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 1F) 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  0.6V 
940  V 

 1m A


100 0.33k  910k 943  k 
VCE  VCC  IC  RC  RE 
VCE  10V 1mA 4.7k  0.33k  10V   5.03V   5V 
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  401   40 
V 
V 
100
k  2.5k
40
4. Determinarea parametrilor de semnal mic ai amplificatorului
Ri  r
Ri  2.5k
Ro  RC
Ro  4.7k
AV   gm  RC
 m A
AV  40
 4.7k  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 



 

2.5k
1k
AVg  180 
  

 0.6k  2.5k   4.7k  1k 
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
2.5k
2.5k
100k
AVG   188   188 


2.5k  0.05k 2.5k  4.7k 100k  4.7k
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  0.6V 
940  V 

 0.75m A
100 3.3k  910k 943  k 
VCE  VCC  IC  RE
VCE  10V   0.75mA 3.3k  10V   2.475V   7.525V 
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  3.3k
30
3. Determinarea parametrilor de semnal mic ai amplificatorului
Ri  rπ  1  β RE
r
Ro  
1 
Ri  3.3k  101 3.3k  337k
AV  1
AV  1
Ro 
3.3k
 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 
2.5k
337k
2.5k
100k



2.5k  0.05k 337k  4.7k 2.5k  32 100k  4.7k
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 

