Áramgenerátorok

Egyszerű áramgenerátorok

Egyszerű áramgenerátor kapcsolása látható az alábbi ábrán. Az áramgenerátor kimenete a kollektor, az R_L terhelés erre van kötve. A kapcsolás ennek értékétől függetlenül biztosít állandó kollektoráramot, amíg az aktív mód feltételei teljesülnek.

A működést viszonylag egyszerű megérteni. A bázis közel állandó potenciálon van, amit az R₁ és R₂ ellenállásokból álltó feszültségosztó határoz meg. Célszerű úgy megválasztani az ellenállásértékeket, hogy a bázisáram ne befolyásolja számottevően az osztási arányt. Ebből következően az emitterfeszültség sem változik, mivel a bázis-emitter feszültség közel ≈0.7 V. Az emitteráram ennek megfelelően szintén állandó és ezzel a kollektoráram is az. Az alábbi összefüggések érvényesek tehát:

Végül a kimeneti áram (ami a kollektoráram)

Ideális áramgenerátorok kimeneti ellenállása végtelen nagy, azaz áramuk független attól, mekkora a kimeneti feszültség értéke. Fontos tehát ismerni, hogy az áramgenerátor-kapcsolás mekkora kimeneti ellenállással rendelkezik.

Tételezzük fel, hogy a kimeneti feszültséget (azaz a kollektorfeszültséget) megváltoztatjuk. Ha kiszámítjuk, mennyit változik ennek hatására a kimeneti áram (azaz a kollektoráram), akkor megkaphatjuk a kimeneti ellenállást is. Mivel a bázis gyakorlatilag állandó potenciálon van, így

tehát

Használjuk azt is ki, hogy

Ezek felhasználásával

Ezeket helyettesítsük be a kollektoráram kifejezésébe, így kapjuk:

Fejezzük ebből ki a kimeneti ellenállást, ami tehát a kollektorfeszültség és kollektoráram hányadosa:

Megállapíthatjuk, hogy ha az emitter földelt, azaz R_E = 0 Ω, akkor a legkisebb a kimeneti ellenállás, megegyezik r_CE-vel. A kimeneti ellenállás R_E növelésével növelhető, de csak akkor, ha a kimeneti áramot nem csökkentjük, mert különben g_m arányosan csökken. Növekvő R_E esetén azonos kimeneti áramhoz növelt bázisfeszültség is szükséges. Állandó bázisfeszültség esetén R_E növelése nem befolyásolja számottevően a kimeneti ellenállás értékét, mert ekkor g_m arányos 1/R_E-vel.

Az áram beállítását feszültségosztó helyett Zener-diódával is elvégezhetjük.

Ekkor a kollektoráram a dióda Zener-feszültségével az alábbi módon adható meg:

Áramtükör

A fenti áramgenerátorok többféle módon javíthatók. Néhány lehetőséget mutatnak be az alábbiak.

Egyszerű áramtükör

Az egyik probléma az, hogy a bázis-emitter dióda nyitófeszültsége hőmérsékletfüggő -2 mV/K hőmérsékleti tényezővel. Például 10ºC hőmérsékletnövekedés során V_BE 20 mV-tal csökken, az emitter feszültsége tehát ennyivel növekszik, ami a kimenő áramot is megnöveli. Ezt úgy csökkenthetjük, hogy egy diódát kötünk a feszültségosztóba, aminek nyitófeszültsége V_BE-hez közeli, és a hőmérséklete a tranzisztoréval közelítőleg megegyezik.

Ezzel elérhetjük, hogy a feszültségosztó árama arányos a kimeneti árammal, eltűnik az összefüggésekből a 0.7 V-os nyitófeszültség, az R₂ és R_E ellenállásokon ugyanakkora feszültség esik. Így a kimenő áram

Az áramgenerátor árama tehát jó közelítéssel arányos az osztóban folyó referenciaárammal, ezért a kapcsolást áramtükörnek nevezik.

Diódakapcsolt tranzisztorral felépített áramtükör

A diódás áramtükör hátránya, hogy a dióda nyitófeszültsége nem pontosan egyezik a tranzisztor bázis-emitter diódáéval. Lényegesen jobb megoldás a kollektor és bázis összekötésével diódaként kapcsolt tranzisztort használni az alábbinak megfelelően:

Egy integrált áramkörön belül nagy pontossággal egyeznek meg a tranzisztorok paraméterei, a hőmérsékletük is jó közelítéssel egyforma. Ez biztosítja, hogy T1 és T2 bázis- és kollektorárama is megegyezik. R₁ árama viszont elágazik, így a R_L terhelésen folyó kimeneti áram 2⋅I_B-vel kisebb ennél.

Nagy pontossággal egyező paraméterű tranzisztorokat integrálnak egy tokba is matched transistors megnevezéssel. Példa ilyenre a BCM847BS és a MAT14.

Widlar áramtükör

A Widlar áramtükörnél a T2 tranzisztor emitterkörében egy ellenállás van, ami miatt a bázis-emitter feszültsége kisebb, mint T1 esetén, jelentősen kisebb így a bázisárama és a kollektorárama is. Emiatt kis értékű ellenállásokkal is lehetséges kis értékű áramot előállítani. Azt is láttuk, hogy az áramgenerátor kimeneti ellenállása nő, ha az emitterkörben ellenállás van.

A bázisok azonos feszültségen vannak, de a bázis-emitter feszültségek különböznek:

Ebből T2 emitterárama a következő:

A bázis-emitter feszültségeket fejezzük ki a kollektoráramokkal:

Végül a következőt kapjuk:

Az egyenlet felhasználható méretezési alkalmazásra adott feltételek mellett.

A Widlar áramgenerátor legismertebb alkalmazása a klasszikus 741-es műveleti erősítő egyik áramgenerátorának megvalósítása.

Wilson áramtükör

Az alábbi áramtükör ötletesen oldja meg, hogy a két ágban gyakorlatilag azonos áram folyjon.

A tranzisztorok nagy pontossággal azonos tulajdonságúak, így T1 és T2 I_B bázis- és I_C kollektoráramai azonosak. T3 bázisárama I₂/B, emitterárama ennek (B+1)-szerese. Ez az emitteráram viszont megegyezik T2 kollektoráramának és T1 és T2 bázisáramainak az összegével:

I_C tehát

I₁ viszont I_C és I_B3 összege, így I₂-vel kifejezve:

Végül:

Mivel B ≫ 1, az utolsó tag együtthatója nagyon kicsi, így a két áram nagy pontossággal egyezik.

Az áramkört elterjedten használják analóg integrált áramkörökben, műveleti erősítőkben.

Javított Wilson áramtükör

A javított Wilson áramtükörben egy negyedik tranzisztor látható:

Ebben az esetben is igaz, hogy

mert T4 kollektoráramának és bázisrámaának összege I_C-vel egyezik meg, és épp ennyivel kisebb I_B3 I₁-nél. Ennek megfelelően ugyanakkora I₁/I₂ értéke, mint az előbbi esetben:

Ennek a megoldásnak az előnye az, hogy T1 és T2 kollektora közel azonos potenciálon van, mindkettő egy bázis-emitter nyitófeszültséggel kisebb T3 és T4 bázisfeszültségénél. Ennek megfelelően T1 és T2 működési körülményei még pontosabban azonosak, még kevésbé számít a kollektoráram függése a kollektor-emitter feszültségtől.

FET áramgenerátorok

Egyszerű áramgenerátorok

Egyszerű áramgenerátor kapcsolása látható az alábbi ábrán. Az áramgenerátor kimenete a drain, az R_L terhelés erre van kötve. A kapcsolás ennek értékétől függetlenül biztosít állandó draináramot, amíg az aktív mód feltételei teljesülnek.

A működést viszonylag egyszerű megérteni. A gate állandó potenciálon van, amit az R₁ és R₂ ellenállásokból álló feszültségosztó hoz létre. Ebből következően a V_S source-feszültség is állandó, mert ha csökkenne, akkor az áramnak is csökkennie kellene, azaz a gate-source feszültség nőne, ami viszont az áram növelésének irányába hat. Ugyanolyan negatív áramvisszacsatolásról beszélhetünk tehát, mint a közös drainű áramkör esetében.

A méretezéshez felhasználhatjuk, hogy

Mivel a drain és source áram megegyezik, ezért V_S=I_D⋅R_S és V_GS is kifejeztető a drainárammal, így

A méretezéshez általában először megadjuk a draináramot, ebből kiszámítjuk a gate-source feszültséget, majd meghatározzuk R_S értékét. Ebből adódik a feszültségosztó méretezése is.

A kimeneti ellenállás ugyanúgy kapható meg, mint bipoláris tranzisztor esetén, felhasználhatjuk ugyanazt az összefüggést:

Kiürítéses módú FET-ekkel segédfeszültség nélkül is építhető áramgenerátor:

A beállítani kívánt draináram ismeretében kiszámíthatjuk az ellenállás értékét:

Áramtükör

Növekményes módú MOSFET-ekkel áramtükör építhető fel az alábbi módon:

Egy integrált áramkörön belül nagy pontossággal egyeznek meg a tranzisztorok paraméterei, a hőmérsékletük is egyforma. Mivel T1 és T2 gate-source feszültsége azonos, ez biztosítja, hogy draináramaik is nagy pontossággal megegyeznek. A gate irányába áram nem folyik, így ezzel sem kell számolnunk. T1 esetén a drain-source feszültség megegyezik a gate-source feszültséggel, az áram olyan értékre áll be, ami ennek megfelel, valamennyivel a V_th küszöbfeszültség fölé. Az referenciaáramot R₁ segítségével állíthatjuk be.

Differenciálerősítők

A differenciálerősítők szimmetrikusak, két feszültségbemenettel és két feszültségkimenettel rendelkeznek, egyen- és váltófeszültségekkel is működnek. Bemenő jelnek általában a két bemeneti feszültség különbségét tekintjük, kimenő jelnek pedig a kimeneti feszültségek különbségét vagy az egyik ág kimeneti feszültségét. A differenciálerősítők alapvető részei számos áramkörnek, a műveleti erősítők bemeneti fokozata is differenciálerősítő.

Az alábbi ábra mutatja a differenciálerősítő alapáramkörét.

Ha a bemenetek azonos potenciálon vannak, azaz V_in1 = V_in2, akkor mindkét ág egyformán viselkedik. Feltételezzük, hogy a bázisáram elhanyagolgatóan kicsi a kollektoráramhoz képest (B≫1), így

Ha V_in1 ≠ V_in2, akkor a kollektoráramok is különbözőek, de összegük továbbra is I₀, így I₀/2-től vett eltéréseik össze nulla, amennyivel növekszik az egyik, annyival csökken a másik:

Célszerű a bemeneti feszültségeket is felbontani egy közös részre és az attól mért eltérésre:

V_cm az úgynevezett közös módusú jel, amely komponens mindkét jelnek része. Ezzel írhatjuk:

Kisjelű leírás

A kisjelű differenciális erősítés azt adja meg, hogy V_d kis változásához a kimeneti feszültségek mekkora változása tartozik. Tegyük fel, hogy V_d≠0 V. T1 és T2 bázis-emitter feszültségeinek a megváltozása a kiegyenlített esethez képest V_d/2, az egyik ennyivel nő, a másik ennyivel csökken. A szimmetria miatt a kapcsolás egyes ágai közös emitteres erősítőnek megfelelően működnek. Az közös emitteres kapcsolás kisjelű erősítése -g_m⋅(R_C∥r_CE), így a V_d-re vonatkoztatott erősítés ennek a fele:

A differenciális erősítés értéke így

A kimeneti feszültségek különbségének megváltozása természetesen kétszer akkora, mint az egyes kimeneti feszültségek változása, így az erre vonatkoztatott erősítés A_d kétszerese.

Ideális differenciálerősítő esetén a kimeneti jelnek csak a bemeneti feszültségek különbségétől szabad függenie, azaz V_cm erősítésének nullának kell lennie. Valós esetekben ettől eltérést tapasztalunk. Tegyük fel, hogy V_d = 0 V, csak V_cm hatását vizsgáljuk. Ekkor T1 és T2 emitterei és bázisai is azonos potenciálon vannak, a két ágban folyó kollektor és emitteráramok is azonosak. Ha az áramgenerátor belső ellenállása végtelen nagy lenne, akkor az áramok értékei nem függenének V_cm értékétől, tehát a közös módusú erősítés nulla lenne. Ezt az alábbi kapcsolás teheti érthetővé:

Ideális áramgenerátort feltételezve az emitteráram megegyezik I_g-vel, így a kollektortáram β/(1+β)⋅I_g, amivel a kimeneti feszültség:

A kimeneti feszültség tehát ekkor nem függ a bázison levő bemeneti feszültségtől, az emitterfeszültségtől sem.

Ha az áramgenerátor R_g belső ellenállása véges, akkor ez az ellenállás a két közös emitteres erősítő ág közös emitterellenállásaként jelenik meg. Mivel a két erősítőág osztozik ezen az ellenálláson (úgy is vehetjük, hogy egy-egy 2⋅R_g ellenállás van az egyes emitterkörökben), így az erősítés a kollektor és emitterköri ellenállások hányadosának a fele. A közös módusú jelre így az egyes ágak áramvisszacsatolt közös emitteres erősítőként viselkednek, az erősítés képletét felhasználva kapjuk:

A differenciálerősítők fontos jellemzője az úgynevezett közös módusú elnyomási arány (common mode rejection ratio, CMRR), ami a differenciális és közös módusú erősítés aránya. A tárgyalt kapcsolás esetén ennek értéke:

A közelítéshez feltételeztük, hogy R_C≪r_CE és 2⋅R_g≫1/g_m.

A közös módusú elnyomás egy számérték, melyet leggyakrabban dB egységekben adnak meg. Jegyezzük meg, hogy a fentieknél feltételeztük, hogy a tranzisztorok egyformák, ami a valóságban nem egészen teljesül, így az erősítés és CMRR értékek sem pontosan egyeznek meg a számítottal. Integrált áramkörökben 100 dB feletti CMRR értékek érhetők el.

Nagyjelű leírás

Érdemes a nagyjelű viselkedést is megvizsgálni, ami fontos ahhoz is, hogy láthassuk a használható jeltartományt. A kollektoráramokra felírhatjuk:

V_BE1 és V_BE2 különbsége V_d, így a kollektoráramok hányadosa:

Összegük a kis bázisáramok miatt közel I₀, így I_C2 = I₀-I_C1. Ennek felhasználásával

Végül fejezzük ki I_C1 és I₀ arányát:

Az alábbi grafikonnal szokás szemléltetni az átviteli karakterisztikát:

A piros szín I_C1/I₀-t, a kék I_C2/I₀-t mutatja.

Belső negatív visszacsatolás

Az átviteli karakterisztika viszonylag szűk tartományban tekinthető lineárisnak, a V_d<V_T feltételnek elég egyértelműen teljesülnie kell. A tartomány növelhető áramvisszacsatolással, ahogy a közös emitteres erősítő esetén is. Erre megoldásokat az alábbi két kapcsolás mutat:

Hasonlóan számítható ki a kisjelű erősítés is. A v_d kisjelű komponenssel közel azonos a T1 és T2 emitterei közti feszültségkülönbség, feltéve, hogy a bázis-emitter feszültség változása ennél jóval kisebb (ennek feltétele r_BE≪(β+1)⋅2⋅R_E). Az emitter (és ezzel a kollektoráramok) változása v_d/(2⋅R_E), az erősítés végül

Pontosabb értéket kapunk, ha figyelembe vesszük a bázis-emitter feszültségek változásait is:

Az alábbi grafikon szemlélteti R_E hatását. Ha R_E>0 Ω, akkor T1 és T2 bázis-emitter feszültségváltozása kisebb, mint V_d, a feszültségváltozás egy része az emitterköri ellenállásokon esik.

Bemeneti és kimeneti tulajdonságok

A differenciálerősítő bemenete a következő helyettesítő képpel jellemezhető:

Az áramgenerátorok a bemeneti munkaponti áramot reprezentálják, egyszerűbb elnevezéssel ezek a bemenő áramok. Mivel a kollektoráramok összege gyakorlatilag I₀, egymástól csak kicsit különböznek a lineáris tartományban, így a bemeneti áramok értéke közelítőleg

A valóságos tranzisztorok nem teljesen egyformák, így ezek az áramok sem azok, a különbségüket offszetáramnak nevezik.

A közös módusú bemeneti ellenállások (r_b1 és r_b2) nagysága az áramvisszacsatolt közös emitteres kapcsoláshoz hasonlóan számíthatók ki. Esetünkben az emitterköri ellenállás az egyes ágakra vonatkozóan az áramgenerátor R_g belső ellenállásának kétszerese, ez a bázis felől (β+1)-szeresnek látszik, így:

Ha az emittereket áramvisszacsatoló R_E ellenállások kötik össze, akkor R_g/2-höz R_E-t hozzá kell adni.

Ha csak differenciális a vezérlés (V_CM állandó), akkor az emitterek állandó feszültségen vannak, a vezérlő feszültség két részre oszlik, így az r_d differenciális bementi ellenállásra ezt kapjuk:

Emitterköri áramvisszacsatoló R_E ellenállások használata esetén:

Az egyes ágak kimeneti ellenállása megegyezik a közös emitteres kapcsoláshoz tartozó kimeneti ellenállással, értéke

Megjegyzések

A differenciálerősítő fontos komponense a műveleti erősítőknek, így nagyon gyakori az analóg elektronikában. Érdemes néhány tényre felhívni a figyelmet a megfelelően alkalmazás érdekében.

FET differenciálerősítők

Térvezérlésű tranzisztorokkal nagy bemeneti ellenállású differenciálerősítők építhetők fel. Az elrendezés ugyanolyan, mint bipoláris tranzisztorok esetén, a kisjelű leírás összefüggései is átvehetők. Az alábbi ábra mutatja a FET-ekkel felépített differenciálerősítő alapáramkörét.

A differenciális erősítés értéke

A közös módusú erősítés (R_g az áramgenerátor belső ellenállása)

Ezek felhasználásával adódik a közös módusú elnyomás:

A kimeneti ellenállást az alábbi formulával adhatjuk meg:

A nagyjelű viselkedés eltér a bipoláris tranzisztorokkal felépített differenciálerősítőétől. A gate-ek közötti feszültségkülönbség:

Az ágáramok összege I₀:

A térvezérlésű tranzisztorok nagyjelű viselkedését leíró egyenlet:

Más formában:

Ezzel:

Kiemelve \( \sqrt{ \frac {I_0}{I_{DSS}}} \)-t:

Láthatjuk, hogy I₀ és I_DSS arányától függ az, hogy a differenciális bemeneti feszültség milyen tartományú változása tartozik a kihasználható áramtartományhoz. Minél kisebb az áramgenerátor I₀ árama, annál kisebb a bemeneti feszültségváltozás tartománya. Az alábbi grafikon szemlélteti I₀ hatását. A piros szín I_D1/I₀-t, a kék I_D2/I₀-t mutatja.

Szélessávú kapcsolások

A tranzisztorok működésének frekvenciatartományi elemzése segítségével adhatók meg olyan kapcsolások, melyek nagy sávszélességgel képesek működni, a lehető legjobban kihasználják a tranzisztorok nagyfrekvenciás tulajdonságait.

A tranzisztorok frekvenciatartományi leírása

A tranzisztorok áramerősítési tényezője frekvenciafüggő, és parazita kapacitások is vannak a kivezetései között, amelyek külső ellenállásokkal együtt aluláteresztő szűrőket formálnak. Különböző kapcsolások esetén más és más hatással kell számolni.

Az áramerősítési tényező frekvenciafüggését az alábbi módon írhatjuk le:

A sávszélesség f_p, ez az átviteli karakterisztika töréspontja, ahol 3dB-nyit esik az erősítés. A tranzisztorok adatlapjában az f_T tranzitfrekvenciát adják meg, ami az a frekvencia, ahol az áramerősítési tényező értéke 1-re csökken, így:

Ennek alapján f_T-t erősítés sávszélesség szorzatnak is nevezik.

A hibrid-π modell (Giacoletto-modell) használható a frekvenciatartományi leírás megadására különböző kapcsolások esetén. Az alábbi helyettesítő kapcsolás a közös emitteres kapcsoláshoz tartozik:

Áramgenerátoros bemeneti jelforrás esetén az i_B bázisáram szabja meg a kollektoráramot, így a frekvenciafüggést β(f) határozza meg:

Ha a bázist feszültséggenerátorról hajtjuk meg, akkor a jel az r_BB' és r_B'E feszültségosztón jut a C_E kondenzátorra (C_C és r_B'C hatását elhanyagolhatónak véve). A bázis rétegellenállása jóval kisebb r_B'E-nél, így a feszültségosztó ekvivalens Thevenin-ellenállása:

Ezzel a sávszélesség

Ez határozza meg a meredekség frekvenciafüggését, azaz

A meredekség sávszélessége jóval nagyobb, mint az áramerősítési tényezőé.

Földelt bázisú kapcsolásnál is ezt az eredményt kapjuk, mivel ugyanazon két kivezetés közé kapcsoljuk a jelet.

Az emitterkövető kapcsolásnál az emitter árama közel azonos a kollektorárammal, amíg β(f)≫1. Jelentősen csökkenni tehát akkor fog, amikor az f_T tranzitfrekvenciát elérjük, így a sávszélessége közel f_T. Terhelés hatására a sávszélesség csökken.

A közös emitteres kapcsolás modellje

A közös emitteres kapcsolásnál a szórt kapacitások hatása számottevő lehet, mivel a forrásellenállásokkal együtt aluláteresztő szűrőket hoznak létre.

R_s aluláteresztőt szűrőt képez a C₁,C₂ és C₃ kondenzátorokkal, R_C pedig a C₃ és C₄ kapacitásokkal.

Miller-effektus

A bemeneti oldal felől a kapacitások eredője C₁+C₂+(1+A)⋅C₃, ahol A a bázisfeszültség erősítésének abszolút értéke. Ez utóbbi a Miller-effektus, ami alapján a kapacitás megszorozva jelenik meg a bemeneti oldalon. Ennek az oka az, hogy a kapacitáson a bemeneti feszültség (1+A)-szorosa jelenik meg. Tegyük fel, hogy egy impedancia egyik oldalán levő feszültség -A-szorosa jelenik meg a másik végén, azaz V_out=-A⋅V_in:

Az áramot egyszerűen megkaphatjuk az egyik feszültség felhasználásával:

Ennek alapján meghatározhatjuk, mekkora a Z_in látszólagos impedancia terheli a bemeneti oldali jelforrást:

Mivel a kondenzátor impedanciája fordítottan arányos a kapacitással, így a hatás a kapacitás megnövelésével ekvivalens. Emiatt közös emitteres kapcsolások esetén nagyobb erősítések mellett a sávszélesség jelentősen lecsökkenhet.

Kaszkód kapcsolás

Kaszkód kapcsolásoknál tranzisztorok sorosan kapcsolódnak, a fő cél a nagy sávszélesség elérése. Egy egyszerű példát mutat erre az alábbi áramkör:

A működés megértését jól segíti a tranzisztorok kisjelű modelljeinek alkalmazása. A Q1 tranzisztort T-modellel, Q2-t a szokásos hibrid-π modellel helyettesítve, a V₊, V_- és V₀ DC feszültségeket AC szempontból 0 V-nak választva az alábbi áramkört kapjuk:

A két tranzisztor paramétereit (r_BE, r_E, β g_m) azonosnak tekintjuk. Q2 közös emitteres kapcsolású, Q1 pedig Q2 kollektoráramával vezérelt közös bázisú módban működik, mivel a V₀ segédfeszültség állandó.

Q1 emitteroldali ellenállása

Ez az ellenállás Q2 kollektorköri ellenállása egyben a közös emitteres kapcsolást formálva. A Q2 tranzisztoros bemeneti fokozat feszültségerősítése ezért egységnyi

Az egységnyi erősítés miatt a Miller-effektus nem korlátozza a sávszélességet.

A Q1 tranzisztoros közös bázisú kapcsolás erősítése

így végül az eredő erősítés

Ez éppen annyi, mint a közös emitteres kapcsolásé.

Szélessávú differenciálerősítők

Differenciálerősítő szélessávú fokozatként

A fentebbi kaszkód kapcsolásnál közös emitteres fokozat hajtja meg a kis bemeneti ellenállású közös bázisú erősítőt. Ilyen célra használható emitterkövető fokozat is, amivel differenciálerősítőként épül fel a kapcsolás, ahogy az alábbi ábra mutatja.

A két tranzisztor munkaponti kollektorárama közelítőleg azonos, így a meredekségeik is azonosak. Az emitterkövető kimeneti ellenállása ezért megegyezik a közös bázisú fokozat bementi ellenállásával, az emittereken a V_in bementi feszültség fele jelenik meg. Az erősítés ezért

A kimeneti ellenállás közelítőleg R_C-vel egyezik meg.

Kaszkód differenciálerősítő

Differenciálerősítő-fokozatokat is felépíthetünk kaszkód elrendezésben. A cél most is az, hogy elkerüljük a Miller-hatást, ami jelentősen lecsökkenti a sávszélességet, ezért a T1,T3 és T2,T4 tranzisztorokat kaszkód elrendezésben használjuk.

Az emitterköri ellenállások negatív áramvisszacsatolást valósítanak meg, ezzel lényegében redukáljuk a bemeneti jelre jutó meredekséget, T1 és T2 kollektorárama kisebb mértékben változik a bázisfeszültség hatására:

Ezzel egyben a sávszélesség is nő. Ezt úgy láthatjuk be, hogy a redukált meredekséget kifejezzük a meredekség frekvenciafüggő képletével:

Szorozzuk meg a számlálót és nevezőt is g_m-mel:

Osszuk el a számlálót és nevezőt is az \( 1 + g_m \cdot R_E \) mennyiséggel:

Ezt a következő alakban írhatjuk fel:

ahol a redukált meredekség határfrekvenciája

és

A negatív visszacsatolás mellett tehát a határfrekvencia is megnő. Ha egy erősítő több fokozatból épül fel, akkor az utolsó fokozat kimenetét visszavezetve a bemeneti fokozatra negatív visszacsatolást hozhatunk létre. Az egyes fokozatok fázistolása viszont összegződik, ezért a negatív visszacsatolás pozitívvá is válhat, az erősítő oszcillálni fog. Ezért a stabilitás érdekében, szélessávú erősítőknél tipikusan az egyes fokozatok már eleve rendelkeznek negatív visszacsatolással, egyúttal beállított - tipikusan kisebb - erősítéssel.

Teljesítmény-fokozatok

A teljesítmény-fokozatok célja a terhelés számára megfelelő teljesítmény biztosítása. Előnyös a nagy bemeneti és kis kimeneti ellenállás, a nagy kimeneti áram, jó linearitás, magas hatásfok.

Emitterkövető - A osztály

A legegyszerűbb teljesítményfokozat az emitterkövető. Az ábrán egy két tápfeszültséget használó elrendezés látható, de találkozhatunk olyan változattal is, ahol V_-=0 V, a terhelésre DC-leválasztó kondenzátoron keresztül is juthat a feszültség.

Ez egy A osztályú erősítő, a tranzisztor folyamatosan vezet, jelentős munkaponti árama van, és a fogyasztóra a tápforrásból felvett teljesítménynek elég kis része jut csak, azaz a hatásfok kicsi.

Az egyszerűség kedvéért tegyük fel, hogy a pozitív és negatív tápfeszültségek nagysága azonos:

A teljesítményviszonyokat elég egyszerű kiszámítani. Az R_L és R_E ellenálláson átfolyó áram

A két ellenállás által felvett teljesítmény a rajtuk eső feszültség és áram szorzata:

A tranzisztor emitterárama a csomóponti törvény alapján I_RL+I_RE, a kollektor-emitter feszültsége pedig V_s-V_out. A tranzisztoron a teljesítmény V_CE⋅I_E formában adható meg (a bázisáram sokkal kisebb, mint az emitteráram), azaz

A tápegységből felvett teljesítmény ennek a három teljesítménynek az összege, amire ezt kapjuk:

Az első tag a nyugalmi teljesítményfelvétel, ami nulla kimenő feszültséghez tartozik. Érdekes eredmény, hogy akkor is ennyi marad a teljesítményfelvétel, ha a kimenő jel szinuszos, mert az egy periódusra vett átlagértéke a második két tagnak nulla marad.

Ha V_out a szinuszos kimenő jel amplitúdója, akkor az R_L ellenállással szimbolizált fogyasztóra jutó átlagteljesítmény

Mivel az emitteren a feszültség nem lehet kisebb, mint -V_s⋅R_L/(R_L+R_E) - ekkor lesz nulla az emitteráram -, a V_out amplitúdó maximuma ennek az abszolútértéke. A fogyasztóra leadható legnagyobb teljesítmény ezért

Az impedanciaillesztés feladata az, hogy úgy válasszuk meg az impedanciák (itt R_L és R_E) értékeit, hogy a fogyasztóra a lehető legnagyobb teljesítmény jusson a tápforrásból, azaz a hatásfok maximális legyen. Ez akkor teljesül a fenti esetben, ha R_L=R_E, amit szélsőértékszámítással (dP_RL,max/dR_L=0) kaphatunk meg. Ekkor

A hatásfok tehát ekkor maximális, értékét úgy kaphatjuk meg, hogy ezt elosztjuk a tápegységből felvett teljesítménnyel, azaz 2⋅V_s²/R_E-vel. A hatásfok végül:

Ellenütemű emitterkövető - B osztály

Az A osztályú emitterkövető az alacsony hatásfok mellett egy további hátránnyal rendelkezik. Ha a kimeneti feszültség egyre negatívabb, a fogyasztó áramának egyre nagyobb része az R_E ellenálláson keresztül folyik, egyre kevesebbet biztosít a tranzisztor. Ez jelentősen korlátozza az elérhető áramtartományt, de aszimmetrikus működést is jelent, pozitív kimeneti feszültségeknél jóval kisebb a kimeneti ellenállása az emitterkövetőnek (nő a kollektoráram és ezzel r_E=1/g_m csökken). Ez torzításhoz is vezet.

Ezeken a problémákon segít az alábbi úgynevezett ellenütemű emitterkövető (más néven komplementer emitterkövető) kapcsolás.

A kétféle tranzisztor szimmetrikus működést és nagy áramot biztosít pozitív és negatív kimeneti feszültségek esetén is. Egyszerre csak egy tranzisztor vezet, a másik teljesen lezár, ez a B osztályú működésnek felel meg. Ha a bemenő jel a tranzisztorok nyitófeszültsége alá esik (kb. -0.7V..0.7V), akkor egyik tranzisztor sem vezet, így a kimeneten 0V-hoz közeli érték jelenik meg. Ezt keresztezési torzításnak (crossover distortion) nevezik, az erősítés ebben a tartományban közel nulla.

Ennél az áramkörnél nincs szükség és mód impedanciaillesztésre, a kimenő teljesítmény fordítottan arányos a terhelő ellenállással. A hatásfok akkor a legnagyobb, amikor a legnagyobb kivezérlést alkalmazzuk, azaz amikor a kimeneti amplitúdót a tápfeszültséggel közel azonosnak vesszük (a kollektor-emitter szaturációs feszültséget a tápfeszültséghez képest elhagyhatónak vesszük).

V_out amplitúdójú szinuszos kimeneti jelre tehát a fogyasztóra jutó teljesítmény

Az egyszerűség kedvéért tegyük most is fel, hogy a pozitív és negatív tápfeszültségek nagysága azonos:

Az egyik félperiódusban csak az egyik tranzisztorra jut teljesítményfelvétel, így először ezt számítjuk ki, majd vesszük ennek kétszeresét. A tranzisztoron a teljesítmény a tranzisztoron eső feszültség és a rajta átfolyó áram szorzata (ami egyben a terhelésen átfolyó áram):

Helyettesítsük be a V_out⋅sin(2π⋅f⋅t) kifejezést, majd integráljunk a periódusidő felére. Ezzel az egyik tranzisztorra jutó teljesítményfelvétel

A maximális kivezérlésnél V_out≈V_s, így a két tranzisztoron ekkor összesen a teljesítményfelvétel:

A terhelésen:

A tápegységből felvett teljesítmény a kettő összege:

A hatásfok:

A számolás egyszerűen módosítható általános esetekre, amikor nem a legnagyobb kivezérlés mellett használjuk az áramkört.

Ellenütemű emitterkövető - AB osztály

Jelentősen lecsökkenthető a keresztezési torzítás úgy, hogy nem engedjük a tranzisztorokat teljesen lezárni akkor sem, ha a bementi feszültség a nyitófeszültség alá esik. Ezt úgy oldjuk meg, hogy a bemeneti feszültséghez segédfeszültségeket adunk - szinteltolást alkalmazunk - és ezt vezetjük a tranzisztorok bázisára. Ennek egyik módja látható az alábbi ábrán:

A diódákon eső feszültségek hozzáadódnak a bemeneti feszültséghez és megakadályozzák a tranzisztorok teljes lezárását. Ez az A és B osztály közötti működés, ezért az AB osztály elnevezést kapta.

Diódák helyett előnyösebb tranzisztorokat emitterkövető kapcsolásban használni a szinteltolások megoldására, ekkor lényegesen nagyobb a bemeneti ellenállás:

Akár diódákat, akár tranzisztorokat használunk, fontos, hogy ezek azonos hőmérsékleten legyenek a végfokozati tranzisztorokkal (nagy teljesítmények esetén azonos hűtőbordán), mert így biztosítható, hogy a hőmérséklet növekedésével járó nyitófeszültség-csökkenés (≈-2mV/K) nem okozza az áram további növekedését, és ezzel túlmelegedést.

Egy további lehetőséget mutat szinteltolásra az alábbi áramkör:

Az R₂ ellenálláson a tranzisztor V_BE bázis-emitter feszültsége esik, és ha a bázisáram jóval kisebb, mint az ellenállásokon átfolyó áram, akkor az R₁ és R₂ ellenállásokon is közel egyforma áram folyik át, így a két végpont közötti feszültség:

Ennek megfelelően alábbi kapcsolásban a T3 tranzisztor biztosítja a két kimeneti tranzisztor bázisai közötti feszültségkülönbséget. Ezzel rugalmasabb a beállítás és ha R₁ NTC termisztor, akkor éppen alkalmas a hőmérsékleti megfutás megakadályozására is.

Áramhatárolás

A teljesítményfokozatok nagy áram leadására képesek, ami túlterhelés esetén akár károsodást is okozhat. Többféle elektronikus áramhatárolási megoldás létezik, egyet mutat be az alábbi ábra:

Ha az áram értéke olyan nagy, hogy az R_E ellenállásokon létrejövő feszültség eléri T3 illetve T4 nyitófeszültségét, akkor ezek a tranzisztorok megakadályozzák a kimeneti tranzisztorok bázis-emitter feszültségének növekedését, és ezzel az emitteráramot korlátozzák.

A T3 és T4 tranzisztorok helyett több sorba kötött diódát is használhatunk (a kollektor-emitter csatlakozási pontok között), de ekkor számítani fog a kimeneti tranzisztorok terhelés- és hőmérsékletfüggő bázis-emitter feszültsége is, így ez kevésbé szerencsés megoldás.