Poznáme tri základné obvodové zapojenia tranzistora. Tranzistor má 3 svorky B (bázu), C (kolektor), E (emitor) a podľa toho, ktorá z nich bude spoločná pre vstup aj výstup z hľadiska striedavého signálu dostaneme zapojenia so spoločným emitorom SE, kolektorom SC, alebo bázou SB. Toto prepojenie realizujeme na obr.4.1 pomocou kapacitora Cb (bypass capacitor) , rezistorom ktorý takto premostíme preteká iba jednosmerný prúd pre nastavenie pracovného bodu. Jednosmerný pracovný bod je nastavený rezistormi RB1, RB2, RC a RE . Na jednosmerné oddelenie zosilňovača slúžia kapacitory CV1 a CV2 . Pre frekvenciu privádzaného vstupného signálu sa volí hodnota kapacity CV1, CV2, Cb tak, aby sme tieto kapacitory mohli považovať za skrat.


Obr.4.1 Základné zapojenia tranzistora

Pri zapojení SE je pre striedavý signál emitor pripojený na spoločný vodič (uzemnený) pomocou Cb a táto svorka je spoločná pre vstup aj výstup. Do bázy je privádzaný vstupný signál u1 a v kolektore na zaťažovacom odpore RC je odoberaný výstupný signál u2 . V zapojení SC je uzemnený kolektor pomocou kapacitora Cb cez kladný pól zdroja UCC. Pre striedavý signál predstavuje jednosmerný zdroj so svojím malým vnútorným odporom skrat. Pre zapojenie SB je báza striedavo uzemnená cez Cb a do emitora privádzame napätie u1 a u2 odoberáme z kolektoru. Najjednoduchšie varianty zapojení SE, SC, SB sú na obr.4.2. [4.1]


Obr.4.2 Možné varianty zapojení SE, SC, SB bez nastavenia pracovného

4.1 Nastavenie pracovného bodu

Pracovný bod tranzistora nastavíme pomocou jednosmerných obvodových veličín. Vhodnými obvodovými prvkami zosilňovača zabezpečíme požadované hodnoty prúdov elektród a napätí priechodov tranzistora. Na obr.4.3 je potrebné nastaviť v sieti výstupných charakteristík pracovného bodu P s nasledujúcimi súradnicami:

P(ICP , UCEP)

Tomuto bodu môžeme priradiť bod v sieti vstupných charakteristík:

P(UBEP , IBP)


Obr.4.3 Pracovný bod tranzistora v sieti výstupných charakteristík v zapojení SE

Následkom zmien parametrov tranzistora, kolísania napájacieho napätia, kolísaním teploty okolia atď. dochádza k posuvu pracovného bodu. Pre dosiahnutie stabilných parametrov zosilňovacieho stupňa musíme udržať nezmenenú polohu pracovného bodu danú súradnicami jednosmerných napätí tranzistora t.j. stabilizovať pracovný bod. Jednoduchý príklad nastavenia pracovného bodu.
       Ak nepoznáme tvar charakteristík tranzistora, tak pre nastavenie pracovného prúdu bázy môžeme využiť vzťah pre prevod prúdov.

(4.1)

Pre kvalitatívny odhad vlastnosti vyhovuje menej presné, ale prehľadné grafické riešenie. Môžeme odčítať ΔU1 , ΔU2 a dostaneme napäťové zosilnenie: [4.2]

(4.2)

4.2 Model tranzistora

Ak na vstup tranzistora privádzame signál s takou amplitúdou, aby tranzistor pracoval v lineárnej aktívnej oblasti, potom ho možno považovať za lineárny prvok. Poznáme množstvo lineárnych modelov, najviac sa pri bipolárnych tranzistoroch osvedčil hybridný model (h - model) . Jeho prvky majú rôzne fyzikálne rozmery. Dvojicou lineárnych rovníc môžeme opísať vzťah medzi neznámymi.

(4.3)

(4.4)

Obr.4.5 Tranzistor ako lineárny dvojbrán

Jednotlivé prvky predstavujú:

Dôvody prečo sa najviac osvedčil h - model. [4.3]

4.3 Analýza zosilňovača s bipolárnym tranzistorom


Obr.4.6 NLO pre zosilňovač v konfigurácii spoločný emitor

Analýzu zosilňovača malého signálu si ukážeme v zapojení SE. Celý postup môžeme rozdeliť na dve časti a to:

Jednosmerná analýza
         1. Nájdeme ekvivalentný jednosmerný obvod v ktorom kapacitory predstavujú odpojený obvod C → ∞
        2. V ekvivalentnom jednosmernom obvode nájdeme pracovný bod P(ICP , UCEP)

Striedavá analýza
        3. Prekreslíme obvod ako ho " vidí " striedavý signál. Kapacitory a jednosmerný zdroj sa chová ako skrat.
        4. Nahradíme tranzistor hybridným h - modelom a dostaneme náhradný lineárny obvod (NLO)
        5. Výpočítame želané parametre Ai , Au , ZVST , ZVÝST
Po odvodení jednotlivých parametrov dostaneme pre obvod SE na obr.4.6 dostaneme:
Prúdové zosilnenie:
                                               ak h22RL << 1, potom      Ai = h21e                           (4.5)

Napäťové zosilnenie:

                                       ak h11 >> DhRL potom              (4.6)

Vstupná impedancia::

                                       ak h11 >> DhRL a 1 >> h22RL, potom ZVST ≤ h11     (4.7)

Výstupná impedancia:

                                       kde Dh = h11h22 - h12h21                                             (4.8)

Na obr.4.7. môžeme porovnať zmenu hodnoty napäťového zosilnenia pri nezapojenom a zapojenom kapacitore Cb . [4.1][4.4][4.5]


Obr.4.7 Vplyv Cb na napäťové zosilnenie zosilňovača

4.4 Vlastnosti tranzistora v zapojení SE, SC, SB

Analogicky môžeme pomocou NLO pre SC a NLO pre SB odvodiť odpovedajúce výrazy. Medzi odpovedajúce výrazy. Medzi jednotlivými zapojeniami SB, SE, SC možno previesť prepočet.

            (4.9)           (4.13)

      (4.10)      (4.14)

       (4.11)  (4.15)

          (4.12)          (4.16)

Zapojenie so spoločnou bázou SB sa chová ako veľmi kvalitný prúdový zdroj, ktorý opakuje vstupný prúd snímaný cez malý vstupný odpor. Toto zapojenie má výrazne lepšie vysokofrekvenčné vlastnosti, pretože na vstupe je len parazitná kapacita prechodu báza - emitor CBE .
        Znakom zosilňovača so spoločným kolektorom SC je napäťový zisk blízky 1, prúdový zisk veľký. Impedancia na vstupe je veľmi veľká a výstupná impedancia veľmi malá. Pre tieto vlastnosti sa zapojenie SC využíva hlavne ako impedančný transformátor.
         Najčastejšie používané je zapojenie so SE. Signál na výstupe je fázovo natočený k vstupnému o 180º (je v protifáze). Toto zapojenie má vysoké výkonové zosilnenie. Kapacity v obvode určujú frekvenčné vlastnosti zosilňovačov.    [4.1][4.5]

4.5 Koncové stupne


Koncové stupne majú za úlohu dodať veľký výkon s minimálnym skreslením signálu a to do záťaže tvorenej nízkou impedanciou. Je vhodné využiť zapojenie SC s malým vstupným odporom (obr. 4.7)


Obr. 4.8 Koncový stupeň v triede A

Budič koncového stupňa je v zapojení SE ( vstup do bázy, výstup v kolektore) s tranzistorom T1 , ktorý pracuje ako invertor so záťažou RC . Nevýhody tohto zosilňovača sú:

   •   T2 pracuje v triede A, dochádza k trvalo veľkej spotrebe aj bez vstupného signálu, ktorá sa zväčšuje s klesajúcou hodnotou RE

   •   RE >> RZ obmedzuje rozkmit záporného výstupného napätia pre prípad IZ < 0 na hodnotu UEE.RZ/(RZ + RE)

Tieto problémy odstránime použitím koncového stupňa s komplementárnymi tranzistormi T2 a T3 . Spotreba bez vstupného signálu je skoro nulová pretože IBT2 = IBT3= 0 . Tranzistory pracujú v triede B.

triedaab
Obr.4.9 Dvojčinný koncový stupeň v triede B a triede AB

Vstupné harmonické napätie tranzistor T1 zosilní a invertuje. Kladnú polvlnu na kolektore T1 spracuje T2 a zápornú polvlnu T3. Vo vedení prúdu sa tranzistory striedajú, preto hovoríme o dvojčinnom zapojení. V okolí počiatku prevodovej charakteristiky existuje "mŕtva zóna" (dead band) o veľkosti 2.UBE . Vzniknuté prechodové skreslenie (crossover distortion) je dôsledkom toho, že tranzistory T2 a T3 sú v tejto oblasti v nevodivom stave. Na odstránenie tohto nedostatku použijeme diódy D1a D2 .     [4.1][4.4]

4.6 Spínače s bipolárnymi tranzistormi

Využitie tranzistorov je taktiež v úlohe spínačov pre spracovanie číslicového signálu, alebo riadenie výkonu. Poloha pracovného bodu v ustálenom stave je buď v nevodivom režime (P1 na obr.4.10) , kedy je medzi kolektorom a emitorom veľký odpor. V druhej stabilnej polohe je v saturácii, prípadne v normálnom aktívnom režime " blízko " saturácie (P2) . Medzi kolektorom a emitorom je malý odpor. Pre dobré spínanie je dôležitá vhodná voľba IB .     [4.1]


Obr.4.10 Tranzistor ako spínač s odporovou záťažou

4.7 Tranzistory JFET

Prúd ID(IDSS) je nezávislý na napätí UDS pre UDS > UDSat čo sa dá využiť na konštrukciu jednoduchých zdrojov prúdu, kedy záťažou RZ tečie konštantný prúd ID = IDSS . Tranzistory JFET sa vyrábajú s dosť veľkým rozptylom parametrov a teda aj hodnôt IDSS (napr. 10-20 mA). Pre presné nastavenie prúdu volíme zapojenie s rezistorom RS (Obr.4.11).


Obr.4.11 Tranzistor JFET ako zdroj konštantného prúdu

Zaradením rezistoru RS dochádza k zmene napätia UGS z nuly na zápornú hodnotu z dôvodu platnosti vzťahov:

UGS + URs = 0    ,      URs = RS . ID     →     UGS = -RS.ID (4.35)

Ak hodnota RS rastie tak dochádza k pohybu pracovného bodu po zaťažovacej priamke smerom k vyšším hodnotám UGS a nižším hodnotám ID . Túto vlastnosť využívame aj pre nastavenie pracovného bodu zosilňovača v triede A, pre ktorý platí UDS = UCC/2 .Rezistor RS tu zároveň pôsobí ako záporná spätná väzba.

JFET ako zosilňovač malých signálov

Zapojenia s tranzistormi JFET sú analogické zapojeniam s bipolárnymi tranzistormi. Podľa toho, ktorá elektróda je spoločná pre vstup aj výstup rozoznávame zapojenia SS, SD a SG. Prúd do hradla G je prakticky nulový a preto ic vstupný odpor je obrovský Na obr.4.12 je zosilňovač SS (invertor). Rezistor RG v tomto zapojení umožňuje privedenie signálu na vstup zosilňovača pri zachovaní jednosmernej polarizácie podľa rovnice UGS + URs = 0 a čo najväčší vstupný odpor. Kapacitor CB blokuje rezistor RS pre striedavý signál.


Obr.4.12 Zosilňovač s tranzistorom JFET v zapojení SS a jeho NLO

Výhodné je použiť náhradný lineárny obvod (NLO) s parametrami y , ktorý prináša nulové hodnoty parametrov y11s a y12s. Na obr.4.12 je NLO celého obvodu z ktorého môžeme písať rovnice vedúce na napäťové zosilnenie Au .

(4.36)

(4.37)

            pre    (4.38)

Výraz pre napäťové zosilnenie tranzistoru JFET v zapojení SS je zhodný s výrazom pre bipolárny tranzistor v zapojení SE. V číselnom vyjadrení sa prejaví rozdiel vplyvom použitého tranzistora z dôvodu rozdielnej strmosti y21s . Výsledkom je aspoň o rád väčšie napäťové zosilnenie bipolárnych tranzistorov oproti unipolárnym pri rovnakom rezistore RC , resp. RD . JFET nájdeme v úlohe zosilňovača tam , kde sa uplatnia jeho prednosti..


Obr.4.13 Zapojenie sledovača (SD) a náhrada RS zdrojom konštantného prúdu

V zapojení SD na obr.4.13 je výhodou veľký vstupný odpor. Napäťové zosilnenie bude:


    kde     (4.39)

Ak RS >> 1/y21s , bude na základe (4.39) platiť , že Au › 1 a budeme mať dobrý sledovač napätia. Veľká hodnota RS znamená aj veľký výstupný odpor a výsledkom je malá zaťažiteľnosť . Odstránime to použitím zdroja záporného konštantného prúdu. (4.13). [4.1]



4.8 Tranzistory MOSFET

Na obr.4.14 je najjednoduchšie nastavenie pracovného bodu MOSFETu s indukovaným kanálom N. Ak UDS = UGS < UT potom je prúd ID = 0 , a preto sa toto zapojenie označuje ako diódové zapojenie MOSFETu. Pre prípad UDS = UGS > UT je ID > 0 a tranzistor je v saturácii. Toto zapojenie sa využíva v IO.


Obr.4.14 Diódové zapojenie MOSFETu

Nastavenie pracovného bodu MOSFETu so zabudovaným kanálom pre kanál N a P je na obr.4.15 . Ak do hradla netečie prúd (IG = 0), leží pracovný bod na zaťažovacej priamke pretínajúcej výstupnú charakteristiku pre UGS = 0 . Ak chceme nastaviť pracovný bod s UGS ≠ 0 , použijeme niektoré zo zapojení na obr.4.15. [4.1]



Obr.4.15 Nastavenie pracovného bodu invertora pre UGS = 0 a UGS ≠ 0


Obsah>>>