ALAPKAPCSOLÁSOK EGY TRANZISZTORRAL

ELEKTRONIKA

Alapkapcsolások egy tranzisztorral

ALAPKAPCSOLÁSOK EGY TRANZISZTORRAL Ebben a fejezetben az alakhû jelátvitel mûszaki paramétereivel foglalkozunk. Minden aktív eszközünk nemlineáris, ezért aktív eszközöket tartalmazó áramköreinkkel az alakhû átvitel csak megfelelõ feltételek mellett realizálható. Úgy is fogalmazhatunk, hogy aktív eszközeinknek olyan „körülményeket” kell biztosítanunk, hogy a jelre nézve mûködésük alapvetõen lineáris legyen, nemlineáris tulajdonságuk csak másodlagos hatásként jelentkezzen. A mûködési körülmények tervezése során arról sem feledkezhetünk meg, hogy ezekkel az áramkörökkel teljesítményerõsítést (feszültség és/vagy áramerõsítést) kívánunk megvalósítani. A fenti két igény kielégítésére csak bizonyos kapcsolási elrendezésekben van lehetõség. Ezen kapcsolási elrendezések egyetlen aktív eszközt használó változatait szokás (egy tranzisztoros) alapkapcsolásoknak nevezni. Ezekben a kapcsolásokban a tranzisztor — a fent vázolt okok miatt — mindig a normál aktív tartományban mûködik, úgy, hogy a jelszint és a vele összhangban levõ munkaponti jellemzõk biztosítják az eszköz alapvetõen (nagyjából) lineáris mûködését. Normál aktív mûködési tartományban a tranzisztor vezérelt áramgenerátorként mûködik, és a vezérlést a B-E átmenet viszonyai (a kölcsönhatásban lévõ feszültség és áram) jelentik. Attól függõen, hogy milyen megoldással vezetjük rá a jelet a B-E átmenetre, és hogyan hasznosítjuk a C-B átmenetet leíró vezérelt áramgenerátor áramát, jellegében különbözõ paraméterekkel rendelkezõ áramköröket kapunk. Ezek a variációk az alapkapcsolások különbözõ változatai. Az alapkapcsolások összehasonlító elemzéséhez két dologra van szükségünk: 1. Meg kell alkotnunk a tranzisztor úgynevezett kisjelû helyettesítõ képét. 2. Meg kell állapodnunk egy közös paraméter-rendszerben, amely alapján értékelhetjük és összehasonlíthatjuk az egyes alapkapcsolások tulajdonságait. A legegyszerûbb négypólus-paramétereket fogjuk használni.

A TRANZISZTOR KISJELÛ

HELYETTESÍTÕ KÉPE

Most és a továbbiakban normál aktív mûködési tartományt tételezünk fel. A modellalkotáshoz felhasználhatjuk korábbi eredményünket: a munkapontbeállításról szóló fejezetben bevezettünk egy nagyon egyszerû helyettesítõ képet, amely a mellékhatásoktól eltekintve jól leírja a tranzisztor mûködését (1. ábra).

1. ábra

kapcsolási rajz

helyettesítõ kép

-1-

ELEKTRONIKA


Az 1. ábrán bemutatott helyettesítõ kép általános, azaz a számítások céljától függetlenül, széles körben alkalmazható. A modell tovább egyszerûsíthetõ a helyettesítõ képben szereplõ dióda karakterisztikájának közelítésével. Két közelítést szoktunk használni: 1. A munkapontbeállítással kapcsolatos számítások céljaira lineáris töréspontos függvénnyel közelítettük a dióda karakterisztikáját (ld.: Munkapontbeállítás, 5. ábra). Nem véletlenül hangsúlyoztuk ki, hogy csak munkapontbeállítás számításához használható ez a nagyon leegyszerûsített karakterisztika: a munkaponti feszültségre/áramra szuperponált (tipikusan relatíve igen kicsi) jellel kapcsolatos jelenségek leírására nyilvánvalóan alkalmatlan ez a lineáris töréspontos közelítés. (Például az emitteráram kismértékû megváltozása esetén a lineáris karakterisztika szerint nem változik a B-E feszültség.) 2. A jellel kapcsolatos számítások céljára alkalmas modell kidolgozásához abból lehet kiindulni, hogy a bázis-emitter P-N átmenet árama és feszültsége a jel hatására csak kismértékben fog megváltozni egy adott érték (a munkapont) környezetében. Az ilyen feltétellel érvényes modellt kisjelû helyettesítõ képnek hívjuk. Az alábbiakban a kisjelû helyettesítõ kép kidolgozásának szenteljük figyelmünket. Vegyük alapul az exponenciális diódakarakterisztikát (ld.: 2. ábra)! Közvetlenül ezzel a karakterisztikával nem célszerû dolgozni, mert transzcendens egyenletekre jutunk. Nagyon jó lenne lineáris modellt használni, mert akkor az áramkör mûködését leíró egyenletek könnyen kezelhetõk, és könnyen kialakítható egy egyszerû szemléletmód is, amellyel a kapcsolás mûködése és a fontosabb paraméterek (sokszor egyenletek felírása nélkül is) kézben tarthatók. Az elterjedten használt megközelítés a munkaponti linearizálás módszere. Feltételezzük, hogy a munkaponti áramra/feszültségre szuperponált jel olyan kicsi amplitúdójú, hogy az ehhez tartozó karakterisztika-szakasz érintõ egyenessel közelíthetõ.

2. ábra

Az exponenciális karakterisztikát a munkapont kis környezetében érintõ egyenessel közelítjük.

-2-

ELEKTRONIKA


Természetesen az érintõ meredeksége (illetve a derivált értéke) függ attól, hogy a karakterisztika mely pontjánál határozzuk meg. Válasszunk ki egy pontot (a munkapontot) az exponenciális karakterisztikán, jellemezzük e pontot az I Eo munkaponti paraméterrel, és határozzuk meg ennél a pontnál az elsõ deriváltat:

∂I Eo ∂U BE

I E = I Eo

 U BE    U  ∂I ⋅e  T       = ∂U BE

U BE   

I E = I Eo

 1 U = ⋅I S ⋅e  T UT

I E = I Eo

=

I Eo UT

(vegyük észre, hogy a második egyenlõség után I Eo kifejezése áll!!!) Vezetés dimenziójú eredményt kaptunk, amely használható jelenlegi formájában is számítások céljára, a gyakorlott áramkörtervezõ azonban általában jobban boldogul ellenállás dimenziójú mennyiségekkel, ezért az inverz függvény deriváltja kedveltebb:

∂U BE ∂I E

I E = I Eo

=

UT = rd I Eo

(A deriváltban U BE = U BEo behelyettesítés ugyanazt eredményezi. Gondold meg!)

Az újonnan bevezetett jelölés ( rd ) neve: differenciális ellenállás. Az elnevezés arra utal, hogy a munkaponti érték kis környezetében az árammegváltozás és feszültségmegváltozás közötti kapcsolatot az Ohm-törvény szerint az rd ellenállás határozza meg. A 3. ábrán megmutatjuk, hogy a bevezetett szemlélet (a munkaponti linearizálás módszere) hogyan testesül meg a tranzisztor kisjelû helyettesítõ képében.

3. ábra kapcsolási rajz

a fizikai mûködésen alapuló általános, egyszerûsített modell, NORMÁL AKTÍV tartományban érvényes

-3-

Kisjelû helyettesítõ kép NORMÁL AKTÍV tartományban, egy adott munkapont környezetében KIS MEGVÁLTOZÁSOKRA

ELEKTRONIKA


A kisjelû helyettesítõ kép alá írt szöveg nem egészen pontos: a kisjelû helyettesítõ kép bármely munkapontban érvényes, de rd értékét az adott munkaponthoz kell meghatározni. A 3. ábrán bevezettünk néhány új jelölést. A munkaponti értékekhez képest kis megváltozásokat (a „jelet”) kisbetûvel jelöljük. Példa: I C a kollektoráramot jelöli általában, I Co a munkaponti értéket, iC a jelet, azaz I C = I Co + iC . Az új jelöléssel sokkal egyszerûbb az élet. A kisjelû bázis-emitter feszültség, emitteráram, valamint a differenciális ellenállás közötti kapcsolat is felírható a körmönfont

∂U BE ∂I E

I E = I Eo

= rd

alak helyett sokkal egyszerûbben:

U BE = rd iE

rd persze függ a munkaponttól, de ezt a továbbiakban már nem fogjuk akkurátusan jelölni, mert nagyon áttekinthetetlenné tenné a kifejezéseket. Ugyancsak új jelölés az ábrán az „α ” betû: a kisjelû földelt bázisú áramerõsítési tényezõt jelöli. Az alábbiakban szeretnénk a fogalmát, az α és A paraméterek közötti különbséget tisztázni:

A Munkapontbeállítás címû anyagrészben leírtuk, hogy a tranzisztor kollektor-bázis P-N átmenete (normál aktív tartományban) vezérelt áramgenerátorral modellezhetõ. A vezérlõ mennyiség az emitteráram. Az emitteráram és kollektoráram közötti kapcsolat nemlineáris, a kapcsolat tisztességes jelölése függvény-alakban oldható meg, tehát az

IC (I E ) jelölést kellene alkalmaznunk, ha egzakt leírásra törekednénk. Csakhogy nem törekszünk egzakt leírásra, hanem könnyen kezelhetõ modellt szeretnénk kapni, amellyel hatékonyan tudunk dolgozni. Ennek szellemében már a Munkapontbeállítás címû anyagrészben formálisan átalakítottuk a függvénykapcsolatot

I C = A( I Eo )⋅I E alakra, amely még mindig egzakt leírás, mert a nemlineáris kapcsolatot figyelembe veszi azáltal,

( )

hogy az A munkapontfüggõ. Következõ lépésként konstatáltuk, hogy az A I Eo függvény jó közelítéssel konstans (és 1-nél picit kisebb értékû), valamint belenyugodtunk abba, hogy a függvény pontos menete a tervezés során nem ismert (mert függ a konkrét tranzisztorpéldánytól, a hõmérséklettõl, stb.). Mindezek figyelembevételével bevezettük azt a közelítést, hogy a tervezés során az A értéket konstansnak tekintjük, értékét a katalógusban megadott adatok és a munkapont alapján becsléssel vesszük fel, és az áramkört úgy alakítjuk ki, hogy mûködése ne függjön attól, hogy A tényleges értéke O,98 vagy éppen O,99.

-4-

ELEKTRONIKA


A most bevezetett „α ” kisjelû földelt bázisú áramerõsítési tényezõ a differenciális ellenállással rokon fogalom. A munkapont kis környezetében a kollektor- és emitterárammegváltozások közötti, lineárisnak feltételezett kapcsolatot fejezi ki:

α=

∂I C ∂I E

I E = I Eo

és természetesen α is függ a munkaponttól. Hasonlóan értelmezzük a kisjelû földelt emitteres áramerõsítési tényezõt:

β=

∂I C ∂I B

I E = I Eo

A kis megváltozásokra bevezetett új (kisbetûs) jelöléssel az áramerõsítési tényezõk egyszerûbben kifejezhetõk:

α=

iC iE

β=

iC iB

A kisjelû paraméterekre is érvényes a csomóponti egyenlet:

i B + iC = i E és az áramerõsítési tényezõk közötti kapcsolat:

α=

β 1+ β

β=

α 1− α

β tipikus értéke 100...300, de nagyon kisáramú munkapontban, vagy teljesítménytranzisztoroknál nagyáramú munkapontban, valamint nagyfrekvenciás tranzisztortípusoknál kisebb: 50, vagy esetleg 20 is lehet.

A MUNKAPONTI LINEARIZÁLÁS MÓDSZERÉNEK HASZNÁLATA A legtöbb esetben a jellel kapcsolatos, kisjelû paraméterek meghatározása a végcél. Ez érthetõ is: a felhasználót csak az érdekli, hogy milyen szépen és milyen hangosan szól a lemezjátszója, a jól sikerült munkapontbeállítás hidegen hagyja. A feladat tehát az, hogy a kapcsolási elrendezés és az elemértékek ismeretében meghatározzuk az áramkör, vagyis a teljes kapcsolás kisjelû paramétereit. -5-

ELEKTRONIKA


A számítás menete a következõ: 1. Meghatározzuk a munkaponti paramétereket. Ehhez zérus jelet adunk az áramkör bemenetére (ha a meghajtó generátor feszültséggenerátor, akkor ebbõl rövidzár lesz, ha áramgenerátor, akkor szakadás), és DC szemüveget használunk. A nemlineáris elemeket (pl.: tranzisztor) a munkapontbeállítással kapcsolatos számítások céljára bevezetett modellel vesszük figyelembe. 2. Az ismert munkapont alapján meghatározzuk a nemlineáris eszközök kisjelû helyettesítõ képében szereplõ elemek értékét. 3. Megalkotjuk a vizsgált kapcsolás kisjelû helyettesítõ képét. Ez annyit tesz, hogy a kapcsolásba a nemlineáris elemek helyére berajzoljuk a kisjelû helyettesítõ képüket. Leggyakrabban a jel csak váltóáramú összetevõket tartalmaz, ilyenkor AC szemüveget használunk (a kondenzátor és a telep rövidzár, az egyenáramú áramgenerátor és az induktivitás szakadás). 4. A jelre érvényes kapcsolás (pontosabban helyettesítõ kép) és az abban szereplõ elemek értéke ismert, bármely kisjelû paraméter meghatározható.

NÉGYPÓLUS-SZEMLÉLET Egy elektronikus berendezés megtervezésének nagyon fontos (csaknem mindent eldöntõ) lépése a rendszerterv megalkotása. A rendszerterv elkészítésénél az egyes áramköröket funkcionális blokkokként kezelik: nem foglalkoznak azzal, hogy milyen elemekbõl épül fel az áramkör, csak az a fontos, hogy kívülrõl hogyan látszik, azaz hogyan illeszkedik bemenetével és kimenetével a környezõ áramköri blokkokhoz. Az alábbiakban sorra vesszük az illeszkedési felületeket, és megadjuk a leggyakrabban használt paraméterek értelmezését, mérési, illetve számítási módszereit. Az egyszerû tárgyalásmód kedvéért minden egyes esetben közepes frekvenciát tételezünk fel, azaz olyan frekvenciát, amelyen a csatoló és hidegítõ (részletesen lásd késõbb) kondenzátorok rövidzárnak tekinthetõk, a parazita kapacitások és az induktivitások pedig szakadásnak. Így közepes frekvencián csak ohmos impedanciákkal, azaz ellenállásokkal kell számolnunk.

BEMENETI ELLENÁLLÁS Ez a paraméter az elõzõ fokozat kimenetéhez való illeszkedés miatt fontos. Mérése és számítása többféleképpen is lehetséges. 1. Ismert amplitúdójú feszültséget adunk a bemenetre, és mérjük a bemeneten folyó áramot.

4. ábra Bemeneti ellenállás meghatározása.

-6-

ELEKTRONIKA


FIGYELEM! Kisjelû paraméterekrõl van szó. Mérõjelként tipikusan szinuszjelet használunk, amplitúdójának olyan kicsinek kell lennie, hogy a vizsgált fokozatban lévõ vezérelt generátor (bipoláris tranzisztor, FET, stb.) lineáris üzemmódban mûködjön. Ismert u és i , a két mennyiségbõl számítható a bemeneti ellenállás:

Rb =

u i

2. Ismert amplitúdójú áramot adunk a bemenetre, és mérjük a hatására létrejött feszültséget a bemeneten.

5. ábra

Bemeneti ellenállás meghatározása.

A bemeneti ellenállás ugyanúgy számítható, mint az 1. módszernél. 3. Az 1. módszer a gyakorlatban nehezen kivihetõ, ugyanis az áram mérése általában körülményes, mert a mérõmûszerek tipikusan feszültség mérésére alkalmasak közvetlenül. A 2. módszer azért nem szerencsés, mert a laboratóriumi célokra gyártott generátorok feszültséggenerátor jellegû (kis belsõ ellenállású) kimenettel rendelkeznek. Célszerû közvetett módszerhez folyamodni: ismert soros ellenállást iktatunk a mérendõ körbe, és a feszültségosztás alapján számítjuk a bemeneti ellenállást.

6. ábra

Bemeneti ellenállás meghatározása közvetett módszerrel. ( R : ismert ellenállás)

-7-

ELEKTRONIKA


u, R , valamint a mért ub ismeretében a feszültségosztó elvén a bemeneti ellenállás számítható:

u Rb = R ⋅ b u − ub (Megjegyzés: a mérés az áramkör kimenetén is végezhetõ, ami sokkal kellemesebb, ha a bemeneten kicsi a jel. ub helyett a kimeneten A ⋅ub , u helyett A ⋅u feszültséget fogunk mérni, s ezekkel az értékekkel is számolhatunk.) A bemutatott három elrendezés elvileg egyenértékû. Hogy mikor melyiket használjuk, azt a célszerûség dönti el. Ha konkrét áramkört mérünk, akkor általában a 3. módszert alkalmazzuk. Ha adott kapcsolási rajz alapján számítjuk a bemeneti ellenállás értékét, akkor az 1. vagy 2. módszer szerint járunk el, attól függõen, hogy a kapcsolás bemenetén párhuzamosan vagy sorosan kapcsolódnak egymáshoz az elemek.

A jelen anyagrészben nem foglalkozunk a visszahatás jelenségével. Mi a visszahatás? Az áramkörök többségénél nem csak a bemenettõl a kimenet irányába (ezt tekintjük „normálisnak”), hanem fordított irányban, a kimenetrõl a bemenet felé is terjed a jel. Ez azt jelenti, hogy jelet adva az áramkör kimenetére (!) a bemeneten ezzel arányos jel mérhetõ. A visszairányú jelátvitel ritkán szándékos, a leggyakrabban parazita elemek (például a tranzisztor parazita kapacitásai) hozzák létre. Emiatt a visszahatás elsõsorban magas frekvenciákon jelentkezik számottevõ mértékben. A visszahatás jelenségérõl ebben a fejezetben nem veszünk tudomást, de elõre jelezzük, hogy még sok bajunk lesz vele.

KIMENETI ELLENÁLLÁS Ez a paraméter a következõ fokozat bemenetéhez való illeszkedés szempontjából fontos. A vizsgált áramkör kimenete „aktív”, azaz Norton vagy Thevenin ekvivalenssel írható le. Az alábbiakban a Thevenin helyettesítõ képen mutatjuk be a módszereket, és az Olvasóra bízzuk a Norton képet. A kimeneti ellenállás meghatározására is többféle módszer használható. 1.

Dezaktivizáljuk a kimenetet. A kapcsolás kimenetét leíró feszültséggenerátor feszültségének nagysága arányos a kapcsolás bemenetére adott jellel: adjunk a bemenetre zérus jelet!

7. ábra

Kimeneti ellenállás meghatározása.

-8-

ELEKTRONIKA


FIGYELEM! A zérus bemeneti jel biztosítása (vagyis a generátort dezaktivizálása) nem azt jelenti, hogy a bemenetet lógni hagyjuk a levegõben. Ha üzemszerûen feszültséggenerátorral van a bemenet meghajtva, akkor a bemenetre kötött rövidzár esetén lesz a bemeneti jel zérus értékû. Miután a kimenetet dezaktivizáltuk, a megoldandó probléma ekvivalens egy bemeneti ellenállás meghatározásának feladatával, tehát az ott ismertetett módszerek bármelyike alkalmazható a kimeneti ellenállás meghatározására. 2. A másik módszer, amit ajánlani tudunk, a hagyományos, jól bevált eljárás egy Thevenin ekvivalens soros ellenállásának meghatározására. Rögzített nagyságú jelet adunk a fokozat bemenetére, és mérjük a kimeneti üresjárási feszültséget (terhelõ ellenállás helyett veszünk egy feszültségmérõt és rákötjük a kimenetre) , majd rövidre zárva a kimenetet megmérjük a rövidzárási áramot. Az Ohm-törvény alkalmazásával Rk számítható. 3. Nem biztos, hogy a kimenet rövidzárását az áramkör túléli (és áramot mérni nem szeretünk), ezért közvetett módszer is alkalmazható: a bemenetre rögzített amplitúdójú jelet adunk, és mérjük a kimeneten az üresjárási feszültséget, majd ismert ellenállással lezárva a kimenetet megmérjük a terhelt kimeneti feszültséget. A két mért értékbõl (a terhelõ ellenállás ismeretében) az Rk kimeneti ellenállás számítható. Itt is elmondhatjuk, hogy a bemutatott három eljárás elvileg egyenértékû. Ha konkrét áramkört mérünk, akkor tipikusan az 1. vagy a 3. módszer célravezetõ. Ha adott kapcsolási rajz alapján számítjuk a bemeneti ellenállás értékét, akkor leggyakrabban az 1., néha a 2. módszer szerint járunk el.

FESZÜLTSÉGERÕ SÍTÉS (????) Lényegében ez a paraméter mondja meg, hogy a bemenetre adott jel hatására mi várható a kimeneten. A fogalom roppant egyszerû, mégis gyakran keletkezik kavarodás a használata körül, ami általában ügyetlen (nem elég precíz) megfogalmazás következménye. Tekintsük a legegyszerûbb esetet!

ALAPÉRTELMEZÉS

8. ábra

Feszültségerõsítés értelmezése.

-9-

ELEKTRONIKA


A 8. ábrán látható esetben a fokozatot meghajtó generátor feszültsége közvetlenül megjelenik az erõsítõ bemenetén, a kimeneten pedig terhelés nélkül mérjük a feszültséget. Egyértelmû helyzet, a feszültségerõsítést az

uk ub hányadossal jellemezzük, ami éppen a kimenetet modellezõ Thevenin ekvivalensben szereplõ vezérelt feszültséggenerátor átvitele, azaz A . Namármost a gubanc akkor keletkezik, ha a bemenetet meghajtó generátor belsõ ellenállással rendelkezik, a kimenetet pedig terheljük.

9. ábra

Feszültségerõsítés értelmezése (amikor könnyen félreérthetõ).

Ha ebben az esetben valaki felteszi a kérdést: mekkora a feszültségerõsítés, akkor bajban vagyunk, mert többféleképpen értelmezhetõ a fogalom. Talán a legkézenfekvõbb az uk ub hányadosra gondolni, de más filozófiával tekinthetjük az uk u g értéket is mérvadónak, hiszen a bemeneten keletkezett leosztás is a vizsgált erõsítõ miatt van. Hasonló a helyzet a kimeneten. A kimenetet terhelõ Rt ellenállás miatt a kimeneti feszültség kisebb, mint terheletlen esetben volna (=üresjárási kimenõfeszültség). A terhelés következtében beálló feszültségcsökkenés Rt és Rk arányától függ, célszerû ezt a jelenséget is elkülönítetten kezelni. Külön említés nélkül ezután feszültségerõsítésnek a

üresjárási kimeneti feszültség bemeneti feszültség hányadost fogjuk hívni, ami nem más, mint a kimenetet leíró Thevenin kép vezérelt generátorának együtthatója (a 8. és 9. ábrán A - val jelöltük). Példaként bemutatunk egy egyszerû feladatot, amelyen illusztráljuk a bevezetett paraméterek hasznosságát. Adott egy jelforrás, üresjárási feszültsége és belsõ ellenállása ismert. A jelet kétfokozatú erõsítõvel erõsítjük: ismert az erõsítõk bemeneti és kimeneti ellenállása, valamint az „alapértelmezés” szerinti feszültségerõsítése (a vezérelt generátor átviteli tényezõje). Az erõsítõlánc kimenetét ismert Rt terhelõ ellenállással zárjuk le, és az a kérdés, hogy mekkora jelfeszültség keletkezik ezen az ellenálláson.

- 10 -

ELEKTRONIKA


10. ábra Példa többfokozatú erõsítõ eredõ átvitelének meghatározására Ismert: u g , Rg , Rb 1 , A1 , Rk 1 , Rb 2 , A2 , Rk 2 , Rt . Kérdés: uki = ?

A feladat megoldásához (és a paraméterek precíz megadásához) felvettünk két segédmennyiséget: az u1 és u2 feszültségeket. A megoldás menete roppant egyszerû: a bemenet felõl indulva lépésrõl-lépésre, rekurzív alakban meghatározzuk a feszültségeket. Tehát:

u1 = u g ⋅

Rb1 Rb1 + R g

Rb 2 u2 = u1 ⋅A1 ⋅ Rb2 + Rk 1 Rt uki = u2 ⋅A2 ⋅ Rk 2 + Rt A részeredmények felhasználásával a végeredmény:

Rb1 Rb 2 Rt uki = u g ⋅ ⋅A1 ⋅ ⋅A2 ⋅ . Rb1 + R g Rb2 + Rk 1 Rk 2 + Rt

A röpke bevezetõ után eléggé fel vagyunk vértezve ahhoz, hogy belekezdjünk az alapkapcsolások elemzésébe. Nem fontossági, hanem didaktikus sorrendben fogunk haladni.

- 11 -

ELEKTRONIKA


F ÖLDELT BÁZISÚ ALAPKAPCSOLÁS

11. ábra

NEM KAPCSOLÁSI RAJZ! Földelt bázisú alapkapcsolás váltóáramú helyettesítõ képe.

A 11. ábrán a földelt bázisú alapkapcsolás esszenciája látható. A rajz egy ténylegesen mûködõképes kapcsolásról AC szemüveggel készült (késõbb megmutatjuk az eredetit). Az ábráról azonnal leolvasható, honnan kapta nevét az alapkapcsolás: a tranzisztor bázisa a földre van kötve.

A dolgok mélyén ennél többrõl van szó. Abban minden alapkapcsolás megegyezik (ezt hamarosan látni fogjuk), hogy a bemeneti feszültséggel a tranzisztor bázis-emitter átmenetét vezéreljük, s a kimeneten a vezérelt kollektoráramot hasznosítjuk (kivétel a földelt kollektoros alapkapcsolás, de azt is ki lehet magyarázni). Az egyes alapkapcsolások közötti különbség abban rejlik, hogy az áramkörben a tranzisztor melyik elektródáját jelöljük ki közös pontnak (referencia potenciálnak). Ezért helyesebb volna a „közös bázisú” elnevezés használata, mert ez jobban kifejezi a lényeget: mind a bemenet, mind a kimenet potenciálját a bázishoz képest mérjük. Sajnálatos módon annyira mélyen beitta magát a „földelt” szóhasználat a szakmai köztudatba, hogy kénytelenek vagyunk ehhez alkalmazkodni (különben az idõsebb kollégák marslakónak néznék a frissen végzett új munkatársat). A jövõben tehát mi is „földelt” bázisú (emitteres, kollektoros) alapkapcsolást fogunk emlegetni, de ezt úgy értjük, hogy nem a földelés, hanem a közös vonatkoztatási pont a lényeg.

Még egy ...

... a referencia-irányokról Mindenekelõtt szögezzük le: a referencia-irányok megválasztása magánügy. Aztán a számítások során tekintettel kell lenni a megválasztott irányokra, s ha ügyetlenek voltunk, akkor most bajlódhatunk az elõjelekkel. Nem kötelezõ jelleggel, de melegen ajánljuk az alábbi technikát: 1. A bemeneti és kimeneti feszültség irányát célszerû a föld felé felvenni, ha mérésre kerül sor, úgyis a földhöz képest fogunk mérni minden feszültséget. 2. A bemenettõl indulva az áramkör belsõ pontjain a mérõirányokat úgy vesszük fel, hogy azok összhangban legyenek az áramkör fizikai mûködésével, a mérõirányok polaritása mindenütt kövesse a jel tényleges polaritását. A fent megadott algoritmust alkalmaztuk a 11. ábrán. A bemenetre kapcsolt feszültséggenerátor aktív elem, ez magyarázza az emitteráram mérõirányát. Az tranzisztor bázis- és kollektoráramának mérõiránya ezután közvetlenül adódik a tranzisztor fizikai mûködésébõl.

- 12 -

ELEKTRONIKA


A korábban bevezetett négypólus-szemlélet alkalmazásához célszerû megrajzolni a kapcsolás kisjelû helyettesítõ képét, ami pusztán annyit jelent, hogy a tranzisztor helyére berajzoljuk annak kisjelû helyettesítõ képét.

12. ábra

NEM KAPCSOLÁSI RAJZ! Földelt bázisú alapkapcsolás váltóáramú, kisjelû helyettesítõ képe.

Tulajdonképpen már számolhatnánk is, de ne kapkodjuk el: néha egy jó rajz többet ér két oldal levezetésnél. Rajzoljuk át a kapcsolást emészthetõbb formába (a topológia marad, de az elemek helyzetének ügyes megválasztásával jól áttekinthetõ, könnyen értelmezhetõ rajzot kaphatunk).

13. ábra

NEM KAPCSOLÁSI RAJZ! Földelt bázisú alapkapcsolás váltóáramú, kisjelû helyettesítõ képe. A kapcsolás megegyezik a 12. ábrán láthatóval.

Semmi mást nem csináltunk, mint lerajzoltuk ugyanazt másképpen, s már szinte készen is vagyunk. Hasonlítsuk össze rajzunkat a 8. ábrával. Annyi csak az eltérés, hogy itt a kimenetet Norton ekvivalens modellezi. A négypólus-paraméterek maguktól felíródnak:

Rb = rd

(függ a munkaponttól)

Rk = R

(nem függ a munkaponttól)

uk ub

(ez egy kicsit bonyolultabb)

A=

- 13 -

ELEKTRONIKA


Haladjunk lépésrõl-lépésre! A bemenetre adott kisjelû feszültség meghatározza a kisjelû emitteráramot:

iE =

ub rd

A tranzisztor emitterárama vezérli a kollektoráramot:

iC = α ⋅i E Végül a kimeneti feszültséget az R ellenálláson a kollektoráram hozza létre:

uk = iC ⋅R A részeredmények felhasználásával számítható az erõsítés:

A=

uk α ⋅R = . ub rd

Végül tehát eljutottunk oda, hogy a vizsgált kapcsolás (amelynek csak váltóáramú helyettesítõ képét adtuk meg a 11. ábrán) modellezhetõ a 8. ábra szerinti négypólussal az alábbi paraméterekkel:

Rb = rd

Rk = R

A=

α ⋅R . rd

Vizsgáljuk meg a paraméterek nagyságát! rd függ a tranzisztor munkaponti emitteráramától, például (nagyságrendjét illetõen tipikusnak mondható) 1mA munkaponti emitteráram mellett

rd =

U T 26mV = = 26Ω , I Eo 1mA

ami az elektronikus világban elég kicsinek számít. Ebbõl közvetlenül adódik, hogy a földelt bázisú alapkapcsolás bemeneti ellenállása kicsi, és ez gyakran gondot okoz a meghajtó generátorhoz (az elõzõ fokozat kimenetéhez) való illeszkedésnél, de az sem ritka, hogy direkt örülünk a kis bemeneti ellenállásnak.

- 14 -

ELEKTRONIKA


A feszültségerõsítés az R rd aránytól függ ( α majdnem 1, csak dísznek van a képletben).

R értéke kΩ nagyságrendû lehet, így a földelt bázisú alapkapcsolással 102 − 103 nagyságú feszültségerõsítés is elérhetõ, végül R maga közvetlenül a kimeneti ellenállást adja, mely így tipikusan kΩ nagyságrendû. Az általunk alkalmazott legegyszerûbb tranzisztor-modell felhasználásával kapott összefüggések szerint a feszültségerõsítés tetszõlegesen nagy lehet, csak megfelelõen nagyra kell választani az R ellenállást. A valóságban a feszültségerõsítés növelésének két korlátja van: 1. A tranzisztor véges kollektor-bázis vezetése (a kollektor-bázis átmenetet modellezõ vezérelt áramgenerátor belsõ ellenállása) párhuzamosan kapcsolódik a kollektor-körbe helyezett ellenállással, így az eredõ ellenállás maximális értékét a tranzisztor paramétere meghatározza. A kollektor-bázis vezetés (parazita) hatását a késõbbiekben alaposabban fogjuk vizsgálni. 2. A kollektor-köri ellenállás hatása egyenáramon is jelentkezik, a kollektorellenállás nagysága hatással van a munkapontra. A tranzisztor normál aktív mûködési tartományához szükséges záróirányú C-B feszültség csak úgy alakulhat ki, ha a kollektorellenálláson esõ feszültség kisebb egy jól meghatározható értéknél. Adott munkaponti emitteráram mellett e feltétel megadja a kollektorellenállás felsõ korlátját, és ebbõl számítható a lehetséges legnagyobb feszültségerõsítés. A korlát kiszámítására a munkapontbeállítás tárgyalása után (a 18. ábrát követõen) visszatérünk.

Még egyszer átrajzoljuk sokat megélt áramkörünket abból a célból, hogy megmutassuk, merre milyen áram folyik.

14. ábra Földelt bázisú alapkapcsolás váltóáramú, kis jelû helyettesítõ képe. A kapcsolás megegyezik a 12. ábrán láthatóval.

- 15 -

ELEKTRONIKA


Szép dolog a váltóáramú helyettesítõ kép, de a kapcsolást munkapontbeállítással együtt kell tervezni. Induljunk ki az egytelepes, bázisosztós munkapontbeállításból!

15. ábra Tranzisztor munkapontbeállítása (egytelepes, bázisosztós változat)

Ebbe a kapcsolásba (pontosabban a tranzisztor B-E kapcsaira) kell beadni a váltóáramú, kisjelû generátor jelét, valamint innen kell kicsatolni a kimeneti jelet, de úgy, hogy a közös pont (váltóáramú szempontból) a tranzisztor bázisa legyen, és a munkapontbeállítás ne változzon meg. A munkapontbeállítás sértetlenségét úgy biztosítjuk, hogy kondenzátorokkal végezzük a csatolást.

16. ábra Földelt bázisú alapkapcsolás. (egytelepes, bázisosztós változat)

Na, most nézzük meg, mit csináltunk! Az áramkör közös pontja (váltóáramú szempontból) a tranzisztor bázisa, tehát ez földelt bázisú kapcsolás, nem vitás. A meghajtó generátor a tranzisztor bázis és emitter elektródái közé kapcsolódik (váltóáramú szempontból): ez is rendben van. A kimeneti feszültség az R4 ellenálláson keletkezik, a tranzisztor kollektoráramával arányos, ez is jó.

- 16 -

ELEKTRONIKA


Vizsgáljuk a 16. ábrán bemutatott kapcsolást a munkapontbeállítás szempontjából! Rajzoljuk meg az egyenáramú helyettesítõ képet! Minden kondenzátor szakadás!!

17. ábra A 16. ábrán látható földelt bázisú alapkapcsolás DC szemüveggel nézve: egyenáramú helyettesítõ kép. Ennek alapján lehet a munkapontot meghatározni.

Vessük össze az egyenáramú helyettesítõ képet a kiindulási pontunkkal (15. ábra)! Eltérés csak annyi van, hogy új áramkörünkben megjelent az R4 ellenállás, ami nem befolyásolja a munkaponti emitteráramot. Ha már itt tartunk, határozzuk is meg a munkaponti paramétereket! Az összefüggések felírásánál támaszkodunk a Munkapontbeállítás/Bázisosztó fejezetben leírtakra.

I Eo

R2 − U BEo Ut ⋅ R1 + R2 = R × R2 R3 + 1 β+ 1

Meghatározható a tranzisztor munkaponti kollektor-emitter feszültsége is a tápfeszültségen és az R3 , R4 ellenállásokon keresztül kijelölt hurokból:

U CEo = U t − I Eo ⋅R3 − I Co ⋅R4 . Ez utóbbi paraméter számításánál általában megfelel az eredmény:

U CEo ≅U t − I Eo ⋅( R3 + R4 )

- 17 -

(????) közelítéssel nyerhetõ

ELEKTRONIKA


Vizsgáljuk most a kapcsolást (16. ábra) a jel szempontjából! Kisjelû, váltóáramú vezérlést tételezünk fel. Megrajzoljuk a kapcsolás kisjelû váltóáramú helyettesítõ képét, ami annyit tesz, hogy minden kondenzátor rövidzár, a telep is rövidzár, a tranzisztort pedig a kisjelû helyettesítõ képével vesszük figyelembe.

18. ábra A 16. ábrán megrajzolt földelt bázisú alapkapcsolás váltóáramú, kisjelû helyettesítõ képe.

Ellenõrizhetõ, a kisjelû kép ugyanaz, mint amit korábban bemutattunk (ld.: 12., vagy 13. ábra). Egyetlen eltérés fedezhetõ fel: megjelent az R3 ellenállás, ami a munkapontbeállításhoz kellett. R3 nincs hatással a feszültségerõsítésre, mert a bemenetet meghajtó generátorral párhuzamosan kapcsolódik.

iE =

ub rd

az R3 ellenállás értékétõl függetlenül, így tehát iC és uk értéke sem függ R3 -tól. ( iC = α ⋅iE , uk = iC ⋅R4 ) R3 hatása egyedül a bemeneti ellenállást befolyásolja, ez most kisebb, mint volt:

Rb = rd × R3 . Tipikusan R3 kΩ nagyságrendû, azaz két nagyságrenddel nagyobb rd -nél, tehát számottevõen nem csökkenti a bemeneti ellenállást.

A teljes (munkapontbeállítást is tartalmazó) kapcsolás ismeretében visszatérhetünk annak a kérdésnek a tárgyalására, hogy elvileg mekkora maximális erõsítést lehet megvalósítani egy földelt bázisú fokozattal. Tekintsük a 16. ábrán látható kapcsolást! A feszültségerõsítés:

A≅

- 18 -

R4 rd

.

ELEKTRONIKA


Bevezetünk egy új változót, jelölje

U4

az

R4

ellenálláson esõ munkaponti feszültséget!

U 4 = R4 ⋅I Eo . Az új jelöléssel kifejezzük a feszültségerõsítést:

A≅

U4 1 U4 ⋅ = I Eo rd U T

.

Az I Eo ⋅rd = U T kifejezéssel megadott termikus potenciál értéke rögzített ( ≅26mV ), a kollektorellenálláson esõ munkaponti feszültség pedig biztosan kisebb a telepfeszültségnél, a feszültségerõsítés értéke tehát korlátozott:

U A〈 t UT Tipikusnak tekinthetõ

U t = 15V

telepfeszültséggel számolva

kivezérelhetõségre is, emiatt a gyakorlatban mellett a feszültségerõsítés kb. 300 lehet.

U4

A〈580 .

Gondolnunk kell a

kb. a telepfeszültség fele, és változatlan értékek

Az elérhetõ feszültségerõsítés növelhetõ nagyobb telepfeszültség választásával (erre ritkán van mód), vagy kapcsolástechnikai trükkel: az R4 ellenállás helyett aktív eszköz felhasználásával felépített aktív terhelést alkalmazunk, így a munkaponti és kisjelû váltóáramú paraméterek szétválaszthatók, és a megadott korlátnál nagyobb feszültségerõsítés is elérhetõ. A leggyakrabban több erõsítõ fokozatot kapcsolunk egymás után, ha nagy feszültségerõsítést kell megvalósítani. Ezt a struktúrát hívjuk kaszkád kapcsolásnak.

A KONDENZÁTOROKRÓL A 16. ábrán megrajzolt (mûködõképes!) kapcsolás három kondenzátort tartalmaz. Ezeknek az a szerepük, hogy eltérõ hálózattá alakítsák a kapcsolást a munkapontbeállítás szempontjából (DC), illetve a jel szempontjából (AC). A kondenzátorok egyenáramon (a bekapcsolási tranziens után) szakadásként viselkednek, a jel frekvenciatartományában pedig rövidzárként kell viselkedniük. Ez utóbbi feltétel teljesítéséhez méretezni kell a kapacitásértékeket a mûködési frekvenciatartomány és a környezõ ohmos elemek ismeretében. Ezzel a témakörrel egyelõre nem kívánunk foglalkozni, átmeneti megoldásként minden kondenzátorhoz rajzoltunk egy ∞ jelet, és ez azt jelenti, hogy a kapacitás a vizsgált frekvenciatartományban rövidzárnak tekinthetõ. A C2 és C3 kondenzátorokat csatoló kondenzátoroknak nevezzük, mivel segítségükkel csatoljuk az áramkör bemenetére a meghajtó jelgenerátorról a jelet ( C3 ), illetve csatoljuk ki a jelet a kimeneten ( C2 ). Ellentétes megközelítésbõl kiindulva használatos az elválasztó kondenzátor megnevezés is, ezek a kondenzátorok egyenáramú leválasztást végeznek. A C1 kondenzátort hidegítõ kondenzátornak nevezzük. Az elnevezés arra utal, hogy ezzel a kondenzátorral a „jel” szempontjából földpotenciálra kötjük a kapcsolás valamely pontját (a

- 19 -

ELEKTRONIKA


jelen esetben a tranzisztor bázisát). Az egyenáramú komponens a kondenzátoron nem földelõdik le!

A hidegpont-melegpont terminológia valószínûleg az elektroncsöves világból maradt ránk. Ott a kapcsolás kimeneti pontja tipikusan az anód volt, amelyen 200 − 300V egyenfeszültség volt, s ha valaki óvatlanul hozzáért, az bizony „meleg” érzés volt. A földre kötött pontoknál ez a veszély nem fenyegetett. Az idõk múltával az eredeti jelentés feledésbe merült. Ma a következõ értelmezés van érvényben: Melegpont: mindazon pontok, amelyeken jel mérhetõ. Hidegpont: váltóáramú szempontból földre kötött pontok.

A munkapontbeállítási és jelkezelési topológia szétválasztására minden olyan áramköri elem megfelel, amely egyenáramú és váltóáramú szempontból különbözõen viselkedik, tehát induktivitással vagy transzformátorral is lehet csatolást (elválasztást) végezni. Példákat a Frekvenciafüggés fejezetben mutatunk.

LINEARIZÁLÁS SOROS EMITTERELLENÁLLÁSSAL Az az rd ellenállás, amivel a tranzisztor bázis-emitter átmenetét modelleztük kisjelû szempontból, egy erõsen görbült karakterisztikát közelít egy rövidke szakaszon. Számításokkal igazolható, hogy szinuszos feszültséget adva a tranzisztor B-E átmenetére már 1mV amplitúdónál 1 o o -nyi második harmonikus összetevõ jelenik meg az emitteráramban (és ennek következtében a kollektoráramban is). Vagyis az érintõközelítés ennyire „rossz”. Az áramkör átvitele tehát már egészen kicsi bemeneti feszültségnél nem lesz alakhû, ami pedig az alkalmazások többségénél alapvetõ követelmény. A bemeneti feszültségtartomány kiterjesztésére alkalmazott módszer igen kézenfekvõ: külsõ, soros ellenállással egészítjük ki a tranzisztor B-E átmenetét.

kapcsolás

kisjelû helyettesítõ kép

19. ábra Tranzisztor B-E átmenetének linearizálása soros emitterellenállással.

Az emitterrel sorosan kapcsolt R ellenállás szabad végét az ábrán E-vel jelöltük, utalva arra, hogy ez a pont a linearizált tranzisztor „emittere”. Az R ellenállás linearizáló hatását a 20. ábrán szemléltetjük. A jelen fejezetben nem vállalkozunk a hatás kvantitatív elemzésére, csupán arra a tendenciára hívjuk fel a figyelmet, hogy az eredõ karakterisztika azon a tartományon jó linearitású, ahol az eredõben az R ellenállás dominál a kisjelû helyettesítõ kép elemeivel kifejezve az R〉〉rd feltétel teljesülése esetén. - 20 -

ELEKTRONIKA


20. ábra Az emitterrel sorosan kapcsolt ellenállás hatása az eredõ karakterisztikára.

Alkalmazzuk az elvet a földelt bázisú alapkapcsolásra, és vizsgáljuk meg, milyen változásokat okoz a beállított paraméterekben az új kapcsolási elem. Kiindulási pontunk a 16. ábrán megadott kapcsolás.

21. ábra Földelt bázisú alapkapcsolás linearizált tranzisztorral.

- 21 -

ELEKTRONIKA


Az R5 ellenállás a munkapontbeállításra is hat, korábbi eredményünkben R3 helyett R3 + R5 értékkel kell számolni. Rajzoljuk meg a kisjelû helyettesítõ képet!

22. ábra Kisjelû helyettesítõ kép a 21. ábrához (a feszültségforrás a kisjelû helyettesítésnél rövidzárás a földre, s R4 ezért van a földre kötve) .

A kisjelû emitteráram most:

iE =

ub . R5 + rd

A kifejezésben R5 tényleg ellenállás és tényleg lineáris. Értékét választhatjuk rd -nél lényegesen nagyobbra, hogy az összegben R5 domináljon, és rd esetleg el is hanyagolható. Az ilyen értékválasztás esetén a kisjelû emitteráramot lényegében R5 határozza meg, aminek két elõnye van: 1. Lényegesen csökken a nemlinearitás mértéke. 2. A kisjelû paraméterek függetlenné válnak a munkaponttól. A nemlinearitás mértékének meghatározásával a Torzítás fejezetben foglalkozunk. A kisjelû paramétereket most kiszámoljuk a 22. ábra alapján:

A=

uk α ⋅i E ⋅R4 α ⋅R4 = = ub ub R5 + rd

Rb = R3 ×( R5 + rd )

R ≈ 4 ; ha R5 〉〉rd R5

≈R3 × R5 ; ha R5 〉〉rd Rk = R4 (változatlan)

( uk kifejezésénél tudjuk, hogy a kondenzátor irányába áram nem folyhat, így α ⋅iE ⋅R4 az egyetlen összetevõ!) Az eredményekrõl leolvasható, hogy a linearizáló ellenállás miatt a feszültségerõsítés lecsökkent (a 16. oldali képlethez viszonyítva), a bemeneti ellenállás pedig megnõtt (20. oldali képlet!). Ezeket a változásokat tekinthetjük mellékhatásoknak. Minõsítésük (jó-e vagy rossz) nem egyértelmû, a megítélés függ a konkrét feladattól: nem mindig nagy feszültségerõsítés létrehozása a cél, sokszor van szükség viszonylag kicsi ( ≈10 ), de pontos értékû erõsítésre.

- 22 -

ELEKTRONIKA


Könnyen téves eredményre lehet jutni az emiterrel sorosan kapcsolt ellenállás linearizáló hatásával, pontosabban a linearizálás mechanizmusával kapcsolatban. Felszínesen megítélve a kérdést úgy vélhetjük, hogy az R5 − rd elemeken leosztódik a bemenetre adott feszültség, és így kisebb jel jut a

tranzisztor B-E átmenetére, miáltal a görbült U BE − I E karakterisztika rövidebb szakaszán mûködik a tranzisztor, ami a feszültség-áram kapcsolatban a lineárist jobban megközelítõ átvitelhez vezet.

Ez igaz ugyan, de valójában ennél többrõl van szó. Egyszerû módszerekkel igazolható, hogy amennyiben kompenzáljuk az R5 − rd elemeken keletkezõ leosztást (azaz R5 függvényében megnöveljük a kapcsolás bemenetére adott feszültséget, úgy, hogy a kimeneten a jel alapharmonikusa éppen akkora legyen, mint leosztás nélkül, R5 = 0 esetben volt), akkor is csökken R5 növelésével a torzítás, pedig így a tranzisztor B-E átmenetén az alapharmonikus amplitúdója változatlan. Ez azzal magyarázható, hogy a fent említett leosztás önmagában is nemlineáris: R5 〉0 esetén a tranzisztor B-E átmenetén úgynevezett elõtorzított feszültség keletkezik, és ez növeli a linearitást (a bemeneti feszültség és a kisjelû emitteráram kapcsolatának linearitását). A kvantitatív vizsgálatot a Torzítás fejezetre hagyjuk, egyelõre fogjuk fel úgy a dolgot, hogy R5 〉〉rd esetben áramgenerátorjellegû meghajtást kap a tranzisztor B-E átmenete, és a linearizáló hatás ennek tulajdonítható.

Szeretnénk felhívni a figyelmet egy nagyon érdekes tendenciára, amelynek ismeretében könnyen kezelhetjük az erõsítés paramétert. A kapcsolás kisjelû feszültségerõsítése lényegében ( α erejéig) megegyezik a kollektor-köri és emitter-köri (váltóáramú és kisjelû) ellenállások hányadosával. Hogyan kell ezt a kijelentést értelmezni? Kollektor-köri ellenállásnak azt a (váltóáramú) ellenállást nevezzük, ami a tranzisztor kollektora és a föld közé van kapcsolva (a vizsgált kapcsolásban R4 ). Emitter-köri ellenállásnak a tranzisztor bázisa és emittere közé kapcsolódó rd ellenállást és az emitterrel sorosan kapcsolt (az emitter és a meghajtó generátor közé kapcsolt) ellenállást nevezzük. (A 16. ábrán az emitter-köri ellenállás rd , a 21. ábrán rd + R5 .) A bemutatott összefüggés logikus:

az emitteráram:

iE =

ub , emitter − köri ellenállás

a kimeneti feszültség:

uk = α ⋅i E ⋅(kollektor − köri ellenállás), azaz a feszültségerõsítés:

uk kollektor − köri ellenállás =α⋅ . ub emitter − köri ellenállás A bemutatott összefüggés csak akkor érvényes, ha a kollektorra és az emitterre kapcsolódó hálózat egyaránt egykapuként fogható fel (nem tartalmazhat kiágazásokat).

- 23 -

ALAPKAPCSOLÁSOK EGY TRANZISZTORRAL

Recommend Documents