätový zisk, vstupný a výstupný odpor zapojenia a pod. ktoré sa budú v rámci úlohy kontrolovať.) Na záver referátu potom treba vypočítané charakteristické parametre zosilňovacieho obvodu porovnať s odmeranými. Parametre tranzistora by mali byť podobné údajom uvedeným na obrázku 1b, poprípade na obrázku 3b.
 

Obr. 1 a.  Zapojenie tranzistorového obovodu so spoločným emitorom a s napájaním bázy tranzistora pomocou odporového deliča R3 - R4, v dôsledku čoho nemôže byť emitor uzemnený priamo ( na obrázku 1a cez odpor R2 , poprípade aj paralelne cez odpor R5  a kondenzátor C2);

 

Obr. 1b. ilustrácia výpisu nameraných hodnôt simulovaného merania a parametrov náhradného obvodu tranzistora Q1 v zapojení na obr. 1a. Kvôli zjednodušeniu bol v uvedenom meraní použitý jednoduchší nf náhradný obvod tranzistora Q1 s kapacitami jeho PN prechodov Cp  = 0 a Cm = 0 a ideálnymi frekvenčnými vlastnosťami (veľmi vysokou tranzitnou frekvenciou fT(F). Symbol ./* požitý v tabuľke upozorňuje, že bol použiý nf model tranzistora.	NAME	Q_Q1
	MODEL	Q2N2222
	IB	6.74E-06
	IC	1.08E-03
	VBE	6.46E-01
	VBC	-6.11E+00
	VCE	6.76E+00
	bF = BETADC	1.60E+02
	gm = GM	4.15E-02
	rp  = RPI	4.26E+03
	RX	0.00E+00
	RO	7.44E+04
	Cp = CBE	0.00E+00 /*
	Cm= CBC	0.00E+00 /*
	CJS	0.00E+00 /*
	b0 = BETAAC	1.77E+02
	CBX	0.00E+00
	fT = FT	6.61E+17 /*

 
 

Obr. 2. Amplitúdová frekvenčná charakteristika zapojenia z obrázku 1a, na ktorú má (nakoľko emitorový kondenzátor CE nie je pripojený) rozhodujúvi vplyv vstupný obvod s kondenzátorom Cv1=C1 - čo demoštruje podobnosť charakteristik odmeranej na báze a na výstupe.

 

[Návrat]

 

q Meranie s generátorom harmonického signálu.

Za prepokladu, že ste po zaletovaní zapojenia už spokojný(á) s nastavenými pracovnými podmienkami tranzistora, (napätiami odmeranými jednosmerným voltmetrom a prúdmi, ktoré z dôvodov uvedených v úvodnej úlohe (F)nemeriame priamo ale stanovujeme prepočtom pomocou Ohmovho zákona), môžte pristúpiť ku kontrole zapojenia pomocou generátora harmonického signálu.

Amplitúdu vstupného signálu si zvolte vhodne malú, aby bolo možné pokladať tranzistor za lineárny prvok. (F). (Za vhodne malú možno napríklad pri zosilnení 100 pokladať amplitúdu u_be < 5 mV. Na výstupe zosilňovača potom bude 500mV amplitúdy signálu, čo napríklad pri jednosmernom napätí na výstupe U_C~5 V predstavuje 10% interval presnosti udržovania stálych pracovných podmienok tranzistora. Pri väčšej vstupnej amplitúde signálu teda prestáva platiť proporcionalita medzi výstupnou a vstupnou amplitúdou signálu, ktorá sa pokladá za základnú požiadavku kladenú na lineárny zosilňovač.) Na meranie amplitúd striedavých signálov použite osciloskop. Meranie síce nebude príliš presné (max. presnosť ~5 %) ale bude názorné.
 
 

Obr.  3.a.  Modifikované zapojenie tranzistorového obovodu z obrázku 1a aj s pripojeným odporom záťaže RL=R7  (prostredníctvom oddeľovacieho kondenzátora Cv2=C4 )

 
 

Obr.  3. b.  V tabuľke je ilustrácia výpisu parametrov simulovaného merania s vf náhradným obvodom tranzistora  (s reálnymi frekvenčnými vlastnosťami - tranzitnou frekvenciou fT  a kapacitami medzielektródových PN prechodov Cp , Cm ).	MODEL	Q2N3904
	IB	7.25E-06
	IC	1.04E-03
	VBE	6.65E-01
	VBC	-6.21E+00
	VCE	6.88E+00
	bF = BETADC	1.43E+02
	gm = GM	3.96E-02
	rp = RPI	4.15E+03
	RX	1.00E+01
	RO	7.73E+04
	Cp = CBE	1.84E-11
	Cm = CBC	1.83E-12
	CJS	0.00E+00
	b0 = BETAAC	1.64E+02
	CBX	0.00E+00
	fT = FT	3.12E+08

 

[Návrat]

 

µ Meranie pri frekvencii z oblasti stredu frekvenčného pásma zosilňovača.

Aby bolo osciloskopické meranie amplitúd striedavých napätí použiteľné pre stanovenie zosilnenia a aj ďalších parametrov zapojenia treba sa presvedčiť, že oddeľovacie kondenzátory C_v1 , C_v2  a emitorový kondenzátor C_E, poprípade samotný tranzistor pri vysokých frekvenciach nezoslabujú meraný signál, teda použiť pre meranie vhodnú frekvenciu signálu. (Túto kontrolu uskutočníte až v ďalšej časti úlohy. Vhodná frekvencia na meranie, pri ktorej sa neprejavujú obmedzenia prenosu vyššich frekvencii cez tranzistor je frekvencia f ~ 500 Hz - 1 kHz. Pre takúto frekvenciu tiež obvykle nie je problém si zvoliť vhodnú veľkosť kapacity kondenzátorov C_v1, C_v2 a C_E. Pri nižších frekvenciach nie je už zobrazovanie na osciloskope také bezproblémové a môže byť sprevádzané tiež rušením siete tzv. brumom s frekvenciou f ~ 50 Hz).

Vstupný a výstupný odpor zosilňovača  a napäťový zisk zosilňovača treba teda merať pri takej frekvencii harmonického signálu pri ktorej (s využitím ďalšiich meraní) je zanedbateľne malá impedancia, predstavovaná väzobnými kondenzátormi C₁ a C₄)
 

Obr. 3c  Modifikované zapojenie pôvodného tranzistorového obovodu z obrázku 3a, uspôsobené na odmeranie vstupného a výstupného odporu zapojenia. Do obvodu bázy je dodaný odpor RB = R1 a na výstup je cez väzobný kondenzátor Cv2=C4 pripojená záťaž RL=R7.
Obr. 3c_b. Náhradný obvod pre určenie vstupného odporu Rvst. (Odpor Rvst závisí aj od toho, či je v emitore pripojený kondenzátor CE=C2).	Obr 3c_c.  Náhradný obvod pre určenie výstupného odporu Rvyst

 

u Vstupný odpor zosilňovača R_vst.

Na základe meraním zistenej amplitúdy vstupného signálu U₁ a amplitúdy signálu na báze tranzistora U_b=U_1b možno pomocou úbytku amplitúdy napätia DU_RB=U₁-U_1b na odpore R_B=1kW určiť amplitúdu prúdu I_{bd =} DU_RB/R_B, tečúceho cez tento odpor. (Pri meraní amplitúd si treba uvedomiť, že takýmto spôsobom neodmeráme prúd I_b signálu vstupúci do bázy, ale tiež aj súčasť prúdu I_bd - prúd I_d odvetvujúci sa do deliča R₃ - R₄). V dôsleku takto odmeranej amplitúdy prúdu I_bd a odmeranej amplitúdy napätia na báze tranzistra U_1bmožno priamo určiť celkový vstupný odpor zosilňovača pre harmonický signál o použitej frekvencii:
 

Rvst=RvsT&R3&R4=U1b/Ibd

(kde použité označenie predstavuje výsledný odpor R₃₄=R₃&R₄=(R₃R₄)/(R₃+R₄) paralelného spojenia odporov R₃&R₄ a R_vsT je vstupný odpor samotného tranzistora). Vstupný odpor samotného tranzistora R_vsT však charakterizuje prúd I_b tečúci do bázy, ktorý možno určiť až po následnom odpočítaní prúdu I_d tečúceho do deliča. (Pre zopakovanie prúd I_bd sa rozdelí v pomere vodivostí 1/R₃₄ a 1/R_vsT, takže do bázy potečie časť I_b = R₃₄I_bd /(R₃₄+R_vsT) a do deliča časť prúdu I_d= U_1b/R₃₄). Potom vstupný odpor samotného tranzistora:
 

RvsT= U1b/(Ibd- Id).

Nezabudnite, že vstupný odpor treba odmerať dva razy - raz bez pripojeného emitorového kondenzátora C_E a druhý raz s pripojeným kondenzátorom C_E. Chcete si totiž overiť, že existencia kondenzátora C_E ovplyvňuje okrem napäťového zisku A_uaj vstupný odpor R_vsT.
 
 

u  Výstupný odpor zosilňovača R_vys.

Zostáva už len zodpovedať na otázku aký odpor R_L by bol najvhodnejšie použiť pre meranie ako záťaž?  Ak chcete dostať výsledok podobný obrázku 7 tak si zvolte odpor R_L ~ R_C (lebo očakávaný odpor je R_vys = R_C).

Všimnite si, že v dôsledku pripojenia záťaže R_L sa zmenšil celkový napäťový zisk zosilňovača A_u=U_out/U_in, resp. napäťový zisk samotného tranzistoru A_uT=U_out/U_{b .}
 

[Návrat]

 

µ Prvky obmedzujúce frekvenčné pásmo zosilňovača.

V zapojení podľa obrázku 1a (resp. podľa obrázku 3a) bude prenosové vlastnosti v oblasti nízkych frekvencii ohraničovať CR obvody (F):

na vstupe (F s kapacitou C_v1=C₁),

obvod v emitore tranzistora (F s kapacitou C_E=C₂ ) a tiež

obvod s kondenzátorom C_v2=C₄ umožňujúci pripojenie záťaže (ktorý sa ale v danom zapojení na obrázku 1a zatiaľ neuplatňuje - pozri obrázok 3a).

V hornej oblasti frekvenčného pásma je limitujúcim prvkom samotný tranzistor.  Pre porovnanie pri simulovanom meraní charakteristiky na obrázku 2  bol použitý nf model tranzistora (F) s ideálnymi vlastnosťami v oblasti vysokých frekvencii (pozri tranzitnú frekvenciu tranzistora f_T na obrázku 1a), u ktorého nedochádza v oblasti vysokých frekvencii k obmezeniu prenosu (pretože na jedinej impedancii 1/(wC₁) zapojenia z obrázku 1a  je v oblasti vysokých frekvencii zanedbateľný pokles amplitúdy signálu).

V simulovanom meraní na obrázku 3a bol s rovnakými súčiastkami použitý vf model tranzistora (F), s reálnymi vlastnosťami  v oblasti vysokých frekvencii . V simulovanom priebehu nameranej charakteristiky na obrázku 4 (obrázok 2 a obrázok 4 majú zhodný priebeh na báze),  je markantný dôsledok filtrácie vysokých frekvencii spôsobený existenciou realnych kapacít C_p , C_m náhradného obvodu, ktoré spôsobujú, že tranzistor zosilňuje len po určitú hornú hraničnú frekvenciu f_hb , resp. po tranzitnú frekvenciu tranzistrora f_hT, (keď je b₀ = 1). Existencia kapacít C_p ,C_m a z nich plynúca existencia hornej hraničnej frekvencie  tranzitstora sa analogicky (F) prejaví aj na zmene tvaru zosilňovaných impulzov, ktoré v dôsledku zhoršeného prenosu majú predĺžené trvanie čela a tyla  výstupných impulzov, ako ilustruje obrázok 5 - teda vplyv obdobný integračnému článku. (F)
 
 

u Meranie v praktiku: Kontrola hornej hraničnej frekvencie.

Na základe porovnania hornej hraničnej frekvencie f_hbE so zapojeným emitorovým kondenzátorom C_E na obrázku 6 (keď je vysoké napäťové zosilnenie obvodu  A_u~g_mR_C) s hornou hraničnou frekvenciou f_hb z merania na obrázku 4 (kde je menšie napäťové zosilnenie obvodu A_u~R_C/R_E=R₁/R₂) si zase možno overiť, že Millerova kapacita C_M=C_p+C_m(1+A_u), od ktorej závisí  horná hraničná frekvencia f_h tranzistorového obvodu, závisí od napäťového zisku obvodu A_u.  Výsledkom porovnania by malo byť zistenie, že so so zapojeným emitorovým kondenzátorom C_E bola nameraná menšia výstupnú amplitúda (=> je menší zisk A_u) ale vyššia hraničná frekvencia f_hbE>f_hb.
 

Obr. 4. Amplitúdová frekvenčná charakteristika zapojenia z obrázku 3a. (Prenos v dolnej časti frekvenčného pásma ohraničuje derivačný vstupný obvod s kondenzátorom Cv1=C1, pretože kondenzátory CE=C2 a Cv2=C4 nie sú použité. V hornej časti frekvenčného pásma ohraničuje prenos tranzistor - porovnajte s obrázkom 2, kde je použitý ideálny tranzistor.)

 

Obr. 5 . Zmena tvaru impulzu obdĺžnikového tvaru v dôsledku obmedzených zosilňovacích schopností obvodu v oblasti vysokých frekvencii. (F)

 

[Návrat]

 

u Funkcia vstupného filtra s väzobným kondenátorom C₁.

Dôsledkom zvoleného spôsobu nastavenia pracovného bodu pomocou odporového deliča R₃ - R₄ (F) na obrázku 1 je prítomnosť oddeľovacieho kondenzátora C_v1=C₁ (F) a následné ohraničenie (F) prenosu nízkych frekvencii signálu (tak ako ilustruje obrázok 2).

Troška zložitejší na pochopenie je spôsob na rýchle jednorázové stanovenie dolnej hraničnej frekvencie f_d, ktorý používame v praktiku (F). Pre hornopriepustný filter CR postup spočíva na osciloskopickom porovnaní nejakeho referenčného prenosu (napríklad o hodnote A pri frekvencii ~ 100 kHz) a prenosu A_d  pri vhodne najdenej nižšej frekevencii f_d  (ktorú treba experimentálne určiť tak, že prenos A_d  pri tejto frekvencii bude A_d = 0,7A (F). Napríklad na obrázku 2 pre frekvencie vyššie ako 10 kHz je už amplitúda výstupného signálu U₂  (prenos A=U₂/U₁ sa nemení so zvyšovaním frekvencie), takže sa neuplatňujel vplyv vstupného derivačného článku a signál sa vplyvom impedancie kondenzátora 1/wC₁ nezmenšuje (čo pokladáme za vhodné kritérium pre voľbu kapacity C₁ pre tento prípad).
 

[Návrat]

 

u Funkcia kondenzátora C_E v emitorovom obvode tranzistora.

Dôsledkom zvoleného spôsobu nastavenia pracovného bodu pomocou odporového deliča R₃ - R₄ na obrázku 3 je treba prispôsobiť jednosmerné napätie na emitore nastavenému jednosmernému napätiu na báze tranzistora pomocou zapojenia rezistora R_E medzi emitor a zem. Nepriaznivým dôsledkom  je pokles napäťového zosilnenia tranzistorového obvodu. V určitej frekvenčnej oblasti možno tento pokles zosilnenia skompenzovať pomocou kondenzátora C_E, paralelne pripojeného k emitorovému odporu R_E. KondenzátorC_E v emitorovom obvode tranzistora (na obrázku 3 s označením C_E=C₂) umožňuje zväčšiť zosilnenie obvodu (priebehy na obrázkoch 4 a 6a), v ktorom existuje rezistor R_E v obvode emitora (na obrázku 3 s označením R_E=R₂). Kompenzácia poklesu zosilnenia je založená na tom, že kondenzátor C_E=C₂ predstavuje pre signál od určitej frekvencie malú impedanciu, čím sa potlačí (pre striedavý signál) vplyv emitorového odporu R_E=R₂ na zmenšenie zosilnenia tranzistorového stupňa. (F Pritom sa uplatňuje tzv. záporná spätná väzba, v dôsleku ktorej poklesne napäťový zisk pre signál od určitej frekvencie z hodnoty A_u = R_C/r_e , pri uzemnenom emitore, na hodnotu A_u = R_C / (r_e +R_E ), so zapojeným R_E  - kde r_e = 1/g_m).
 

Obr. 6a. Amplitúdová frekvenčná charakteristika zapojenia na obrázku 3a s pripojeným emitorovým kondenzátorom CE=C2 (kondenzátor Cv2=C4 nie je použitý, oddeľovací kondenzátorom Cv1=C1 samozrejme musí byť zapojený, takže nemôžeme (bez predbežnej vhodnej voľby Cv1=C1) bezpečne tvrdiť že pozorujeme len filtráciu účinokom kondenzátora C2 v emitorovom obvode tranzistora. V hornej časti frekvenčného pásma ohraničujú prenos vlastnosti tranzistora, podobne ako na obrázku 4.)

 

Obr. 6b. Amplitúdová frekvenčná charakteristika zapojenia na obrázku 3a s pripojeným emitorovým kondenzátorom CE = C2 (kondenzátor Cv2 = C4 nie je použitý, oddeľovací kondenzátorom Cv1 = C1 bol tak vhodne zvolený, že neovplyvňoval meranie frekvenčnej závislosti výstupného signálu.) Na základe analógie priebehov na obrázku 2, na obrázku 4 a na obrázku 6 vyplýva, že obvod s emitorovým kondenzátorom sa správa rovnako ako vstupný derivačný článok s kondenzátorom Cv1 = C1. (V hornej časti frekvenčného pásma ohraničujú prenosové vlastnosti tranzistora, rovnako ako na obrázku 6a.)

Filtračnú funkciu kondenzátora C_E=C₂ v emitorovom obvode tranzistora (v zapojení na obrázkoch 1a, 3a a 3c je C_E=C₂pripojený cez R₅=0,01W.) bolo by najsprávnejšie si overiť bez vplyvu ostatných derivačných článkov v obvode. Oddeľovací kondenzátor C_v1=C₁ však musí vždy jednosmerne oddeľovať vstup od tranzistora!  S cieľom presvedčiť sa len o vplyve samotného obvodu s kondenzátorom C_E=C₂ bola v simulovanom meraní na obrázku 6b zvolená veľmi veľkú kapacita C₁=0,1F tak, aby vstupný derivačný obvod pri tak veľkej kapacite nemoholvplývať na filtráciu signálu. (Technicky v praktiku možno realizovať napríklad C₁~100mF).  Pri takýchto podmienkach potom možno prehlásiť, že zistená dolná hraničná frekvencia priebehu na obrázku 6a (alebo presnejšie na obrázku 6b) závisí len od filtračných vlastností obvodu v emitore tranzistora. Výsledok merania z obrázku 6b a na základe neho určená  dolná hraničná frekvencia f_{d_emitor}~1Hz je nižšia ako predtým (na obrázku 6a) odmeraná dolná hraničná frekvencia f_{d_vstup}~ 100Hz, s pôvodným kondenzátorom C_v1=C₁. Teda na celkový priebeh spoločnej amplitúdovej frekvenčnej charakteristiky na obrázku 6a má rozhodujúci vplyv vstupný derivačný obvod s kondenzátorom C₁=100 nF.

Porovnanie obrázokov 4 a 6 ilustruje tiež rôzne amplitúdy signálu na výstupe tranzistorového stupňa po zapojení a bez zapojenia emitorového kondenzáta C_E=C₂.  Skutočne teda napäťový zisk A_u obvodu závisí od kondenzátora C_E a od odporu v emitore. (Funkciu výsledného emitorového odporu pri nízkych frekvenciach f < f_{d ,} keď impedancia kondenzátora 1/jwC₂ je veľmi malá, hrá paralelné spojenie  odporu R₂ a odporu R₅).
 
 

Meranie v praktiku:

V tejto časti úlohy, podobne ako v predošlých meraniach, použite jednoduchý osiloskopický spôsob (F) kontroly vplyvu emitorovej kapacity C_E=C₂ na dolnú hraničnú frekvenciu f_demitor (frekvencia pri ktorej je vystupná amplitúda rovná 70% maximalnej amplitúdy pri frekvenciach okolo 1 kHz)_.

Pre signál s frekvenciou okolo 1 kHz určite aj napäťový zisk A_u=U_out/U₁  obvodu so zapojeným a odpojeným emitorovým kondenzátorom C₂. Na záver pre kontrolu porovnajte odmeranú dolnú hraničnú frekvenciu f_demitor, spôsobenú emitorovou kapacitou C_E=C₂ s vypočítanou frekvenciou f_demitor na základe hodnôt súčiastok a parametrov tranzistora.
 

[Návrat]

 

u  Vplyv ďalšej záťaže na prenos a zosilnenie obvodu.

Pri meraní amplitúdy výstupného signálu na výstupe out2 zapojenia na obrázoku 3c (napríklad pre určenie výstupného odporu) si treba zvoliť frekvenciu signálu, pri ktorejj sa nebude uplatňovať impedancia, predstavovaná kapacitou oddeľovacieho kondenzátora C_v2=C₄. Dolná časť obrázku 7 znázorňuje priebeh amplitúdovej frekvenčnej charakteristiky výstupného obvodu zosilňovacieho obvodu z obrázku 3c. Dolná hraničnou frekvenciou f_d= 1/(2pt) tejto charakteristiky závisí od časovej konštanty výstupu t=(R_vyst+R_L)C_v2=(R_C+R_L)C₄ . Ak je teda kondenzátor C_v2 vhodne zvolený je jeho impedancia 1/wC_v2 pri spráne zvolenej frekvencii merania zanedbateľne malá a na kondenzátore nedochádza k úbytku amplitúdy napätia.

Pre jednorázové stanovenie dolnej hraničnej frekvencie f_d použijeme rovnaký spôsob ako doporučený pri vstupnom derivačnom článku s kondenátorom C_v1 (F). Postup spočíva na osciloskopickom porovnaní nejakeho referenčného prenosu (o hodnote A, napríklad pre dolnú charakteristiku na obrázku 7 pri frekvencii ~ 10 MHz) a prenosu A_d pri vhodne najdenej nižšej frekevencii f_d (ktorú treba experimentálne určiť tak, že prenos A_d pri tejto frekvencii bude A_d=0,7A (F)). Napríklad na obrázku 7 pre frekvencie vyššie ako 200 kHz sa už neuplatnil vplyv výstupného derivačného článku C₄R_L a signál sa vplyvom impedancie kondenzátora 1/wC₄  nezmenšuje (čo pokladáme za vhodné kritérium pre voľbu kapacity C₄  pre tento prípad).
 

Vplyv prenosových vlastnosti derivačného obvodu C₄ R₇ demonštrujú 2 priebehy na obrázoku 7 - jeden odmeraný pred a druhý za oddeľovacím kondenzátorom C₄. Pri uvedenej voľbe súčiastok sa len časť spektra frekvencii signálu dostane z kolektora na výstup - out. Pre frekvencie f > f_d~100 kHz je filter C₄R₇ priepustný (dolná charakteristika) a v tejto frekvenčnej oblasti predstavuje záťaž tranzistora R_L paralené spojenie odporov R₁a R₇. (V ľavej polovici hornej charakteristiky, v dôsledku veľkej impedancie kondenzátora 1/wC₄ predstavuje záťažovací odpor tranzistora odpor R_L=R₁ a zosilnenie je väčšie. V pravej časti hornej charakteristiky je už obvod C₄ R₇ priepustný a v dôsledku menšieho výsledného zaťažovacieho odporu je amplitúda signálu menej zosilnená.)
 
 

Obr. 7. Amplitúdová frekvenčná charakteristika zapojenia z obrázku 3c, v ktorom je cez väzobný kondenzátor Cv2 = C4 pripojená záťaž RL = R7. Horná charakteristika bola snímaná z kolektora tranzistora, tak ako napríklad charakteristika na obrázku 6b. Pre dolnú charakteristiku slúžil ako výstup až odpor záťaže RL = R7, teda prejavuje sa na jej priebehu vplyv článku Cv2RL. (Vo frekvenčnej oblasti kde článok prepúšťa signál ako hornopriepustný filter je badateľný pokles výstupnej amplitúdy, pretože pri malej impedancii 1/wCv2 sa stáva pracovným odporom zosiľňovača paralelné spojenie odporv RL a RC. Nakoľko odpory sú rovnaké RL= RC je v hornej časti spektra polovičný pokles amplitúdy. (V dolnej časti frekvenčného pásma pôsobia CR články s kondenzátormi Cv1=C1 a CE=C2 rovnako ako na obrázku 6b.)

 

Meranie v praktiku:

Na základe ilustrácie priebehu charakteristiky na obrázku 7 použite na kontrolu prenosu, podobne ako pri sledovaní vlastností vstupného filtra s kondenzátorom C_v1, jednoduchý osiloskopický spôsob kontroly (F) spočívajúci v jednorázovom stanovení dolnej hraničnej frekvencie f_d (frekvencia pri ktorej je vystupná amplitúda rovná 70% amplitúdy v oblasti optimálneho prenosu). Filtračná funkcia kondenzátora C_v2 by sa mala overovať bez vplyvu ostatných derivačných článkov s kondenzátormi C_v1 a C_E v obvode. Ak by boli parametre obvodu zvolené tak ako v simulovamom meraní na obrázku 7, tak rozhodujúci vplyv na dolnú hraničnú frekvenciu celého zapojenia bude mať práve kondenzátor C_v2, nakoľko frekvencia f_dv2  je vyššia ako frekvencie f_dv1  a f_{d emitor} , ktoré boli odmerané predtým. Na záver ešte nezbudnite porovnať odmeranú dolnú hraničnú frekvenciu f_dv2  s hodnotou vypočítanou na základe hodnôt súčiastok a parametrov tranzistora.
 

[Návrat]

µ Záverečné zhodnotenie merania.

• parametre tranzistora na základe odmeraných jednosmerných napätí U_E, U_B, U_C, odpormi deliča R_B1=R₃,_,R_B2=R₄,_,R_C=R₁,_,R_E=R₂, a R_L=R₇, R_{B .}

• vstupný odpor R_vst ,výstupný odpor R_vyst a napäťový zisk A_uT samotného tranzistora (pri odpojenom R_L a pri R_B=0 bez emitorového kondenzátora C_E):_:

• vstupný R_vst ,výstupný odpor R_vyst a napäťový zisk A_uT samotného tranzistora (pri odpojenom R_L a pri R_B=0 s emitorovým kondenzátorom C_E):_:

• dolné hraničné frekvencie f_d spôsobené derivačnými článkami s kondenzátormi C_v1, C_v2 a C_E:

A nezabudnite sa pochváliť, resp. uviesť príčiny, ktoré ovplyvnili Vaše merania.
 
 
 

Literatúra ( základná, v ktorej sú podrobnejšie uvedené potrebné vzťahy a pojmy.):

Dušan Kollár: Praktikum z elektroniky a automátizacie, skriptá MFFUK, 1991.

Dušan Kollár: Elektronika a automatizácia 1, skriptá MFFUK, 1990, str. 143 - 149.

[Návrat]