Transcript v I (t)
Curs 08 Amplificatoare de semnal mic cu tranzistoare Partea I – Amplificatoare cu tranzistoare bipolare 1. Amplificatoare de semnal mic cu tranzistoare bipolare • etaj de amplificare în conexiunea EMITOR COMUN • etaj de amplificare în conexiunea COLECTOR COMUN • etaj de amplificare în conexiunea BAZĂ COMUNĂ Pentru toate etajele de amplificare analizate se vor determina următoarele: • ANALIZA CIRCUITULUI ÎN REGIM DE CURENT CONTINUU – ecuaţiile care determină Punctul Static de Funcţionare al tranzistorului. • ANALIZA CIRCUITULUI ÎN REGIM VARIABIL DE SEMNAL MIC în domeniul frecvenţelor medii – rezistenţa de intrare în circuit Ri – rezistenţa de ieşire din circuit Ro – factorul de amplificare ideal în tensiune al amplificatorului izolat şi factorul de amplificare real în tensiune al amplificatorului conectat la circuitele externe – factorul de amplificare ideal în curent al amplificatorului izolat şi factorul de amplificare real în curent al amplificatorului conectat la circuitele externe Etaj de amplificare cu tranzistor bipolar în conexiunea Emitor Comun borne alimentare RB borne intrare RC iI(t) iO(t) borne iesire Q vO(t) vI(t) RE CE 1. Bornele de alimentare: se aplică sursa de tensiune continuă, necesară furnizării energiei electrice circuitului 2. Bornele de intrare: se aplică semnalul de intrare = informaţia 3. Bornele de ieşire: se furnizează semnalul de ieşire = informaţia amplificată Conectarea circuitelor externe la amplificator borne alimentare CG RC iO(t) CL Sursa de tensiune continuă borne iesire iI(t) + RB Q - borne intrare vO(t) Generator semnal vI(t) RE RL CE sarcina VCC 1. Analiza funcţionării amplificatorului în regim de curent continuu. Scop: calcularea PSF-ului tranzistorului şi verificarea regiunii de funcţionare a tranzistorului bipolar; se reaminteşte că într-un circuit de amplificare, un tranzistor bipolar trebuie să funcţioneze în regiunea activă normală (RAN). Determinarea circuitului echivalent în curent continuu RB RC IC I VCC VBE C RE RB CL Sursa de tensiune continuă CG Generator semnal + Q VCE VCE VCC IC RC RE RL 0,5V VCE VCC 1V RE - VCC CE sarcina Determinarea circuitului de polarizare: 1. se elimină (nu se mai desenează) RAMURILE care conţin condensatoare 2. se pasivizează sursele INDEPENDENTE şi VARIABILE (adică, sursele de tensiune se înlocuiesc cu un fir – scurtcircuit aplicat între cele 2 bornele ale sursei, iar sursele de curent se elimină = nu se mai desenează). Analiza funcţionării amplificatorului în regim variabil de semnal mic. Scop: calcularea parametrilor de semnal mic ai amplificatorului, care vor fi utilizaţi pentru modelarea acestuia, în scopul determinării amplificărilor reale, determinate în condiţiile în care amplificatorului i se conectează circuite externe Determinarea circuitului echivalent în regim variabil de semnal mic CG RC iI(t) iO(t) Q rπ CL gmVbe vO(t) Generator semnal vI(t) Vbe RE Sursa de tensiune continuă + RB VCC RL CE sarcina Determinarea circuitului echivalent în regim variabil de semnal mic: 1. condensatoarele de capacităţi mari (mai mari decât aproximativ 1F) se înlocuiesc cu un fir aplicat între armături 2. se pasivizează sursele INDEPENDENTE şi CONTINUE (adică, sursele de tensiune se înlocuiesc cu un fir – scurtcircuit aplicat între cele 2 bornele ale sursei, iar sursele de curent se elimină = nu se mai desenează). 3. tranzistorul se înlocuieşte cu circuitul echivalent de semnal mic, valabil pentru domeniul frecvenţelor medii. Circuitul echivalent al amplificatorului izolat, în regim variabil de semnal mic, în domeniul frecvenţelor medii. gm 40 IC g m mA V r gm r k IC β VCC VBE β RE RB Calculul rezistenţei Ri de intrare a amplificatorului V Ri t It Circuitul de calcul Vt RB r I t RB r Ri r Vt r I t valoare mică/medie = kΩ Calculul rezistenţei Ro de ieşire a amplificatorului V Ro t It Circuitul de calcul Vt RC I t Ro RC valoare medie = kΩ Amplificarea în tensiune ideală AV Vo Vi Circuitul de calcul Vo gm Vbe RC Vi Vbe AV gm RC AV gm RC valoare mare Vo gm RC Vi semnul “-” indică un defazaj de 1800 între vo şi vi volti Vi 0 -Vi 2 vi(t) = tensiune de intrare gmRCVi Defazajul de 180 0 - gmRCVi vo(t) = tensiune de ieşire Amplificarea în curent ideală AI Io Ii Circuitul de calcul Io Ib AI gm r RC gm Vbe gm Vbe RC 0 RB Ii RB r RB r Ii Vbe r Ib Vbe r Ii Vbe RB r valoare mare AI Io Ii semnul “+” indică un defazaj de 00 între io şi ii amperi Ii 0 -Ii 2 ii(t) = curent de intrare βIi io(t) = curent de ieşire 0 Defazajul de 00 - β Ii Amplificarea în tensiune reală – determinată pentru amplificatorul conectat la circuitele externe Amplificarea reala in tensiune Zi Z L AVg AV Z Z Z Z g L o i Amplificarea ideala in tensiune Pierderile de tensiune la intrare Pierderile de AV la iesire tensiune Parametrii amplificatorului izolat Zi Ri r Zo Ro RC AV gm RC Impedanţele circuitelor externe Z g Rg Z L RL rπ RL AVg g m RC Rg rπ RC RL Condiţiile de proiectare care trebuie îndeplinite de amplificator pentru a nu exista pierderi de tensiune la bornele de intrare/ieşire: rπ RL AVg g m RC Rg rπ RC RL r Rg RC RL Amplificarea în curent reală – determinată pentru amplificatorul conectat la circuitele externe Amplificarea reala in curent Zg AIg AI Z Z i g Amplificarea ideala in curent Pierderile de curent la intrare Zo Z Z L o Pierderile de AV la iesire curent Parametrii amplificatorului izolat Zi Ri r Zo Ro RC AI Impedanţele circuitelor externe Z g Rg Z L RL Rg AIg R r g RC R R L C Condiţiile de proiectare care trebuie îndeplinite de amplificator pentru a nu exista pierderi de curent la bornele de intrare/ieşire: Rg AIg R r g r Rg RC R R L C RC RL Exemplul 1: se consideră amplificatorul cu TB din figura de mai jos, în care: VCC=10V, VBE=0.6V, =100, RB=910kΩ, RE=330Ω, RC=4.7kΩ, CG=CE=CL=100uF. Se cer: PSF-ul tranzistorului, determinarea valorilor parametrilor de semnal mic Ri, Ro şi Av şi estimarea pierderilor de tensiune în cazul în care la intrarea amplificatorului se conectează un generator de semnal a cărui rezistenţă internă este 600Ω, iar la ieşire o rezistenţă de sarcină de 1kΩ. borne alimentare Rg CG RC iO(t) CL borne iesire iI(t) + RB Q - borne intrare + - vG(t) vO(t) vI(t) RE CE RL VCC 1. Calcul PSF: IC VCC VBE RE RB IC 100 10 0.6V 940 V 1m A 100 0.33k 910k 943 k VCE VCC IC RC RE VCE 10V 1mA 4.7k 0.33k 10V 5.03V 5V 2. Verificarea funcţionării tranzistorului în RAN: 0,5V VCE VCC 1V 0,5V 5V 10V 1V 9V ADEVARAT 3. Calcularea parametrilor de semnal mic ai tranzistorului bipolar: m A g m 40 I C V rπ β k gm rπ m A m A g m 401 40 V V 100 k 2.5k 40 4. Determinarea parametrilor de semnal mic ai amplificatorului Ri r Ri 2.5k Ro RC Ro 4.7k AV gm RC m A AV 40 4.7k 188 V 5. Echivalarea amplificatorului cu modelul amplificatorului de tensiune: 6. Calcularea amplificării reale în tensiune şi estimarea peirderilor de tensiune la bornele amplificatorului rπ RL AVg AV Rg rπ RC RL 2.5k 1k AVg 180 0.6k 2.5k 4.7k 1k AVg 180 0.8 0.175 Pierderile de tensiune la intrare Pierderile de tensiune la iesire AVg 25.2 RL=10Ω (boxa audio) AVg 180 0.8 0.002 0.288 Etaj de amplificare cu tranzistor bipolar în conexiunea Emitor Comun – varianta cu rezistor nedecuplat la masă Punctul static de funcţionare IC VCC VBE RE RB VCE VCC IC RC RE Parametrii de semnal mic Ri RB 1 RE RB 1 RE valoare medie = zeci kΩ Ro RC valoare medie = kΩ Amplificarea în tensiune reală RL AVg AV RC RL AV RC RE amplificare mică; defazaj 1800 Etaj de amplificare cu tranzistor bipolar în conexiunea Colector Comun – repetor pe emitor Punctul static de funcţionare IC VCC VBE RE RB VCE VCC IC RE Parametrii de semnal mic Ri RB 1 RE RB 1 RE Ro r 1 valoare mare = sute kΩ valoare mică = zeci Ω Bun pentru adaptarea impedanţelor a două circuite conectate AV 1 Nu amplifică; defazaj 00 1 RB AI RB 1 RE amplificare mare; defazaj 1800 Conectarea circuitelor externe la amplificatorul cu tranzistor bipolar în conexiunea Colector Comun Amplificarea în tensiune reală AVg RB 1 RE RB 1 RE RL AV r R 1 R E Rg B RL RB 1 RE 1 Amplificarea în curent reală r R 1 g AIg AI r Rg RB 1 RE RL RB 1 RE 1 Utilizarea amplificatorului cu tranzistor bipolar în conexiunea Colector Comun ca buffer – etaj de adaptare a impedanţelor ale două circuite Exemplu 2: se consideră în primul caz, 2 amplificatoare de tensiune conectate direct, caracterizate de parametrii de semnal mic din figura. Să se determine amplificarea reală de tensiune. Se consideră un al doilea caz, în care, cele 2 amplificatoare sunt conectate prin intermediul unui “repetor pe emitor”. Să se determine amplificarea reală de tensiune. Rg=50Ω, iar RL=100kΩ. Datele pentru amplificatoare sunt: Amplificatorul de tensiune 1 şi 2: VCC=10V, VBE=0.6V, =100, RB=910kΩ, RE=330Ω, RC=4.7kΩ. Amplificatorul buffer: VCC=10V, VBE=0.6V, =100, RB=910kΩ, RE=3.3kΩ. v v v v AVG o2 o2 o1 i1 vg vo1 vi1 vg Primul raport din relaţia de mai sus se determină observând că RL şi Ro2 formează un divizor de tensiune pentru tensiunea Av2Vi2= Av2Vo1, generată de generatorul de tensiune comandat în tensiune a celui de-al 2lea amplificator liniar: vo 2 RL AV 2 vo1 RL Ro2 vo 2 RL AV 2 vo1 RL Ro 2 Al 2lea raport din relaţia de mai sus se determină observând că Ri2 şi Ro1 formează un divizor de tensiune pentru tensiunea Av1Vi1, generată de generatorul de tensiune comandat în tensiune a primului amplificator liniar: vo1 Ri 2 AV 1 vi1 Ri 2 Ro1 vo1 Ri 2 AV 1 vi1 Ri 2 Ro1 Al 3lea raport din relaţia de mai sus se determină observând că Ri1 şi Rg formează un divizor de tensiune pentru tensiunea Vg, generată de generatorul de tensiune sinusoidala aplicat la intrarea circuitului: vi1 Ri1 vg Ri1 Rg vi1 Ri1 v g Ri1 Rg vo2 Ri1 Ri 2 RL AVG AV 1 AV 2 vg Ri1 Rg Ri 2 Ro1 RL Ro2 2.5k 2.5k 100k AVG 188 188 2.5k 0.05k 2.5k 4.7k 100k 4.7k AVG 35344 0.98 0.35 0.95 Pierderile tensiune la intrare Pierderile tensiune la conectarea celor 2 amplificatoare AVG 11517 Pierderile tensiune la iesire Calcule pentru repetorul pe emitor 1. Calcul PSF: IC VCC VBE RE RB IC 100 10 0.6V 940 V 0.75m A 100 3.3k 910k 943 k VCE VCC IC RE VCE 10V 0.75mA 3.3k 10V 2.475V 7.525V 2. Calcularea parametrilor de semnal mic ai tranzistorului bipolar: m A m A m A g m 40 I C g m 40 0.75 30 V V V rπ β k gm rπ 100 k 3.3k 30 3. Determinarea parametrilor de semnal mic ai amplificatorului Ri rπ 1 β RE r Ro 1 Ri 3.3k 101 3.3k 337k AV 1 AV 1 Ro 3.3k 32 101 v v v v v AVG o2 o2 or o1 i1 vg vor vo1 vi1 vg Fiecare bloc reprezintă un divizor de tensiune: vi1 Rir Ri 2 RL AV 2 vor AV 1 vi1 vor 1 vo1 vo 2 RL Ro 2 Rir Ro1 Ri 2 Ror v v Rir v Ri 2 RL vi1 Ri1 o 2 AV 2 o1 AV 1 or v R R v R R v R R v g Ri1 Rg or L o2 i1 ir o1 o1 i2 or Ri1 vg Ri1 Rg vo1 vo2 Ri1 Rir Ri 2 RL AVG AV 1 AV 2 vg Ri1 Rg Rir Ro1 Ri 2 Ror RL Ro2 AVG 188 188 2.5k 337k 2.5k 100k 2.5k 0.05k 337k 4.7k 2.5k 32 100k 4.7k AVG 35344 0.98 0.98 0.99 0.95 AVG 31925 Etaj de amplificare cu tranzistor bipolar în conexiunea Bază Comună Punctul static de funcţionare IC β VCC VBE β RE RB VCE VCC IC RC RE Parametrii de semnal mic Ri rπ valoare mică = zeci Ω 1 β Ro RC valoare medie = kΩ AV gm RC amplificare mare defazaj 00 AI 1 nu amplifică; defazaj 1800 Conectarea circuitelor externe la amplificatorul cu tranzistor bipolar în conexiunea Bază Comună Amplificarea în tensiune reală Amplificarea în curent reală r 1 AVg AV r Rg 1 Rg RC AIg AI r RC RL R g 1 RL RC RL