Tranzisztorok
Olyan kis hely, feszültség és energiaigényű eszközre volt szüksége az elektronikával foglalkozó szakembereknek, amelynek az árama egy vezérlő jeltől (amely áram vagy feszültség is lehet) függ egyenes arányban. Az elektroncsövek már tudtak ilyesmit, de nagyon nagy hely és energiaigénnyel lehetett csak működtetni őket. A megvalósítás legegyszerűbb módját az ezeregyéjszaka csodalámpásának dzsinnje vagy egy tranzisztor kapitány (ld. Modellek fejezet) adta volna. Sajnos nem sikerült gyufafejnyi tokba zárt démonokat felkutatni, akik a kívánt manővert elvégzik. Így a kutatók kénytelenek voltak pótszerhez folyamodni, amelyet a félvezetők jelentettek.
A bipoláris tranzisztor
Helyezzünk el két p-n átmenetet sorba egy félvezető kristályban (p-n-p, vagy n-p-n lehet a rétegek sorrendje), és lássuk el kivezetéssel mindhárom réteget (TZ1.ábra)
Az E elektróda az emitter (emitter = kibocsátó) a töltéshordozókat kibocsátó réteg, a C kollektor (collector = gyüjtő) réteg feladata a B bázisrétegen átjutó töltéshordozók összegyüjtése.
Kapcsoljunk feszültséget az így előállított NPN tranzisztorra a TZ2.ábra szerint. Ha az emitterre adott feszültség eléri a 0.6 V körüli értéket, az emitter-bázis diódán, amely nyitóirányú előfeszítést kap, megindul az áram. Elektronok áramlanak az emitterből a bázisrétegbe, és ott a többségi töltéshordozó lyukakkal találkozva rekombinálódnak. Ha a bázisréteg elegendően vékony, az elektronok egy része átjuthat a bázisrétegen a kollektorig rekombináció nélkül. Megfelelő szennyezettség és geometria kialakításával elérhető, hogy az elektronok több mint 99%-a átsodródjon a bázisrétegen és a kollektorba jusson. (TZ3.ábra) Az előbbiek érvényesek a PNP tranzisztorra is, csak a töltéshordozók az emitterben és a kollektorban lyukak, míg a bázisrétegben elektronok lesznek, - emiatt az elektródákra adott feszültségek (telepek) polaritása fordított. (TZ4.ábra) A megszokott konvenció szerint kollektoráram és a bázisáram összege az emitteráram. A bázis-emitter feszültség és a kollektor-bázis feszültség összege pedig a kollektor és emitter közötti feszültséget adja.
IE = IB + IC és UCE = UBE + UCB
A bemenőáram az emitteráram, a kimenőáram a kollektoráram, tehát a tranzisztor ú.n. áramerősítése = iki / ibe = iC / iE 0.99
Szokás még a kollektor és bázisáram hányadosát is áramerősítésnek nevezni (ld. közös emitteres kapcsolás) = iC / iB
Tranzisztor karakterisztikák
A jelleggörbék meghatározásához be és kimenetet kell választani. Két elektróda közé kell a bemenőjelet adni és másik két elektróda között találjuk a kimenőfeszültséget. Így a tranzisztor három kivezetése közül egyik közös lesz a be - ill. kimenet szempontjából.
Ezért három alapkapcsolást különböztethetünk meg:
-közös bázisú
-közös emitterű
-közös kollektorú kapcsolást.
Mindhárom esetben felvehetjük a:
-bemenőáram-bemenőfeszültség görbesereget, amiből a dinamikus bemenőellenállás határozható meg (paraméter a kimenő áram vagy feszültség)
-kimenőáram-kimeneti feszültség karakterisztikákat, (paraméter a bemenő áram vagy feszültség lehet) amelyből a dinamikus kimenőellenállást kaphatjuk.
-ki és bemenőáram összefüggést, (paraméter a kimenőfeszültség) és ebből az áramerősítés határozható meg.
Ezek az ú.n. jelátviteli jellemzők, ezek ismeretében tervezhető az erősítőfokozat.
Tranzisztor modellek, helyettesítô képek
Láttuk az elôzôekben, hogy a tranzisztor - kicsike térfogata ellenére - igen összetett eszköz. Több, különbözôképpen adalékolt félvezetô rétegbôl áll, vagyis térbelileg inhomogén. A töltéshordozók mozgását nemcsak a Maxwell egyenletek, hanem kvantummechanikai összefüggések is szabályozzák. Nem csoda, hogy a feszültség-áram állapotok közelítôleg pontos meghatározásához hosszadalmas és nehézkes számítások szükségesek.
Mint olyan sokszor a természettudományokban, itt is a modell módszerhez kell folyamodnunk. A modell "majdnem" úgy működik, mint az, amit leképez, - de annál jóval egyszerűbb, áttekinthetôbb. A kényelemért cserébe veszítünk a pontosságból, az univerzális alkalmazhatóságból.
A bipoláris tranzisztor legegyszerűbb modellje a TZ5. ábrán látható. Ez a működést szemlélteti: a tranzisztor lényegében egy zárható-nyitható csap, amelyiken az átfolyó víz mennyisége könnyen, kis energiával szabályozható. Fontos az is, ami alája van írva : a tranzisztor szelep, nincsen benne pumpa, vagyis külsô energiaforrás nélkül nem működik.
A TZ6. ábra stilizáltan arra utal, hogy ezt a vezérelhetô csapot az átfolyó vízzel is szabályozhatjuk, így az átfolyó víz mennyiségét függetlenné tehetjük a víz nyomásától, vagyis valamifajta hasznos funkcionális javuláshoz juthatunk.
A TZ7. ábra már egy kicsit többet mond a tranzisztorok működésének lényegérôl. E szerint a tranzisztor belsejében egy kicsi, de roppant ügyes tranzisztor-kapitány helyezkedik el, aki nagyon gyorsan dolgozik. Egyrészt figyeli a bemeneti, bázis oldalon befolyó áram pillanatnyi értékét, másrészt állandóan úgy állít be egy ellenállást, hogy a kimeneti, kollektor oldali áram éppen a bemeneti áramnak meghatározott mennyiségű többszöröse legyen. A tranzisztor tehát helyettesíthetô két műszerrel, egy változtatható ellenállással és egy tranzisztor-kapitánnyal!
(Természetesen egyszerű modellünk a bipoláris tranzisztorra vonatkozik, de térvezérlésű tranzisztorra is kiterjeszthetô. Itt a tranzisztor-kapitány a bemeneti oldal feszültségét figyeli és ehhez igazítja a kimeneti áram értékét. )
A fenti modellek képszerűek, sokat segítenek a tranzisztor funkciójának megértésében. Ebben a formában azonban számításokra alkalmatlanok. - A tranzisztort is tartalmazó áramkörök munkaponti, erôsítési stb. paramétereinek meghatározásához az ún. helyettesítô képek használata terjedt el. A TZ8. ábrán azt látjuk, hogy a tranzisztor olyan elrendezés, amelynek bázisa és emittere között egy dióda helyezkedik el. Ennek a diódának az árama "vezérli" (mert benne rejtôzködik a tranzisztor-kapitány !) a kollektor-köri változtatható áramerôsséget kibocsátani tudó áramgenerátort. - A TZ8. ábra jobb oldalán az elôzô képet tovább módosítjuk: a dióda helyett csak egy ellenállást rajzolunk be. Ez csak akkor engedhetô meg, ha az áramok változásai a munkaponti áramokhoz képest elhanyagolhatóan kicsik. Ezt az ellenállást h11 -nek szokták nevezni (magyarázata rövidesen következik).
Mi határozza meg ezt a h11 -et? - Ha a tranzisztor emitterárama IE , akkor a dióda munkaponti differenciális ellenállása rD = 25 mV / IE nagyságú lesz. Ha a tranzisztor áramerôsítési tényezôje a , akkor a báziskörben (1 - a ) IE nagyságú áram folyik. Ha az áramerôsítési tényezô közel egységnyi, akkor (1 - a ) @ 1/b értékkel számolhatunk, vagyis
h11 @ b 25 mV / IE .
Nem szabad megfeledkezni arról, hogy h11 differenciális ellenállás, ezért ez a helyettesítô kép csak a munkapont kicsiny környezetében használható. Semmiképpen nem alkalmas a munkaponti áramok/feszültségek, vagyis az egyenáramú jellemzôk számításához. Ilyen hibát elkövetni nagyfokú neveletlenség !
A TZ10. ábrán a tranzisztor ún. h- paraméteres helyettesítô képét, modelljét látjuk. Értelmezéséhez kis kitérôt kell tennünk, meg kell ismerkednünk az ún. négypóluselmélet alapgondolatával.
Képzeljük el, hogy a TZ9.ábra szerint egy valóságos jelgenerátor csatlakozik egy négypólus (kétpólus-pár) bemeneti oldalához, a kimenetéhez pedig egy terhelô ellenállás. Úgy gondoljuk, hogy a négypólus lineáris áramköri elemek valamifajta ismert kapcsolásából épül fel.
Ha a bemeneti jelgenerátor és a kimeneti terhelés változik, akkor célszerű lehet a négypólust valahogy úgy jellemezni, hogy a választott paraméterek tegyék egyszerűvé a bemeneti és kimeneti jellemzôk közötti viszony ismételt meghatározását. - Ha ube ,uki ,ibe , iki - t tekintjük ismeretlennek, akkor két egyenletet triviálisan felírhatunk:
u0 = Rb ibe + ube
uki = - RT iki
A négypólust leíró hálózat Kirchhoff egyenleteit addig alakíthatjuk, míg a közöttük lévô kapcsolatot az alábbi formára nem hoztuk:
ube = Z11 ibe + Z12 iki
uki = Z21 ibe + Z22 iki
a Z11 , stb. paramétereket - értelemszerűen - a négypólus impedancia/ellenállás paramétereinek hívják.
Az is világos, hogy a négypólus leírására másfajta egyenletek is alkalmasak. Léteznek admittancia-, lánc-, hibrid-, stb. paraméterek, attól függôen, hogy a fenti két egyenlet bal és jobboldalán milyen mennyiségek szerepelnek. Az ún. hibrid (vegyes) paraméterek definíciói az alábbiak:
ube = h11 ibe + h12 uki
iki = h21 ibe + h22 uki
Érdemes felfigyelni két dologra:
- a kisbetűk utalnak arra, hogy az összefüggések csak differenciálisan, vagyis kis amplitúdójú jelekre igazak,
- az egyes paraméterek definíciói, illetve az azok mérésére alkalmas eljárás az egyenletekbôl kiolvasható. Ha uki = 0, vagyis a kimeneten a terhelô ellenállás helyett rövidzárat alkalmazunk, akkor h11 = ube / ibe (bemenô ellenállás), h21 = iki / ibe
(áramerôsítési tényezô). - h12 -et feszültség-visszahatásnak nevezik, 1/h22 pedig az ún. kimeneti, vagy belsô ellenállás.
A fenti egyenletek a ábra szerinti hálózat formájában is kifejezhetôk. - Ezt a képet és áramköri topológiát a tranzisztorok esetén elôszeretettel használják. ( TZ10. ábra.) - Gyakorlati esetekben a feszültség-visszahatás zérus (h12 = 0), a kimeneti ellenállás - 1/h22 - pedig általában nagyobb mint 10 kohm, vagyis az általában kohm nagyságrendű terhelô ellenállások mellett joggal elhanyagolható ( ábra jobb oldal).
Igy visszajutunk a TZ8. ábra szerinti helyettesítô képhez, csak most már egyszerűsített hibrid négypólus paraméterekként is tisztelhetjük ôket.
A TZ11. ábra alapján tudjuk, hogy a tranzisztor bázisára nézve szimmetrikus felépítésű, vagyis a kollektor is tud emitterként viselkedni. Természetesen a viszonyok némileg módosulnak: az emitter és kollektor rétegnek sem adalékolása sem geometriája nem azonos. Így érthetô, hogy beszélhetünk normál és inverz tranzisztorról, illetve normál és inverz áramerôsítési tényezôrôl. (Amíg egy átlagos tranzisztor normál áramerôsítési tényezôje majdnem egységnyi, az inverz tranzisztoré 0.3 - 0.7 , vagyis lényegesen kisebb.)
A nagyon összetett működésű bipoláris (réteg)tranzisztor elektromos, áramköri szempontból is használható modelljét Ebers és Moll alakították ki. Ôk figyelembe vették az elôbb említett normál/inverz működést, de arra is törekedtek, hogy a tranzisztor három alapvetô működési tartományában elektromos szempontból a valóságos értékeket jól közelítô eredmény kapjanak.
A tranzisztor ugyanis lehet lezárt, ha mindkét diódája egyidejűleg zárófeszültséget kap. A tranzisztor lehet aktív állapotban, - ekkor a bázis-emiter dióda nyitott, a bázis-kollektor pedig zárt. Ilyenkor a bázisárammal nagyjából egyenesen arányos kollektoráram folyik. - Végezetül pedig a tranzisztor lehet telítésben, amikor mindkét diódája nyitott, és az áramot csak a külsô áramköri elemek korlátozzák.
Ebers és Moll alkották meg a késôbb róluk elnevezett egyenleteket, amelyek a tranzisztor állapotát közelítôleg pontosan leírják mindhárom üzemtartományban. Az egyenletek értelmezését megkönnyíti a TZ11. ábra. Ennek felsô része az emitter és kollektor szimmetrikus funkcióit hangsúlyozza: az emitter a kollektorba indít diffúziós áramot, a kollektor pedig az emitterbe. (Az ábra npn tranzisztorra vonatkozik, konvencionális áramirány jelöléssel.) Pont ez a hatás az, ami a tranzisztort két összekapcsolt diódától megkülönbözteti ! - A tranzisztor diódáin átfolyó áram tehát két részbôl tevôdik össze. Az egyik részét a diódára adott feszültség határozza meg, a dióda egyenletek (lásd.: FD) alapján, a másik része a diffúziós/injektált áramból áll. - (Ha injektált áram nem indul - vagyis az a értékek zérusak, - akkor az elrendezés két szembekapcsolt diódáva egyszerüsödik. Ez nem tranzisztor! )
( ICD , IED - a kollektor, illetve emitter diódák áramai, a többi jelölés könnyen értelmezhetô. Az "S" index a telítési - szaturációs - értékre utal.)
Az ún. Ebers-Moll egyenletek a következôk:
IE = - IES [exp(UEB / UT ) -1] + aI ICS [exp(UCB / UT ) -1]
IC = aN IES [exp(UEB / UT ) -1] - ICS [exp(UCB / UT ) -1]
IE + IB + IC = 0
Figyeljünk fel az utolsó egyenletre: bár az alkalmazott irány-jelölések szerint korrekt, de nem a szokásos szemléletet tükrözi, amelyik szerint az emitteráramból lesz a bázisáram, valamint a kolllektoráram.
aN , aI ,, ICS , IES az adalékolásnak és a tranzisztor geometriának a függvényei. A fenti egyenletekbôl kimutathatóan az alábbi összefüggés áll fenn közöttük:
aN IES = aI ICS
Az EM egyenleteket úgy tekintjük, mint a bipoláris tranzisztor legfontosabb, matematikailag még könnyen kezelhetô leírását. Segítségükkel a tranzisztorok nem egészen szokásos áramköri kapcsolásai is vizsgálhatók. - Nem kevésbé jelentôs az is, hogy az elterjedt áramkörszimulációs programcsomagok (pl. az általunk favorizált TINA) ezeket az egyenleteket használja - a tranzisztor-típusoktól függôen különbözô paraméterekkel - az áramkör egyenfeszültségű jellemzôinek kiszámításához. Természetesen a nonlineáris egyenletek iterációval történô gyors megoldása a programrendszerbe be van építve.
Fontos tudni azt is, hogy a tranzisztorok különbözô alkalmazásaihoz más fajta helyettesítô képeket is használnak. Így például nagyfrekvenciás viselkedésük leírásánál szerephez jutnak a rétegek közötti kapacitások, illetve a töltéseknek a bázisrétegen való diffúziós mechanizmusát leíró idôállandók.
Tanulmányaink során a tárgyalt modelleknél bonyolultabbat azonban nem fogunk alkalmazni.
Vizsgáljuk meg a különböző esetek tranzisztorkarakterisztikáit!
Közös bázisú kapcsolás
Elrendezése megegyezik a TZ2. ábráéval. A bemenet az emitter-bázis között van, így a bemenőfeszültség az E-B dióda feszültsége, bemenőáram az emitteráram, a bemeneti áram- feszültség karakterisztika egy dióda jelleggörbéje. (TZ12.ábra)
Természetesen a karakterisztika függ a kimeneti feszültségtől is. A közös bázisú kapcsolás egyik előnye, hogy a függés nagyon csekély, (azaz a visszahatás kicsi), ezért a különböző kimenőfeszültséghez tartozó görbék az ábrán nem válnak szét.
A differenciális bemenőellenállás: rd = UT / IE (ld. dióda egyenletei). Ez 1 mA-es emitteráram esetén kb. 25 ohm.
A be és kimenőáram gyakorlatilag azonos (különbségük, a bázisáram két nagyságrenddel kisebb), így a köztük lévő függvénykapcsolat egy 45o-os egyenes, (ha az áramerősítési tényező 1. )
Mivel a kimenőáram az ú.n. szaturációs feszültség (ld. TZ.13 ábra) felett gyakorlatilag megegyezik a bemenő emitterárammal és közel független a feszültségtől, a kimeneti ellenállás értéke nagyon nagy. (szokásos értéke néhányszor 10 kohm)
Közös emitteres alapkapcsolás
A bemenet itt is a bázis-emitter dióda, de a bemenőáram a bázisáram, így a bemenőellenállás (TZ14.ábra)
rbe = UT / IB és IB = (1- ) IE
az áramerősítés = iC / iB iE / iB = 1 / (1- ), (értéke általában 100 - 400 között van)
A kimenő kollektoráram
iC = iB
nem nagyon függ a kimeneti (kollektor-emitter) feszültségtől, tehát a kimenőellenállás nagy. (ld. TZ.15. ábra) Ezt úgy is megfogalmazhatjuk, hogy a tranzisztor kollektora áramgenerátor jellegű.
A kimeneti karakterisztikából meghatározhatjuk az áramerősítési tényezőt
b » DIC / DIB (UCE = állandó)
Pl. UCE = 4V értéknél a 20 mA-es bázisáramhoz 2,8 mA-es kollektoráram, míg a 40 mA-es bázisáramhoz 5,8 mA tartozik, így:
DIB = 40mA - 20mA = 20mA és DIC = 5,8mA - 2,8mA = 3mA
Az áramerősítési tényező
b » DIC / DIB = 3mA / 20mA = 150
A kimenőellenállás is meghatározható a karakterisztikából:
rki » DUCE / DIC , (IB= állandó)
Az 50 mA-es bázisáramgörbén az UCE = 1V-hoz a 7 mA-es kollektoráram, míg az 5 V-hoz a 7,4 mA tartozik, így a kimenőellenállás:
rki » DUCE / DIC = 4V / 0,4 mA = 10 kohm.
Közös kollektoros alapkapcsolás
A bemenet itt is a bázis, a kimenet az emitter. (TZ16.ábra) A kollektor (pontosabban a tápfeszültség megfelelő polaritású pontja, amelyre a kollektor kötve van) a közös nulla potenciálú pontja az áramkörnek. (ld. B.1 fejezet)
Külön ki kell hangsulyoznunk, hogy a telep (tápegység) mindkét pólusa váltóáramúlag azonos - bár jónéhány volt (egyen)feszültségkülönbség van közöttük. Az ideális telep zérus belsőellenállású (és végtelen kapacitású), tehát váltóáram szempontjából rövidzárt jelent.
Az emitter feszültsége a bázisénál a p-n átmenet nyitófeszültségével kisebb, és a bázisban vezérelt E-B dióda kis differenciális ellenállása miatt ( rBE = UT / IB )a nyitófeszültség csak kismértékben változik vezérlés közben, így az emitter feszültsége mintegy követi a bázisét:
UE = Ube - UBE ( UBE 0.6 V ) és így uki = uE ube
ezért emitterkövetőnek is szokták nevezni ezt a kapcsolást.
Mivel a ki és bemenőfeszültségváltozások közel egyenlőek a fenti egyenletek alapján, a közös kollektoros alapkapcsolás feszültségerősítése jó közelítéssel egységnyi.
Az áramerősítés viszont nagy, hiszen a bemenőáram a bázisáram a kimenő az emitteráram:
iki = ( + 1) ibe
azaz kis bemenőáramváltozás nagy kimenőáramváltozást okoz, miközben a feszültségváltozások közel azonosak, így: rbe értéke nagy és rki értéke kicsi lesz.
A közös emitteres kapcsolást vizsgálva megállapítottuk, hogy a bemenet áramával arányos lesz a kimenőáram, ahol a tranzisztor kollektora áramgenerátorként működik, azaz a kimenőáram gyakorlatilag független a kollektorfeszültségétől. A kimenő görbeseregnél a tranzisztor bázisáramát konstans értéken tartottuk, tehát a bemeneten áramgenerátor jellegű telepet alkalmaztunk. Emlékeztetőül említjük, hogy az áramgenerátorokra a nagyon nagy belső ellenállás jellemző. (ld TZ17.ábra) A kimenőáram lineáris függése a bázisáramtól jól megfigyelhető a kollektoráram lépésközein a TZ18.ábra alapján.
Nem csak árammal vezérelhetjük a tranzisztort, hanem feszültséggel is, azaz a bázis feszültségét tartjuk állandó értéken egy-egy kimeneti áramkarak-terisztika esetében. Ezt a bemeneten feszültség-generátor jellegű teleppel (feszültséggenerátor = nagyon kicsi belsőellenállás) tudjuk biztosítani (ld. TZ19.ábra). Az így kapott kimenőáram karakterisztikasereg esetében az áramvezérléstől való lényeges különbség jól megfigyelhető, (lineáris összefüggés helyett exponenciális, ld. TZ20.ábra).
Ha feszültséget akarunk erősíteni a tranzisztorral, (azaz a be- és a kimenőjel is feszültség), a kimenőáramot át kell vezetnünk egy ú.n. munkaellenálláson, és erről vesszük le a kimenőfeszültséget. Kis jelek erősítésénél biztosítanunk kell a tranzisztor megfelelő kinyítását. A karakterisztika olyan szakaszára kell a bemenőjelet vezetni, ahol az jó közelítéssel egyenes. Ekkor lesz a bemenő feszültség és áram közötti kapcsolat lineáris, következésképpen azonos alakú a két jel.
Egy jel erősítésének egyik alapvető kritériuma, hogy az eredeti jelhez képest a kimenőjel alakja (jellege) ne változzon meg.
Vizsgáljunk egy közös emitteres erősítőkapcsolást.
Ahhoz, hogy alakhű erősítést kapjunk, állítsuk be (nyissuk ki) úgy a tranzisztort, hogy eleget tegyen a lineáris átvitelnek!
A jelleggörbének azt a pontját, ahol zérus vezérlőjel esetén van a tranzisztor, munkapontnak nevezzük. M (IB0 ; UB0) ld. TZ21.ábra. A munkapont megfelelően kis környezetében a feszültség-áram kapcsolat lineárisnak tekinthető:
uBE = rBE iB
(rBE - az iB(uBE) függvény differenciálhányadosa - állandónak vehető, mert a karakterisztika ebben a pontban közel lineáris).
Ezeket a feltételeket teljesítő kapcsolást láthatunk a TZ22.ábrán. Az R1-R2 ellenállásból álló osztó biztosítja az UB0 megfelelő értékét (természetesen a bázisáram hatását is figyelembe kell venni, ill. ha az osztó árama megfelelően nagy, a bázisáram elhanyagolható).
Az RC -n átfolyó áram:
IC0 = B IB0 ( B a nagyjelű áramerősítési tényező).
A kollektor feszültsége és az áram közötti kapcsolatot az
egyenlet adja (A kollektor feszültsége az RC -n eső feszültséggel kisebb, mint a telepfeszültség)
Ez az egyenlet az ú.n. munkaegyenest határozza meg. Ennek az IC0-hoz tartozó értéke a munkapont, amely így a kimeneti karakterisztikán is megjelenik. (ld. TZ23.ábra)
Vizsgáljuk meg a kapcsolás erősítését! Adjunk a bázisra szinuszos váltófeszültséget ( ube ) és kövessük végig a karakterisztikák segítségével a jel útját! A munkaponti feszültségre szuperponálódó bemenőjel kismértékben változtatja - a munkaponti értékhez képest - a bázisfeszültséget és ennek megfelelően a bázisáramot. A köztük lévő függvény-kapcsolat lineáris. Az arányossági tényező a differenciális bemenőellenállás: ube = rbe iB . Az iB(t) is színuszfüggvény lesz. Ennek a -szorosa a kollektoráram: iC = iB . A kollektor feszültségét a munkaegyenes egyenletéből kaphatjuk. Mivel a telepfeszültség állandó, a kollektoron megjelenő váltófeszültség: uC = - iC RC = uki . Az összefüggések alapján megkaphatjuk a feszültségerősítést:
Mivel a tranzisztort leíró egyenletek hibrid paraméteres megadása esetén ( ld. Modellek )
rbe = h11 és = h21 szokásos még az
alakban való megadása is. A negatív előjel a be - és kimenőjel ellenkező fázisára ( 180o-os fázistolás ) utal. A közös emitteres feszültségerősítő ugyanis fázist fordít. Mivel rbe és Rc azonos nagyságrendbe esnek, az erősítés közelítőleg -szoros. ( Emlékeztetünk rá, hogy szokásos értéke 100-400 körüli ) A fokozat feszültségerősítése tehát nagy. Ezek a számítások azonban a terheletlen kimenetre vonatkoznak. Ha a kimenetet terheljük (pl. a következő fokozat bemenőellenállásával), az erősítés csökken, leosztódik a kimenőellenállás ( Rc ) és a terhelőellenállás arányában. A kimenőáram is megoszlik a két ellenállás (Rc és a terhelés) között Kirchhof törvénye alapján, így az áramerősítés (amely terheletlen állapotban -szoros) lecsökken. A teljesítményerősítés - amely a feszültség- és áramerősítés szorzata - 2 nagyságrendű lesz (terheletlen esetben).
Komplementer tranzisztorok
(Ellenütemű erősítők)
Az emitterkövető (közös kollektoros erősítőfokozat) előnyös tulajdonságai közé tartozik, hogy a kimenőellenállása nagyon kicsi, emiatt elsősorban teljesítményerősítőként használják. Hátránya, hogy aránylag nagy munkaponti áramot igényel, főleg kis emitterellenállás esetén. Lényegesen jobb hatásfok és nagyobb kimenőteljesítmény kapható (kis munkaponti áramnál is), ha emitterellenállás helyett egy másik emitterkövetőt használunk. Erre nagyon jó lehetőség adódik komplementer (pnp és npn) tranzisztorok együttes alkalmazásával.
A TZ24.ábrán látható két szembekapcsolt komplementer tranzisztorral megvalósított emitterkövető esetében az egyik félperiódusban az egyik, a másik félperiódusban a másik tranzisztor vezet. A kapcsolás kimenőjele azonban - főleg kis jelek esetében - nagymértékben torzul, hiszen addig egyik tranzisztoron sem folyik áram, amíg a vezérlőjel el nem éri az EB dióda nyitófeszültségét. Így tulajdonképpen a kimenőjel a bemenetre adott jel 0.6 V feletti része lesz - amint a TZ25.ábrán látható - persze ekkor már az emitterkövetők esetében megszokott egységnyi erősítéssel.
Ha a két tranzisztor munkapontját megfelelően állítjuk be, tehát biztosítjuk az EB dióda nyitófeszültségét nyugalmi állapotban (vezérlés nélkül), a két bemenő-karakterisztika közti záró tartomány eltüntethető. (TZ26.ábra) Erre szolgáló nagyon egyszerű módszert mutatunk be a TZ27.ábrán látható kapcsolásnál, ahol nyitóirányban előfeszített diódákkal állítjuk elő a bázis-emitter között szükséges nyitófeszültséget. További előnye a megoldásnak, hogy a két dióda a munkapontot hőmérsékletváltozással szemben stabilizálja. A megfelelően kinyított tranzisztorpárral már kis jelek esetén is torzításmentes átvitelt kaphatunk. (TZ28.ábra)
Ma már szinte minden teljesítményerősítő fokozat végén ehhez hasonló megoldást találun
Darlington tranzisztor
Előfordulhat - főleg nagyáramú teljesítményfokozatoknál - hogy a végtranzisztor áramerősítése kicsi a szükséges kimenőáram biztosításához. Ebben az esetben használható az ú.n. darlington kapcsolás, ahol egy emitterkövetőt kapcsolunk a nagyáramú tranzisztor bázisköréhez, így ennek bázisáramát az elékapcsolt tranzisztor emitterárama adja. (ld. TZ29.ábra)
Könnyen belátható, hogy a két tranzisztorbol így előálló eszköz úgy viselkedik, mint egy olyan tranzisztor, amelynek áramerősítési tényezője a két tranzisztor áramerősítésének szorzata.
A kimenő emitteráram ugyanis:
IE2 2 IB2 és IB2 = IE1 1 IB1
azaz IE2 1 2IB1 = D IB1
Egyetlen hátránya a kapcsolásnak, hogy két EB diódányi nyitófeszültséget igényel.
Komplementer tranzisztorokkal megvalósíthatunk olyan - a TZ30.ábrán látható - darlington kapcsolást, ahol csak egy dióda nyitófeszültségét kell biztosítanunk, de az eredő áramerősítés a két áramerősítési tényező szorzata lesz
. Feltünő, hogy a második tranzisztor emittere a darlington kollektoraként működik. Nagyáramú alkalmazásokhoz közös tokba helyezve (sőt egyetlen lapkán kialakítva) gyártanak darlington tranzisztorokat, éppúgy három (E, B, C) kivezetése van, és csak az áramerősítésükből derül ki, hogy nem egyszerű tranzisztorról van szó.
Térvezérlésű tranzisztorok
Vegyünk egy p típusú félvezető kristályt, és alakítsunk ki benne egy n szennyezettségű szigetet, (ld. TZ31.ábra), majd a két végére helyezzünk egy-egy elektródát, a forrást (Source) - ahonnan a töltéshordozók kiindulnak, és a nyelőt (Drain) - ahová megérkeznek. Ha feszültséget kapcsolunk a két elektróda közé, a többségi töltéshordozó elektronok árama megindul, és az elektronok koncentrációjának megfelelő kristályellenállás határozza meg a feszültség-áram kapcsolatot Ohm törvénye alapján. Természetesen csak addig áll fenn a lineáris összefüggés, míg az áram a töltéshordozók (szennyezettségtől függő) véges száma miatt telítésbe nem kerül, ekkor az áram állandó lesz, független a külső feszültségtől. A vezetésben szerepet játszó n típusú félvezető szigetet csatornának nevezzük. Helyezzünk el a csatornára az S és D elektródák közé egy vékony szigetelő réteget és erre párologtassunk egy fémréteget. (Szigetelőt célszerűen a felső Si réteg oxidációjával alakíthatunk ki, a szilíciumoxid ugyanis üveg jellegű anyag). Így tulajdonképpen egy kondenzátort alakítottunk ki, amelynek egyik lemeze a szigetelöre kialakítot fémréteg, másnéven a kapuelektróda (Gate), míg a másik fegyverzet a félvezető (pl. a source). Az így kapott eszközt térvezérlésű tranzisztornak (Field Effect Transistor) röviden FET-nek nevezzük. Mivel a rétegek sorrendje: fém (Metal) - szigetelő (Si Oxid) - félvezető (Semiconductor), az ilyen szigetelt vezérlőelektródás térvezérlésű tranzisztort MOS FET-ként is emlegetik. (A csatorna szennyezettsége alapján n vagy p csatornás lehet).
Kapcsoljunk a kondenzátorunkra feszültséget (a G feszültsége legyen a negatív). A kialakuló elektromos tér hatására az elektronok a kristály belseje felé húzódnak, a csatorna felső (G felőli része) kiürül, a vezetésben részt vevő keresztmetszete csökken, ellenállása nő. A külső potenciál növelésével akár az összes elektront kiüríthetjük a csatornából és az végtelen ellenállásúvá válik. (Kiürítéses MOS FET-nek is nevezzük emiatt ezt az eszközt). Láthatjuk, hogy ezáltal egy feszültséggel vezérelhető ellenállást kaptunk. A kapufeszültség határozza meg a csatornában lévő töltéshordozók számát és így a telítési áram értékét is. Ha különböző kapufeszültségek esetén megmérjük a csatornán átfolyó áramot (ID)a csatorna feszültségének függvényében (UDS), a TZ32.ábrán látható karakterisztikasereget kapjuk. A karakterisztika elején az ú.n. ellenállásos szakaszt találjuk, amely a telítési szakaszban folytatódik.
Végigkövethetjük a csatorna kiürülését is, ha állandó csatornafeszültség mellett (UDS=áll. = 3V) a kapufeszültség (UGS)csökkentésével felvesszük a csatornaáram - kapufeszültség ID = f(UGS) függvényt. (TZ33.ábra) A karakterisztika alsó szakasza négyzetes, majd közel lineáris a függvény, meredeksége (g = dID / dUG, UD = állandó) a FET-re jellemző paraméterek közül talán a legfontosabb.
A kapuelektródát nem csak oxidréteggel szigetelhetjük el a csatornától, hanem egy p-n átmenettel is, ha azt záróirányba feszítjük elő. Ezt záróréteges térvezérlésű tranzisztornak (Junction Field Effect Transistor = JFET-nek) nevezzük.
Szüntessük meg a csatorna kapuelektróda alatti részét, és csak a két végét - at S és D elektródák alatt hagyjuk meg. (TZ34.ábra) Ilyenkor nulla kapufeszültség esetén nem folyik áram a source és a drain elekrtódák között (ellentétben a kiürítéses FET-tel, ahol ilyenkor már elég nagy áram folyik), hiszen záróirányú p-n átmenet van köztük. Ha azonban a gate-re pozitív feszültséget kapcsolunk, az elektromos tér hatására az elektronok koncentrációja a kapuelektróda alatt megnövekszik, kiépül a csatorna, és megindul az áram.(ld. TZ35.ábra) Az ilyen felépítésű térvezérlésű tranzisztort növekményes MOS FET-nek nevezzük.
Feladatok:
1. Számítsa ki RC , RE , R1 , R2 értékét!
( b = 100, UE = 0,9 V, UC = 8.2 V, IC = 12 mA, és teljesülnie kell az R1 x R2 = 1,5 kohm feltételnek)
2. Számítsa ki a tranzisztor által megvalósított "dióda" nyitófeszültségét és soros ellenállását, ha b = 100, R1 = 1 kohm, R2 = 2 kohm, és ID = 5 mA!