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