ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι. Ενότητα 4: Ενισχυτής κοινού εκπομπού. Επ. Καθηγητής Γαύρος Κωνσταντίνος ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι Ενότητα 4: Ενισχυτής κοινού εκπομπού Επ. Καθηγητής Γαύρος Κωνσταντίνος ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σκοποί ενότητας (1) Διερεύνηση της λειτουργίας ενός τρανζίστορ σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού (CE) με την εφαρμογή στη βάση του μιας μικρής ac τάσης 4

5 Περιεχόμενα Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού. Ανάλυση του ενισχυτή CE. Παραδείγματα. 5

6 Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE) Το θεώρημα της υπέρθεσης. AC αντίσταση διόδου. AC ανάλυση του ενισχυτή CE. Εξουδετέρωση της αντίστασης εκπομπού. Ενισχυτικές βαθμίδες σε σύνδεση καταρράκτη. 6

7 Το Θεώρημα της Υπέρθεσης (Superposition Theorem) Σε ένα κύκλωμα με δύο ή περισσότερες εισόδους (πηγές), το ρεύμα ή η τάση σε κάθε σημείο του κυκλώματος ισούται με το άθροισμα των ρευμάτων ή των τάσεων, αντίστοιχα, που προκαλεί κάθε πηγή χωριστά. 7

8 DC και AC ισοδύναμα κυκλώματα (1/2) Εικόνα 1: DC και AC ισοδύναμα κυκλώματα. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 8

9 DC και AC ισοδύναμα κυκλώματα (2/2) για να πάρουμε το dc ισοδύναμο κύκλωμα... αφαιρούμε την ac πηγή... και την αντικαθιστούμε με βραχυκύκλωμα. για να πάρουμε το ac ισοδύναμο κύκλωμα... αφαιρούμε τη dc πηγή... και την αντικαθιστούμε με βραχυκύκλωμα. Το ολικό ρεύμα είναι το άθροισμα του DC και του AC ρεύματος. 9

10 Πυκνωτές Σύζευξης (1/2) Στο dc ρεύμα, f = 0 οπότε X C είναι άπειρη. Ένας πυκνωτής δε διαρρέεται ποτέ από συνεχές ρεύμα. Στα dc ισοδύναμα κυκλώματα, όλοι οι πυκνωτές θεωρούνται ανοικτά κυκλώματα. Στο ac ρεύμα, όταν η συχνότητα είναι μεγάλη, η X C τείνει στο μηδέν. Στα ac ισοδύναμα κυκλώματα, όλοι οι πυκνωτές θεωρούνται βραχυκυκλώματα. 10

11 Πυκνωτές Σύζευξης (2/2) Συμβολισμός Όλες οι dc και σταθερές ποσότητες συμβολίζονται με κεφαλαία γράμματα (V, I, κ.λ.π.) Όλες οι ac και οι μεταβαλλόμενες ποσότητες συμβολίζονται με μικρά γράμματα (v, i, κ.λ.π.) 11

12 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-1 Να βρεθεί η ολική τάση v t που προκαλείται από την ac και τη dc πηγή τάσης. Εικόνα 2:ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-1. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 12

13 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-2 (1/2) Να βρεθεί η ολική τάση v t που αναπτύσσεται στην αντίσταση των 10 Ω. Εικόνα 3: ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-2. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 13

14 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-2 (2/2) Εικόνα 4: ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-2. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 14

15 AC αντίσταση διόδου (1/2) Λειτουργία μικρού σήματος Το dc σημείο ηρεμίας Q καθορίζεται από τη dc τάση. Το dc ρεύμα στο σημείο Q είναι σε πρώτη προσέγγιση 1 ma και σε δεύτερη προσέγγιση 0.93 ma. Εικόνα 5: AC αντίσταση διόδου. 15

16 AC αντίσταση διόδου (2/2) Όταν το ac ρεύμα είναι μικρό, η χαρακτηριστική της διόδου μεταξύ Α και Β θεωρείται ευθεία. Ένα ac σήμα θεωρείται μικρό όταν είναι μικρότερο από το 1/10 του dc ρεύματος ηρεμίας. AC αντίσταση διόδου Στη λειτουργία μικρού σήματος η δίοδος συμπεριφέρεται σαν αντίσταση 16

17 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-3 (1/2) Να βρεθεί το ολικό ρεύμα i της διόδου. Εικόνα 6: ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-3. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 17

18 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-3 (2/2) Εικόνα 7: ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-3. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 18

19 Ανάλυση του ενισχυτή CE (1/2) Ενίσχυση λέγεται η αύξηση του πλάτους του σήματος που διαδίδεται από την είσοδο (βάση του τρανζίστορ) στην έξοδο (συλλέκτη). Κατά τη λειτουργία του σαν ενισχυτής το τρανζίστορ παραμένει στην ενεργό περιοχή, δηλαδή, μακριά από τις περιοχές κορεσμού και αποκοπής, όπου έχουμε παραμόρφωση. Εικόνα 8: Ανάλυση του ενισχυτή CE. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 19

20 Ανάλυση του ενισχυτή CE (2/2) AC βήτα είναι ο λόγος του AC ρεύματος συλλέκτη i c προς το ac ρεύμα βάσης i b. Το β συμβολίζεται και h fe. Είναι η ενίσχυση του AC ρεύματος της βάσης. Υπενθυμίζεται ότι η ενίσχυση του DC ρεύματος της βάσης συμβολίζεται με DC. Εικόνα 9: Ανάλυση του ενισχυτή CE. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 20

21 Το ac ισοδύναμο κύκλωμα του τρανζίστορ (1/2) Η ac αντίσταση εκπομπού (r e ) είναι η αντίσταση που βλέπει ένα ac σήμα, όταν εφαρμόζεται στον εκπομπό. Εικόνα 10: Το ac ισοδύναμο κύκλωμα του τρανζίστορ. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 21

22 Το ac ισοδύναμο κύκλωμα του τρανζίστορ (2/2) Η ac αντίσταση βάσης (z in(base) ) (ή σύνθετη αντίσταση της βάσης) είναι η αντίσταση που βλέπει ένα ac σήμα, όταν εφαρμόζεται στην βάση. Επειδή το ρεύμα στη βάση είναι φορές μικρότερο από το ρεύμα στον εκπομπό, η αντίσταση από τη βάση φαίνεται φορές μεγαλύτερη από την αντίσταση του εκπομπού. 22

23 Ανάλυση του ac ισοδυνάμου κυκλώματος του τρανζίστορ Στο ac ισοδύναμο κύκλωμα του τρανζίστορ σε μια ενισχυτική διάταξη CE: το τμήμα βάσης-εκπομπού αντικαθίσταται από την ac αντίσταση βάσης r e. ενώ το τμήμα συλλέκτη-εκπομπού αντικαθίσταται από μια πηγή ρεύματος i c = i b. Εικόνα 11:Ανάλυση του ac ισοδυνάμου κυκλώματος του τρανζίστορ. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 23

24 Το ac ισοδύναμο κύκλωμα του ενισχυτή CE (1/2) Εικόνα 12: Το ac ισοδύναμο κύκλωμα του ενισχυτή CE. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 24

25 Το ac ισοδύναμο κύκλωμα του ενισχυτή CE (2/2) Για να πάρουμε το AC ισοδύναμο κύκλωμα του ενισχυτή CE κάνουμε τα εξής βήματα : νεκρώνουμε τη DC πηγή πόλωσης V CC (δηλαδή, την αντικαθιστούμε με μια ac γείωση). αντικαθιστούμε όλους τους πυκνωτές (C 1, C 2 και C 3 ) με βραχυκυκλώματα. συνδυάζουμε τις παράλληλες αντιστάσεις (R 1 //R 2, R C //R L ενώ η R E βραχυκυκλώνεται, άρα φεύγει. δεν ξεχνάμε να λάβουμε υπ όψη μας την AC αντίστασης r e της επαφής εκπομπού-βάσης. 25

26 AC αντίσταση εισόδου του ενισχυτή CE (1/2) Το AC ισοδύναμο κύκλωμα εισόδου του ενισχυτή CE είναι το κύκλωμα που σχηματίζεται μεταξύ των ακροδεκτών της βάσης και του εκπομπού. Εικόνα 13: AC αντίσταση εισόδου του ενισχυτή CE. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 26

27 AC αντίσταση εισόδου του AC τάση εισόδου. v in = i b r e ενισχυτή CE (2/2) Σύνθετη αντίσταση εισόδου είναι η αντίσταση που βλέπει η ac πηγή. R in ή z in = R 2 //R 1 // r e Εικόνα 14: AC αντίσταση εισόδου του ενισχυτή CE. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 27

28 AC αντίσταση εξόδου του ενισχυτή CE (1/2) Εικόνα 15: AC αντίσταση εξόδου του ενισχυτή CE. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 28

29 AC αντίσταση εξόδου του ενισχυτή CE (2/2) Το AC ισοδύναμο κύκλωμα εξόδου του ενισχυτή CE είναι το κύκλωμα που σχηματίζεται μεταξύ των ακροδεκτών του συλλέκτη και του εκπομπού. AC τάση εξόδου. v out = i b R C //R L AC αντίσταση εξόδου. R out = R C //R L Εικόνα 16: AC αντίσταση εξόδου του ενισχυτή CE. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 29

30 Κέρδος τάσης στον ενισχυτή CE Κέρδος τάσης A (voltage gain) ορίζεται ο λόγος της ac τάσης εξόδου v out προς την ac τάση εισόδου v in. Αντικαθιστώντας v out = i b R C //R L και v in = i b r e παίρνουμε για το κέρδος τάσης. 30

31 Αντιστροφή φάσης στον ενισχυτή CE Αντιστροφή φάσης (phase inversion) ονομάζεται η διαφορά φάσης 180 που έχει πάντα η ac τάση εξόδου ως προς την ac τάση εισόδου σε έναν ενισχυτή CE. Εικόνα 17:Αντιστροφή φάσης στον ενισχυτή CE. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 31

32 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-4 (1/2) Το τρανζίστορ 2Ν3904 έχει h fe = 200. Πόση είναι η ac τάση εξόδου και η σύνθετη αντίσταση εισόδου του ενισχυτή; R1 47kΩ 10kΩ R C Vcc +30 V 2N kΩ 5 m V rm s R2 15kΩ V 2 8.2kΩ R E Εικόνα 18: ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-4. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 32

33 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-4 (2/2) 33

34 Εξουδετέρωση της ac αντίστασης εκπομπού r e (1/2) Γιατί να εξουδετερώσουμε την r e ; ΑΠ.: Διότι η τιμή της r e δεν είναι σταθερή, εξαρτάται από την ποιότητα της επαφής εκπομπού-βάσης και τη θερμοκρασία και κυμαίνεται μεταξύ 25 mv/i E και 50 mv/i E. Επειδή A = (R C //R L )/r e, κάθε μεταβολή της r e μεταβάλλει το κέρδος τάσης του ενισχυτή CE. Πως εξουδετερώνουμε την r e ; ΑΠ.: Προσθέτοντας μια αντίσταση r E μεταξύ εκπομπού και ac γείωσης. 34

35 Εξουδετέρωση της ac αντίστασης εκπομπού r e (2/2) Εικόνα 19: Εξουδετέρωση της ac αντίστασης εκπομπού r e. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 35

36 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-5 (1/2) Η r e μεταβάλλεται από 50 Ω σε 100 Ω. Ποιό είναι το ελάχιστο και ποιό το μέγιστο κέρδος τάσης; Vcc R1 47kΩ 10kΩ R C +25 V Vout Vin 1.0kΩ r E 82kΩ R L R2 15kΩ 10kΩ R E Εικόνα 20: ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-5. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 36

37 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-5 (2/2) 37

38 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-6 (1/2) Στο κύκλωμα ενισχυτή του Παραδείγματος 4-5 δίνεται h fe = 200 και r e =50Ω. Ποιά η σύνθετη αντίσταση εισόδου του ενισχυτή; R1 47kΩ 10kΩ R C Vcc +25 V Vout Vin 1.0kΩ r E 82kΩ R L R2 15kΩ Εικόνα 21: ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-6. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 10kΩ R E 38

39 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-6 (2/2) 39

40 Ενισχυτικές βαθμίδες με σύνδεση καταρράκτη (1/2) Για την αύξηση του κέρδους τάσης μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ενισχυτικές διατάξεις σε συνδεσμολογία καταράκτη, δηλαδή, η έξοδος της κάθε ενισχυτικής βαθμίδας (συλλέκτης τρανζίστορ) συνδέεται στην είσοδο της επόμενης (βάση επόμενου τρανζίστορ). 40

41 Ενισχυτικές βαθμίδες με σύνδεση καταρράκτη (2/2) Εικόνα 22: Ενισχυτικές βαθμίδες με σύνδεση καταρράκτη. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 41

42 Φαινόμενα φόρτισης (1/2) Η αντίσταση εισόδου κάθε βαθμίδας λειτουργεί σαν φορτίο για την προηγούμενη βαθμίδα. Για να κατανοήσουμε αυτό, ας δούμε το AC ισοδύναμο κύκλωμα του παραπάνω ενισχυτή 2 βαθμίδων. Νεκρώνουμε τη V CC και βραχυκυκλώνουμε τους πυκνωτές. Συνδυάζουμε τις αντιστάσεις. Απομονώνουμε το κύκλωμα εξόδου της 1 ης βαθμίδας και το κύκλωμα εξόδου της 2 ης. Εικόνα 23: Φαινόμενα φόρτισης. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 42

43 Φαινόμενα φόρτισης (2/2) Η αντίσταση εισόδου της 2 ης βαθμίδας είναι: z in = R 1 //R 2 //βr e Η αντίσταση αυτή είναι το φορτίο στην έξοδο της 1 ης βαθμίδας. Δηλαδή, το κέρδος τάσης της 1 ης βαθμίδας μειώνεται λόγω της z in (R C //z in < R C ). Βλέπουμε, δηλαδή, ότι κάθε επόμενη βαθμίδα ενίσχυσης, λόγω της αντίστασης εισόδου της, μειώνει το κέρδος τάσης που δίνει η προηγούμενη βαθμίδα ενίσχυσης. Εικόνα 24: Φαινόμενα φόρτισης. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 43

44 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-7 (1/3) Υπολογίστε τη σύνθετη αντίσταση εισόδου κάθε βαθμίδας του ενισχυτή; 44

45 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-7 (2/3) 45

46 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-7 (3/3) 46

47 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-8 (1/3) Στο κύκλωμα του Παραδείγματος 4.7, υπολογίστε την ac τάση στο τελικό φορτίο 1.5 kω; 47

48 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-8 (2/3) 48

49 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-8 (3/3) Τέλος, η ac τάση εξόδου (του 2 ου τρανζίστορ) είναι: v out = A 2 v b2 = (46.7)(21.2 mv) = 0.99 V Ένας άλλος τρόπος να υπολογισθεί η τάση εξόδου είναι με την εύρεση του ολικού κέρδους τάσης. Α = Α 1 Α 2 = (39.2)(46.7) = 1830 Αυτό είναι το ολικό κέρδος της τάσης που σημαίνει την ολική ενίσχυση της τάσης από την είσοδο του ενισχυτή (βάση του 1 ου τρανζίστορ) στην έξοδό του (συλλέκτης του 2 ου τρανζίστορ). Οπότε v out = A v b1 = (1820)(0.54 mv) = 0.99 V 49

50 Βιβλιογραφία Albert P. Malvino, «Βασική Ηλεκτρονική», 4η έκδ./2007, ΙSBN: , Εκδ. ΤΖΙΟΛΑ, Κωδικός βιβλίου «ΕΥΔΟΞΟΣ»: Thomas L. Floyd, «Ηλεκτρονικά Στοιχεία», 1η έκδ./2014, ΙSBN: , ΕΚΔΟΤΙΚΟΣ ΟΜΙΛΟΣ ΙΩΝ Γ. Χαριτάντης, «Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά», 2006, ΙSBN: , Εκδ. ΔΕΜΕΡΝΤΖΗΣ ΠΑΝΤΕΛΗΣ, Κωδικός βιβλίου «ΕΥΔΟΞΟΣ»: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hal 50

51 Τέλος Ενότητας

52 Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Γαύρος Κωνσταντίνος. «Ηλεκτρονικά Ι». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015.

53 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 53

54 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς. το Σημείωμα Αδειοδότησης. τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων. το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει). μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 54

55 Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνες/Σχήματα/Διαγράμματα/Φωτογραφί ες: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 55