Základní zapojení tranzistoru

Základní zapojení tranzistoru jsou různé způsoby, jak vytvořit zesilovací stupeň s jedním tranzistorem. Různá základní zapojení tranzistoru mají různé elektrické vlastnosti a použití. Jsou pojmenována podle elektrody, která je společná pro vstupní a výstupní obvod. Tato elektroda je obvykle připojena na pevně definovaný elektrický potenciál. V případě bipolárního tranzistoru existuje zapojení se společným emitorem, zapojení se společným kolektorem, obvykle nazývané emitorový sledovač, a zapojení se společnou bází.

Přehled

Zapojení i složitých zařízení jako je audiozesilovač lze rozložit (alespoň myšlenkově) na několik zde popsaných základních obvodů. Celková funkce zařízení vyplývá z kombinace a souhry těchto základních obvodů.

Tento článek popisuje základní obvody s bipolárními tranzistory. Existují však jejich obdoby s tranzistory řízenými polem (FET) a s elektronkami. Přestože vlastnosti odpovídajících obvodů s různými druhy aktivních prvků nejsou úplně stejné, jejich chování je podobné díky stejným základním principům. Následující tabulka obsahuje názvy základních zapojení zesilovacích stupňů s různými aktivními prvky:

Srovnání různých zapojení bipolárních tranzistorů, unipolárních tranzistorů a elektronek a jejich anglické názvy
Bipolární tranzistor	zapojení se společným emitorem common emitter	zapojení se společným kolektorem (emitorový sledovač) common collector (emitter follower)	zapojení se společnou bází common base
Polem řízený tranzistor	zapojení se společnou elektrodou source common source	zapojení se společnou elektrodou drain common drain (source follower)	zapojení se společnou elektrodou gate common gate
Elektronka	zapojení se společnou katodou common cathode	zapojení se společnou anodou (katodový sledovač) common plate (cathode follower)	zapojení se společnou mřížkou common grid

Na schématech vpravo je v horní řadě společná elektroda vždy nakreslena dole. Funkčně přehlednější mohou být uspořádání nakreslená v dolní řadě.

Výše zmíněná metoda pro stanovení druhu zapojení není vždy přesně splněna, takže někdy je potřeba aplikovat další kritérium: základní zapojení je dáno elektrodou tranzistoru, na níž je společný referenční potenciál vstupu a výstupu,^[1] případně je to elektroda, která neslouží ani jako vstup ani jako výstup.^[2]

Zapojení se společným emitorem

Zapojení se společným emitorem vychází ze základní funkce bipolárního tranzistoru: Vstupním signálem je střídavý proud tekoucí do báze, který na výstupu tvořeném kolektorem vyvolává střídavý proud, jehož velikost je přibližně rovna součinu vstupního proudu a proudového zesilovacího činitele $\beta$ .

Schéma vpravo zobrazuje zesilovací stupeň pro střídavé napětí v zapojení se společným emitorem s kondenzátorem přemosťujícím emitorový rezistor. Rezistory $R_{1}$ , $R_{2}$ a $R_{4}$ slouží k nastavení pracovního bodu tranzistoru. Rezistor $R_{4}$ slouží pro stabilizaci pracovního bodu pomocí stejnosměrné zpětné vazby. Kondenzátory určují dolní mezní kmitočet obvodu. Jsou tak velké, aby nad tímto mezním kmitočtem (ve srovnání k stávající paralelních rezistory) pro zesilovaný střídavý užitečný signál představovaly téměř zkrat. Jedná se především o paralelní zapojení kondenzátoru $C_{3}$ a rezistoru $R_{4},$ které emitor pro střídavý proud spojuje se zemí. $C_{1}$ a $C_{2}$ blokují stejnosměrnou složku na vstupu a výstupu. Proud báze ovlivňuje proud kolektor-emitor, který odpovídá násobku proudu báze a proudového zesilovacího činitele $\beta .$

Vstupní odpor je relativně malý a odpovídá paralelnímu zapojení kombinace rezistorů $R_{1}$ , $R_{2}$ a (při velmi velkém $C_{3}$ ) odporu báze-emitor $r_{\mathrm {BE} }$ . Vynecháním kondenzátoru $C_{3}$ se vstupní odpor zvýší, protože takže místo $r_{\mathrm {BE} }$ je třeba počítat s odporem $r_{\mathrm {BE} }+\beta \cdot R_{4}$ . Výstupní odpor je tvořen paralelním spojením pracovního rezistoru $R_{3}$ a odporu kolektor-emitor $r_{\mathrm {CE} }$ (který je zpravidla mnohem větší než $R_{3}$ ). Napěťové zesílení je při chybějícím $C_{3}$ poměrem $R_{3}$ k $R_{4}$ , kromě toho je závislé na typu tranzistoru a teplotě. Emitorový proud se rovná součtu kolektorového a bázového proudu.

Nevýhodou je omezení horního mezního kmitočtu kvůli Millerovu efektu. Tomu je možné se vyhnout použitím kaskody ze dvou tranzistorů.

Zapojení se společným emitorem odpovídá v případě tranzistorů řízených polem zapojení se společnou elektrodou source, v případě vakuových elektronek zapojení se společnou katodou.

Volba hodnot součástek

Napětí na $R_{4}$ má přibližně hodnotu danou děličem napětí $R_{1}$ a $R_{2}$ po odečtení úbytku napětí asi 0,5 až 0,7 V (pro křemíkové tranzistory). $R_{3}$ je třeba zvolit tak, aby pokles napětí na $R_{3}$ byl asi polovina napájecího napětí $U_{\mathrm {cc} }$ po odečtení poklesu napětí na $R_{4}$ , aby obě půlvlny mohly dosáhnout maximální hodnoty. Obvod nemá žádnou střídavou zpětnou vazbu, což způsobuje zkreslení signálu. To lze výrazně zlepšit použitím rezistoru $R_{GK}$ v sérii k $C_{3}$ . Tím se však sníží zesílení přibližně na hodnotu ${\frac {R_{3}}{R_{GK}}}$ .

Vlastnosti

invertující
proudové zesílení: vysoké (10¹...10³)
napěťové zesílení: vysoké (10¹...10³)
výkonové zesílení: velmi vysoké (10²...10⁶), přibližně napěťové zesílení × proudové zesílení
vstupní odpor: střední (500 Ω–2 kΩ)
výstupní odpor: střední (50 Ω–100 kΩ, mírně menší než odpor zatěžovací rezistoru R₃)
zesílení s malým zkreslením pouze pro velmi malá vstupní napětí: pokud je použit C₃, řádově µV až několik mV, jinak v závislosti na poměru ${\tfrac {R_{3}}{R_{4}}}$ .

Oblast použití

Zapojení se společným emitorem se používá v mnoha oblastech elektroniky, například v zesilovačích malého signálu a elektronických spínačích. Jde o zdaleka nejběžnější zapojení tranzistoru.

Stabilizace pracovního bodu

Typ stabilizace pracovního bodu je v principu nezávislý na zapojení tranzistoru. Existují následující stabilizační zapojení:

stabilizace pomocí emitorového odporu případně stejnosměrné vazby (viz schéma „stejnosměrná vazba“)
Tranzistor se zahřívá během provozu, čímž se stává vodivější a protéká jím větší kolektorový proud. Větší kolektorový proud způsobuje větší pokles napětí na emitorovém odporu $R_{4}$ . Napětí báze-emitor klesá a tranzistor se více uzavírá.
stejnosměrná zpětná vazba (schéma vpravo)
Při růstu kolektorového proudu kvůli zahřívání tranzistoru se zvětší úbytek napětí na odporu $R_{\mathrm {c} }$ . Kvůli tomu se snižuje napětí báze-emitor a kolektor-emitor. Tranzistor se více zavírá a kolektorový proud se zmenšuje.

Zapojení se společným kolektorem (emitorový sledovač)

Pro obdobné zapojení tranzistoru řízeného polem se společnou elektrodou drain viz unipolární tranzistor

Zdroj napětí by neměl mít pro signál žádný odpor (v případě potřeby se k němu paralelně zapojí kondenzátor), aby na kolektoru bylo konstantní napětí. V tomto zapojení malý proud báze-emitor řídí větší proud kolektor-emitor. Ten je nastaven zatěžovacím rezistorem $R_{3}$ , na kterém je napětí $U_{\mathrm {a} }=U_{\mathrm {e} }-U_{\mathrm {be} },$ kde $U_{\mathrm {e} }$ je vstupní napětí a $U_{\mathrm {be} }$ je napětí báze-emitor (asi 0,7 V).

Výstupní napětí na emitoru tedy sleduje přibližně vstupní napětí, proto se tomuto zapojení říká také emitorový sledovač. Protože se zdá, že proud procházející zatěžovacím rezistorem na vstupu je snížen o faktor proudového zesílení, je vstupní impedance emitorového sledovače velmi vysoká, a napěťové zesílení je přibližně 1. Obvod lze tedy považovat za impedanční transformátor.

Obdobné zapojení s tranzistorem řízeným polem se nazývá zapojení se společnou elektrodou drain; odpovídající základní zapojení s elektronkou se nazývá katodový sledovač nebo zapojení se společnou anodou.

Volba hodnot součástek

Aby obě půlvlny signálu mohly dosahovat maximální hodnoty, mělo by napětí na $R_{3}$ být přesně polovinou napájecího napětí $U_{\mathrm {cc} }$ . Toho se dosáhne, pokud rezistory $R_{1}$ a $R_{2}$ mají stejnou hodnotu.

Vlastnosti

neinvertující
napěťové zesílení: poněkud menší než 1
proudové zesílení: vysoké (10¹...10³)
výkonové zesílení: téměř rovné proudovému zesílení
vstupní odpor: vysoký (zatěžovací odpor × proudové zesílení)
výstupní odpor: malý (odpor zdroje / proudové zesílení)
nízké zkreslením pro vstupní napětí téměř rovné napájecímu napětí

Oblast použití

Impedanční transformátor, např. pro krystalové přenosky nebo piezoelektrické snímače zvuku, v kondenzátorových a elektretových mikrofonech; jako součást předzesilovače Darlingtonova zapojení (kde je zátěží báze koncového stupně) a mnoho koncových stupňů audiozesilovačů.

Zapojení se společnou bází

Podobá se zapojení společným emitorem, báze je však připojena na zem nebo na konstantní napětí a proud emitoru musí protékat i zdrojem signálu. Proudové zesílení je proto 1. Vstupní odpor je velmi malý, protože veškerý zatěžovací proud i proud báze musí být odebírán ze vstupu. Vstupní odpor a napěťové zesílení odpovídá zapojení se společným emitorem.

Obdoba pro tranzistory řízené polem se nazývá zapojení se společným hradlem; pro elektronky zapojení se společnou mřížkou.

Vlastnosti

neinvertující
proudové zesílení: poněkud menší než 1
napěťové zesílení: vysoké (10¹...10³)
výkonové zesílení: stejné jako napěťové zesílení
napěťové zesílení: o 5 % až 10 % větší než u zapojení se společným emitorem
vstupní odpor: malý (1–100 Ω)
výstupní odpor: vysoký (odpovídá přibližně emitorovému rezistoru)
vysoký mezní kmitočet díky zpětnému působení výstupního napětí na řídicí elektrodu (báze spojena s nulovým potenciálem)
nízké zkreslení pro vstupní napětí do 10 % napájecího napětí

Oblast použití

Protože jeho vstupní kapacita netrpí Millerovým efektem, používá se především pro vysokofrekvenční (VF) aplikace:

VF stupně
VF oscilátory od asi 50 MHz

Kombinace

Kombinací základních zapojení jsou následující obvody:

Paralelní zapojení: několik tranzistorů zapojených paralelně, pro bipolární tranzistory musí mít každý vlastní emitorový rezistor, aby bylo zajištěno rovnoměrné rozdělení proudu (není třeba pro MOSFET a IGBT)
Kaskádové zapojení; sériové zapojení několika tranzistorů v zapojení se společným emitorem, jejichž úbytky napětí se sčítají, každý tranzistor vyžaduje vlastní, potenciálově oddělenou, bázovou regulaci.
Kaskoda: Kombinace zapojení se společným emitorem (spodní tranzistor) se zapojením se společnou bází (horní tranzistor) tvoří kaskodový zesilovač, jehož vstupní odpor je nízký a výstupní velmi vysoký. Tento obvod má mimořádně malou zpětnou vazbu a proto je vhodný pro VF použití.
Invertor v TTL logice: kombinace stupně se společnou bází následovaná stupněm se společným emitorem.
Darlingtonovo zapojení: dva tranzistory v zapojení se společným kolektorem zapojené sériově; báze druhého je zátěží prvního, sdílejí napětí mezi bází prvního a emitorem druhého. Darlingtonovo zapojení je možné považovat za jediný tranzistor s vysokým proudovým zesílením. Vyrábějí se jako nejjednodušší integrované obvody, nazývané Darlingtonovy tranzistory.
Tyristorový obvod, multivibrátor: Dva tranzistory v zapojení se společným emitorem se zpětnou vazbou.
Schmittův klopný obvod: dva tranzistory v zapojení se společným kolektorem, ale se společným emitorovým rezistorem.

Výstup TTL obvodů je tvořen dvěma tranzistory v polomůstkovém uspořádání; spodní v zapojení se společným emitorem, horní se společným kolektorem.

V proudovém zrcadle pracuje druhý tranzistor v zapojení se společným emitorem, první poskytuje napětí pro bázi druhého, takže jeho kolektorový proud se rovná vstupnímu proudu; používá se jako nastavitelný zdroj proudu.

U diferenciálního vstupu, např. operačního zesilovače, každý z obou vstupních tranzistorů pracuje v zapojení se společným emitorem (invertující). Pokud je na bázi jednoho tranzistoru přivedeno větší napětí, tento tranzistor se otevře víc než druhý a „odsaje“ emitorový proud druhému tranzistoru, který se přivře. Rozdílové napětí se odebírá z kolektoru jednoho z tranzistorů. Kolektorové rezistory mohou být nahrazeny proudovým zrcadlem.

Odkazy

Reference

V tomto článku byly použity překlady textů z článků Transistorgrundschaltungen na německé Wikipedii, Differential amplifier na anglické Wikipedii a Diferenciálny zosilňovač na slovenské Wikipedii.

↑ Ulrich Tietze, Christoph Schenk. Halbleiterschaltungstechnik. [s.l.]: Springer, 2002. ISBN 978-3-540-42849-7. S. 98.
↑ Christoph Schenk, Eberhard Gamm. Halbleiter-Schaltungstechnik. 15., přepracované vyd. Berlin: Springer, 2016. ISBN 978-3-662-48354-1. S. 101.

Literatura

Hans-Joachim Fischer, Wolfgang E. Schlegel. Transistor- und Schaltkreistechnik. Berlin: Militärverlag der DDR, 1988. ISBN 3-327-00362-9.
Rainer Funke, Siegfried Liebscher. Grundschaltungen der Elektronik. Berlin: Verl. Technik, 1975.
Johann Siegl. Schaltungstechnik – Analog und gemischt analog/digital: Entwicklungsmethodik, Verstärkertechnik, Funktionsprimitive von Schaltkreisen. Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag, 2005. ISBN 978-3-540-27515-2. DOI 10.1007/3-540-27515-0.
Stefan Goßner. Grundlagen der Elektronik (Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen). 11. vyd. Aachen: Shaker, 2019. ISBN 978-3-8440-6784-2.

Externí odkazy

Hanspeter Hochreutener. Transistor-Verstärkerschaltungen [online]. Zentrum für Signalverarbeitung und Nachrichtentechnik, 2011-01-14 [cit. 2013-01-08]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu.

[1] Ulrich Tietze, Christoph Schenk. Halbleiterschaltungstechnik. [s.l.]: Springer, 2002. ISBN 978-3-540-42849-7. S. 98.

[2] Christoph Schenk, Eberhard Gamm. Halbleiter-Schaltungstechnik. 15., přepracované vyd. Berlin: Springer, 2016. ISBN 978-3-662-48354-1. S. 101.

[1]

[2]