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.7a. Obr. 0a 
  1. Schématická značka bipolárneho tranzistora;
  2. Diódový náhradný obvod;
  3. 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).

 
 
[Návrat]
 



q Náhradný obvod tranzsitora pre malý signál
 
 
obr.7b. Obr. 0b. Náhradný obvod tranzistora pre malé signály; 
  1. s prúdovým zdrojom ic=b0ib ; 
  2. s prúdovým zdrojom ic=gmup  ; 
  3. vf model, doplnený o ďalšie elementy, ktoré umožnujú charakterizovať správanie tranzistora pri rýchlych zmenách signálu. 

  4. (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:
 
 ib~ube/rp
 ic~gmube

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.


F  Vstupná a výstupná impedancia

  • 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; 
  1. Zapojenie obvodu ;
  2. 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.
 
[Návrat]
 


 


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:
 
|b(w)|=b0/(2)0,5

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.

 
[Návrat]
 



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:
 
fb=1/[2prp(Cp+Cm)],

poprípade na odhad kapacity Cp na základe známych katalógových údajov Cm , fT a b0:
 
Cp~[b0/(2prpfT) -Cm

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:
 
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 Ccb = Cm možno chápať ako súčasť kapacity záťaže C 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:
  1.  So spoločnou bázou (SB),
  2.  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 ß1a21
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).
  1. 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:

  2. f-3dB=1/[2pR3 (CL+ Cm )]~40MHz
  3. Reálne vysokofrekvenčné vlastnosti tranzistora charakterizuje jeho Millerova kapacita CM=Cp+Cm+CmAu=53pF+240pF paralelne pripojená k vstupnému odporu rp=b0re=2500W . 
  4. 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:
  1. Sledovač + SE
  2. SE+SB
  3. 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.

 
 

 

[Návrat]