Προενισχυτής μουσικού οργάνου

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Προενισχυτής μουσικού οργάνου"

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ Η/Υ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Προενισχυτής μουσικού οργάνου Τοπουζλής Κωνσταντίνος Α.Ε.Μ Επιβλέποντες: Λαόπουλος Θεόδωρος Νικολαΐδης Εμμανουήλ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2015

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ Η/Υ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Προενισχυτής μουσικού οργάνου Τοπουζλής Κωνσταντίνος Α.Ε.Μ Επιβλέποντες: Λαόπουλος Θεόδωρος Νικολαΐδης Εμμανουήλ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τους επιβλέποντες της πτυχιακής μου εργασίας, τον κκ. Λαόπουλο και Νικολαΐδη, τον μεν πρώτο για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε στο θέμα της πτυχιακής εργασίας και για τις πολύτιμες συμβουλές, την καθοδήγηση και την συνεχή παρακολούθηση όλων των σταδίων της εργασίας μου, το δε δεύτερο για την πολύτιμη βοήθεια του σε ότι αφορά τη χρήση του εργαστηριακού εξοπλισμού καθώς και στην κατασκευή και λήψη μετρήσεων της πειραματικής διάταξης. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω το προσωπικό του τομέα Ηλεκτρονικής και Ηλεκτρονικών Υπολογιστών για την παραχώρηση του εργαστηριακού εξοπλισμού που χωρίς αυτόν θα ήταν αδύνατη η εκτέλεση του πειραματικού μέρους της πτυχιακής. 2

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ Ενισχυτές σήματος Είδη ενισχυτών Ενισχυτής τάσης Ενισχυτής ρεύματος Ενισχυτής διαγωγιμότητας Ενισχυτής διαντίστασης Βασικές συνδεσμολογίες ενισχυτών ενός σταδίου με διπολικά τρανζίστορ (BJT) Ενισχυτής κοινής βάσης Ενισχυτής κοινού εκπομπού Ενισχυτής κοινού εκπομπού με αντίσταση και πυκνωτή στον εκπομπό Ενισχυτής κοινού συλλέκτη Πόλωση ενισχυτών-σταθεροποίηση του σημείου ηρεμίας Συνδεσμολογία ενισχυτή cascode Διαφορικός ενισχυτής Ιδανικός διαφορικός ενισχυτής Μη ιδανικός διαφορικός ενισχυτής Λόγος απόρριψης κοινού σήματος (CMRR) Διαφορικός ενισχυτής με ενεργό φορτίο Στάδιο εξόδου Στάδιο εξόδου τάξης Α Στάδιο εξόδου τάξης Β Στάδιο εξόδου τάξης AB Προστασία από βραχυκύκλωμα Απόκριση υψηλών συχνοτήτων Θεώρημα Miller-Φαινόμενο Miller Υβριδικό π-ισοδύναμο υψηλών συχνοτήτων του διπολικού τρανζίστορ (BJT) Απόκριση υψηλών συχνοτήτων του ενισχυτή κοινού εκπομπού Απόκριση υψηλών συχνοτήτων του ενισχυτή κοινής βάσης Απόκριση υψηλών συχνοτήτων του ενισχυτή cascode Αρνητική ανάδραση Αντιστάθμιση συχνότητας Αντιστάθμιση Miller Αρμονική παραμόρφωση (Harmonic distortion) Ολική αρμονική παραμόρφωση (THD). 64 3

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΕΣ ΔΙΠΟΛΙΚΩΝ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ (BJT) Διοδικό τρανζίστορ Συνδεσμολογία Darlington Σύνθετο pnp τρανζίστορ Καθρέπτες ρεύματος Πηγές ρεύματος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΗΧΟΥ (AUDIO POWER AMPLIFIER) Ανθρώπινη ακοή Ενισχυτής ισχύος ήχου (Audio power amplifier) Προενισχυτής (Pre-Amplifier) Προενισχυτής μουσικού οργάνου. 78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ ΤΑΣΗΣ Ενισχυτής δύο σταδίων LM380 της National Semiconductor Corporation Ενισχυτής με χρήση cascode TL071 της Texas Instruments Τελεστικός ενισχυτής ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΠΡΟΕΝΙΣΧΥΤΗ ΜΟΥΣΙΚΟΥ ΟΡΓΑΝΟΥ Θεωρητική ανάλυση Μετρήσεις Συμπεράσματα-Παρατηρήσεις. 99 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ

6 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στόχος της παρούσης πτυχιακής εργασίας ήταν η κατασκευή ενός προενισχυτή μουσικού οργάνου που πληροί συγκεκριμένες προδιαγραφές ώστε να χαρακτηριστεί ποιοτικός. Αυτές είναι εύρος ζώνης 5 Hz έως 30 khz, δείκτης THD μικρότερος από 0.1% και σταθερή απολαβή τάσης με ανοχή ±0.5 db. Έπειτα από εκτενή αναζήτηση στην διεθνή βιβλιογραφία, το κύκλωμα που επιλέχτηκε τελικά, διέθετε α) συμμετρικό σχεδιασμό (mirror-image topology) και β) συνδεσμολογία cascode στο στάδιο εξόδου. Ο μεν συμμετρικός σχεδιασμός βοηθάει στην εξάλειψη ανεπιθύμητων χαρακτηριστικών στο σήμα εξόδου και η συνδεσμολογία cascode στην βελτίωση της απόκρισης στις υψηλότερες συχνότητες. Η κατασκευή του κυκλώματος έγινε σε raster (breadboard) και χρησιμοποιήθηκαν τα τρανζίστορ 2Ν3904 και 2Ν3905, καθώς και τα τρανζίστορ ισχύος 2SD669 και 2SB649. Με την χρήση παλμογράφου καταγράψαμε την τάση εξόδου και κατασκευάσαμε το διάγραμμα Bode από το οποίο προέκυψε ότι το εύρος ζώνης του προενισχυτή είναι από 120 Ηz έως 110 khz. Επίσης μετρήθηκε ο δείκτης THD+N στις συχνότητες των 1, 10, 20 και 30 kηz και τα αποτελέσματα ήταν 0,024%, 0,102%, 0,187% και 0,207% αντίστοιχα. Επομένως, ο προενισχυτής πληροί τις παραπάνω προδιαγραφές στο συχνοτικό εύρος 300 Hz με 10 khz. Με δεδομένο το συχνοτικό εύρος τεσσάρων δημοφιλών οργάνων όπως το πιάνο (27.5 Hz-4186 Hz), η ακουστική κιθάρα (82.4 Hz-1174 Hz), το τετράχορδο μπουζούκι (130.8 Hz Hz) και το τετράχορδο μπάσο (41.2 Hz- 349 Hz), προέκυψε ότι το συχνοτικό εύρος του προενισχυτή που κατασκευάστηκε ανταποκρίνεται ικανοποιητικά στο σήμα του τετράχορδου μπουζουκιού. Ο προενισχυτής θα μπορούσε να τροποποιηθεί ώστε να ενισχύει ικανοποιητικά το σήμα και άλλων μουσικών οργάνων. Τέτοιες τροποποιήσεις θα μπορούσαν να είναι η αντικατάσταση του πυκνωτή C με άλλον μεγαλύτερης χωρητικότητας για την αύξηση του εύρους ζώνης προς τις χαμηλότερες συχνότητες και η κατασκευή του σε πλακέτα (PCB) για την βελτίωση του δείκτη THD. Μελλοντικά το συγκεκριμένο κύκλωμα θα μπορούσε να συνδεθεί με άλλα, επεξεργασίας και παραμόρφωσης ήχου ώστε να αποτελέσει ένα ολοκληρωμένο προενισχυτή ο οποίος θα ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις ενός χρήστη. 5

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ 1.1 Ενισχυτές σήματος Οι ενισχυτές σήματος είναι από τα πιο βασικά ηλεκτρονικά κυκλώματα και εμπεριέχονται σχεδόν σε όλα τα ηλεκτρονικά συστήματα. Στην παράγραφο αυτή γίνεται περιγραφή του τρόπου λειτουργίας και αναφέρονται τα μετρήσιμα μεγέθη και τα διαγράμματα που περιγράφουν την λειτουργία των ενισχυτών (Sedra & Smith 1994, Sedra & Smith 2010). Ο λόγος που καθιστά αναγκαία τη χρήση των ενισχυτών σήματος είναι γιατί οι πηγές σήματος παρέχουν ασθενή σήματα και η επεξεργασία ενός σήματος γίνεται ευκολότερη όταν το πλάτος του αυξηθεί αρκετά. Παραδείγματος χάριν, οι πηγές τάσης παρέχουν σήματα της τάξης των μικροβόλτ (μv) ή μιλιβόλτ (mv). Η λειτουργία ενός ενισχυτή είναι να δέχεται στην είσοδο του ένα σήμα από μια πηγή σήματος και να τροφοδοτεί το φορτίο στην έξοδο του με ένα ίδιο σήμα που έχει μεγαλύτερο πλάτος. Αν ο ενισχυτής είναι ενισχυτής τάσης, εκτός από το γεγονός ότι το σήμα στην έξοδο θα έχει μεγαλύτερη τάση από το σήμα εισόδου, έχει την δυνατότητα να παρέχει στο φορτίο μεγαλύτερη ισχύ δηλαδή η ισχύς στην έξοδο του είναι μεγαλύτερη από την ισχύ του σήματος εισόδου. Ο ενισχυτής εκτός από την είσοδο και την έξοδο του, συνδέεται σε τροφοδοσία DC για να λειτουργήσει. Η τροφοδοσία είναι απαραίτητη για την λειτουργία του ενισχυτή γιατί από εκεί αντλεί ισχύ για να λειτουργούν τα εσωτερικά κυκλώματα του ενισχυτή και αντλεί και την επιπλέον ισχύ, εκτός από αυτή που του παρέχει η πηγή σήματος, με την οποία τροφοδοτεί το φορτίο. Επομένως, ο ενισχυτής καταναλώνει ισχύ από την τροφοδοσία για να τροφοδοτήσει με ισχύ το φορτίο. Η απόδοση ισχύος ή αποδοτικότητα του ενισχυτή είναι μία σημαντική παράμετρος του ενισχυτή, κυρίως για του ενισχυτές ισχύος, και ορίζεται ως PL 100 (1.1) Pdc όπου PL=Η ισχύς που τροφοδοτεί το φορτίο και Pdc=H ισχύς που καταναλώνει από τις πηγές. Ο λόγος του σήματος εξόδου ως προς το σήμα εισόδου του ενισχυτή ονομάζεται κέρδος ή απολαβή σήματος. Στους ενισχυτές χρησιμοποιούμε την απολαβή τάσης (Αυ), την απολαβή ρεύματος (Αi) και την απολαβή ισχύος (Αp) που ορίζονται ως A (1.2) i Ai (1.3) i P Ap (1.4) P 6

8 Εναλλακτικός τρόπος έκφρασης της απολαβής σήματος είναι η κλίμακα decibel (db). Τα μεγέθη Aυ, Ai και Ap εκφράζονται ως εξής A 20log db (1.5) A i A p i 20log db (1.6) i P 10log db (1.7) P Μία από τις σημαντικότερες προϋποθέσεις που πρέπει να πληροί ο ενισχυτής σήματος είναι η γραμμικότητα. Με τον όρο γραμμικότητα εννοούμε ότι το σήμα στην έξοδο του ενισχυτή σήματος πρέπει να εμφανίζεται με τα ίδια ακριβώς χαρακτηριστικά με το σήμα στην είσοδο του με την μόνη διαφορά ότι το σήμα εξόδου θα έχει μεγαλύτερο πλάτος. Οποιαδήποτε διαφορά στα χαρακτηριστικά του σήματος εξόδου σε σχέση με τα χαρακτηριστικά του σήματος εισόδου, εκτός του πλάτους, είναι ανεπιθύμητη και τότε λέμε ότι ο ενισχυτής παρουσιάζει παραμόρφωση (distortion). Ένα από τα διαγράμματα που είναι χρήσιμα για την μελέτη της συμπεριφοράς του ενισχυτή είναι η χαρακτηριστική μεταφοράς. Το διάγραμμα της χαρακτηριστικής μεταφοράς ενός ενισχυτή τάσης είναι ένα διάγραμμα που έχει στους άξονες του τις τάσεις εξόδου υο και υi και η κλίση της καμπύλης ισούται με την απολαβή του ενισχυτή (Σχήμα 1.1). Το διάγραμμα αυτό περιγράφει την σχέση του πλάτους του σήματος εξόδου με το πλάτος του σήματος εισόδου. Σχήμα 1.1: Χαρακτηριστική μεταφοράς γραμμικού ενισχυτή τάσης (Sedra & Smith 1994). 7

9 Ο ενισχυτής μπορεί να ενισχύσει το σήμα εισόδου του μέχρι ένα συγκεκριμένο όριο. Για ένα ενισχυτή τάσης ο οποίος είναι συνδεδεμένος σε συμμετρική τροφοδοσία, η μέγιστη απόλυτη τιμή του πλάτους της κυματομορφής εξόδου είναι 1 με 2 V μικρότερη από τις τάσεις τροφοδοσίας. Αν τοποθετήσουμε στην είσοδο σήμα μεγαλύτερο από το σήμα εισόδου που αντιστοιχεί στο σήμα εξόδου με το μέγιστο πλάτος ενίσχυσης, τότε ο ενισχυτής θα σταματήσει να λειτουργεί γραμμικά και θα βρεθεί σε κατάσταση κόρου. Όταν συμβεί αυτό, οι κορυφές της κυματομορφής εξόδου θα έχουν ψαλιδιστεί. Ο ψαλιδισμός του σήματος είναι ένα είδος παραμόρφωσης και ονομάζεται ψαλιδισμός ή παραμόρφωση πλάτους (amplitude distortion). Στο σχήμα 1.2 απεικονίζεται η χαρακτηριστική μεταφοράς ενός γραμμικού ενισχυτή τάσης που το σήμα εξόδου έχει υποστεί ψαλιδισμό. Η μέγιστη και η ελάχιστη τιμή που μπορεί να πάρει το πλάτος της κυματομορφής εξόδου σημειώνονται ως υο(max) και υο(min) αντίστοιχα. Σχήμα 1.2: Ψαλιδισμός του σήματος εξόδου ενός γραμμικού ενισχυτή (Sedra & Smith 1994, τροποποιημένο). 8

10 Οι πραγματικοί ενισχυτές δεν έχουν γραμμική χαρακτηριστική μεταφοράς. Ανάλογα με την ποιότητα κατασκευής και τον σχεδιασμό η χαρακτηριστική μεταφοράς τους προσεγγίζει την χαρακτηριστική μεταφοράς ενός γραμμικού ενισχυτή. Για να είναι δυνατή η ενίσχυση ενός σήματος με όσο το δυνατόν λιγότερη παραμόρφωση, ο ενισχυτής πολώνεται ώστε να λειτουργεί σε μια περιοχή της χαρακτηριστικής μεταφοράς η οποία παρουσιάζει γραμμικότητα. Στο σχήμα 1.3 ο ενισχυτής τάσης έχει πολωθεί στο σημείο Q με την εφαρμογή μιας DC τάσης εισόδου VΙ. Το σημείο Q ονομάζεται σημείο λειτουργίας ή σημείο πόλωσης ή σημείο ηρεμίας και η VΙ τάση πόλωσης. Λόγω της αρχής της επαλληλίας, το σήμα στην είσοδο του ενισχυτή προστίθεται με την VΙ και το σήμα εξόδου είναι ενισχυμένο χωρίς να έχει υποστεί παραμόρφωση. Βέβαια, αν το σήμα εισόδου έχει μεγαλύτερο πλάτος από την γραμμική περιοχή της χαρακτηριστικής μεταφοράς, το σήμα στην έξοδο θα είναι παραμορφωμένο. Σχήμα 1.3: Πόλωση ενός ενισχυτή με μη γραμμική χαρακτηριστική μεταφοράς (Sedra & Smith 1994, τροποποιημένο). Κριτήριο της απόδοσης ενός ενισχυτή είναι και η απόκριση συχνότητας του. Με τον όρο απόκριση συχνότητας εννοούμε το φάσμα συχνοτήτων που μπορεί να ενισχύσει ο ενισχυτής. Σε ένα γραμμικό ενισχυτή, αν τοποθετηθεί στην είσοδο του ένα ημιτονικό σήμα, στην έξοδο του θα εμφανιστεί ένα ημιτονικό σήμα της ίδιας συχνότητας με διαφορετικό πλάτος και με διαφορά φάσης ως προς το σήμα εισόδου. Για να μετρηθεί η πλήρη απόκριση του ενισχυτή, τοποθετούμε στην είσοδο ημιτονικό σήμα και μετράμε το μέτρο του λόγου του πλάτους του σήματος εξόδου προς το πλάτος του σήματος εισόδου καθώς και την διαφορά φάσης του σήματος εξόδου ως προς το σήμα εισόδου. Στην συνέχεια κατασκευάζουμε το διάγραμμα Bode του ενισχυτή. Το διάγραμμα Bode αποτελείται από δύο διαγράμματα. Το πρώτο παρουσιάζει την απόκριση του πλάτους σε decibel προς την συχνότητα και το δεύτερο την διαφορά φάσης του σήματος εξόδου ως προς το σήμα εισόδου προς την συχνότητα. Ο οριζόντιος άξονας είναι ο άξονας των συχνοτήτων σε λογαριθμική κλίμακα. 9

11 Το διάγραμμα Bode ενός ενισχυτή τάσης απεικονίζεται στο σχήμα 1.4. Σχήμα 1.4: Διάγραμμα Bode ενισχυτή τάσης (Sedra & Smith 1994, Sedra & Smith 2010, τροποποιημένο). Από το διάγραμμα απόκρισης πλάτους (Σχήμα 1.4), παρατηρούμε ότι το κέρδος του ενισχυτή παραμένει σταθερό για ένα συγκεκριμένο φάσμα συχνοτήτων και ελαττώνεται για μικρότερες συχνότητες από την ωl και για μεγαλύτερες συχνότητες από την ωh. Το φάσμα συχνοτήτων στο οποίο ο ενισχυτής έχει περίπου σταθερό κέρδος (συνήθως με ανοχή της τάξης των 3dB) ονομάζεται εύρος ζώνης (bandwidth) του ενισχυτή. Ανάλογα με την χρήση που προορίζεται να έχει ο ενισχυτής, η σχεδίαση του πρέπει να γίνει με τέτοιο τρόπο ώστε το φάσμα των συχνοτήτων του σήματος που θα τοποθετηθεί στην είσοδο του, να βρίσκεται στο εύρος ζώνης του ενισχυτή για να δουλεύει ο ενισχυτής γραμμικά. Στην ζώνη συχνοτήτων που ανήκουν οι συχνότητες που είναι μικρότερες της ωl, το κέρδος του ενισχυτή μειώνεται λόγω των πυκνωτών ζεύξης και παράκαμψης που υπάρχουν στο κύκλωμα διότι με την μείωση της συχνότητας αυξάνεται η αντίσταση τους. Παραδείγματος χάριν, η αύξηση της αντίστασης σε ένα πυκνωτή ζεύξης που βρίσκεται ανάμεσα σε δύο στάδια του ενισχυτή, έχει ως αποτέλεσμα να αυξάνεται η πτώση τάσης στα άκρα του πυκνωτή και έτσι μόνο ένα μέρος της τάσης που εμφανίζεται στην έξοδο του πρώτου σταδίου να εμφανίζεται στην είσοδο του δεύτερου. Στην ζώνη συχνοτήτων που ανήκουν οι συχνότητες που είναι μεγαλύτερες από την ωh, το κέρδος του ενισχυτή μειώνεται λόγω των παρασιτικών ενδοχωρητικοτήτων των τρανζίστορ, δηλαδή με την αύξηση των συχνοτήτων μειώνεται η αντίσταση των τρανζίστορ διότι οι επαφές βάσης-συλλέκτη και βάσηεκπομπού συμπεριφέρονται σαν πυκνωτές. 10

12 Οι ενισχυτές κατηγοριοποιούνται με βάση την απόκριση συχνότητας τους σε ενισχυτές DC, AC και σε συντονισμένους ενισχυτές (Σχήμα 1.5). Η διαφορά των ενισχυτών DC και των ενισχυτών AC είναι ότι το κέρδος των ενισχυτών AC μειώνεται κάτω από μια συγκεκριμένη συχνότητα ωl ενώ οι ενισχυτές DC διατηρούν το κέρδος τους σε χαμηλές συχνότητες μέχρι και για DC σήμα. Οι συντονισμένοι ενισχυτές χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές, όπως κυκλώματα συντονισμού των ραδιοφωνικών και τηλεοπτικών δεκτών, όπου ο ενισχυτής πρέπει να αποκρίνεται σε ένα εύρος συχνοτήτων γύρω από μια συγκεκριμένη συχνότητα ω0 (συχνότητα συντονισμού). (α) (β) (γ) Σχήμα 1.5: (α) Ενισχυτής DC, (β) ενισχυτής AC και (γ) συντονισμένος ενισχυτής (Sedra & Smith 1994, τροποποιημένο) 11

13 1.2 Είδη ενισχυτών Τα είδη των ενισχυτών είναι τέσσερα. Ο ενισχυτής τάσης, ρεύματος, διαγωγιμότητας και διαντίστασης. Τα κυκλωματικά μοντέλα των ενισχυτών καθώς και τα χαρακτηριστικά τους αναλύονται στην συνέχεια (Sedra & Smith 1994) Ενισχυτής τάσης Ο ενισχυτής τάσης είναι ένας ενισχυτής του οποίου το σήμα εισόδου του είναι τάση και το σήμα εξόδου του είναι επίσης τάση. Το κυκλωματικό μοντέλο του ενισχυτή τάσης απεικονίζεται στο σχήμα 1.6. Οι αντιστάσεις Ri και Ro είναι η αντίσταση εισόδου και εξόδου του ενισχυτή αντίστοιχα, η πηγή τάσης Αυουi είναι μια ελεγχόμενη πηγή τάσης από την τάση εισόδου υi, η πηγή τάσης υs είναι η πηγή τάσης του σήματος εισόδου, η αντίσταση Rs είναι η εσωτερική αντίσταση της πηγής τάσης της εισόδου και RL είναι το φορτίο του ενισχυτή. Η απολαβή τάσης Aυο είναι η απολαβή τάσης του κυκλώματος με ανοικτούς τους ακροδέκτες εξόδου. Σχήμα 1.6: Κυκλωματικό μοντέλο ενισχυτή τάσης 1 (Sedra & Smith 1994). Από το σχήμα 1.6 παρατηρούμε ότι εμφανίζονται δύο διαιρέτες τάσης. Ο ένας εμφανίζεται στην είσοδο του κυκλώματος μεταξύ της Rs και της Ri και ο άλλος στην έξοδο μεταξύ της Ro και της RL: Ri i s (1.8) Ri Rs RL Aoi (1.9) R R L Από την σχέση (1.8) προκύπτει το συμπέρασμα ότι για να μην έχουμε απώλεια του σήματος εισόδου θα πρέπει ο ενισχυτής να έχει αντίσταση Ri πολύ μεγαλύτερη από την αντίσταση Rs της πηγής σήματος, Ri>>Rs. Από την σχέση (1.9) προκύπτει το συμπέρασμα ότι για να μην υπάρχει απώλεια σήματος στην έξοδο του ενισχυτή, θα πρέπει η αντίσταση εξόδου του ενισχυτή Ro να είναι μικρότερη από την αντίσταση του φορτίου RL, Ro<<RL. o 1 Η σχεδίαση των κυκλωμάτων που παρατίθενται στην εργασία έγινε με την χρήση του λογισμικού Multisim της εταιρίας National Instruments. 12

14 σχέση Η απολαβή τάσης του ενισχυτή ως προς το σήμα της πηγής δίνεται από την A i L i s s i s RL Ro Ri Rs R R A (1.10) Ενισχυτής ρεύματος Ο ενισχυτής ρεύματος είναι ένας ενισχυτής του οποίου και το σήμα εισόδου και το σήμα εξόδου του είναι ρεύμα. Το κυκλωματικό μοντέλο του ενισχυτή ρεύματος απεικονίζεται στο σχήμα 1.7. Οι αντιστάσεις Ri και Ro είναι η αντίσταση εισόδου και εξόδου του ενισχυτή αντίστοιχα, η πηγή ρεύματος Αishii είναι μια ελεγχόμενη πηγή ρεύματος από το ρεύμα εισόδου ii, η πηγή ρεύματος is είναι η πηγή ρεύματος του σήματος εισόδου, η αντίσταση Rs είναι η εσωτερική αντίσταση της πηγής ρεύματος και RL είναι το φορτίο του ενισχυτή. Η απολαβή τάσης Αish είναι η απολαβή ρεύματος του κυκλώματος με βραχυκυκλωμένους τους ακροδέκτες εξόδου. Σχήμα 1.7: Κυκλωματικό μοντέλο ενισχυτή ρεύματος (Sedra & Smith 1994, τροποποιημένο) Από το σχήμα 1.7 παρατηρούμε ότι εμφανίζονται δύο διαιρέτες ρεύματος. Ο ένας εμφανίζεται στην είσοδο του κυκλώματος μεταξύ της Rs και της Ri και ο άλλος στην έξοδο μεταξύ της Ro και της RL: Rs ii is (1.11) Rs Ri Ro i Aish ii (1.12) R R o Από την σχέση (1.11) προκύπτει το συμπέρασμα ότι για να μην έχουμε απώλεια του σήματος εισόδου θα πρέπει ο ενισχυτής να έχει αντίσταση Ri πολύ μικρότερη από την αντίσταση Rs της πηγής σήματος, Rs>>Ri. Από την σχέση (1.12) προκύπτει το συμπέρασμα ότι για να μην υπάρχει απώλεια σήματος στην έξοδο του ενισχυτή, θα πρέπει η αντίσταση εξόδου του ενισχυτή Ro να είναι πολύ μεγαλύτερη από την αντίσταση του φορτίου RL, RL<<Ro. Η απολαβή ρεύματος του ενισχυτή ως προς το σήμα της πηγής δίνεται από την σχέση i i ii Ro Rs Ais Aish (1.13) i i i R R R R s i s o L s i L 13

15 1.2.3 Ενισχυτής διαγωγιμότητας Ο ενισχυτής διαγωγιμότητας είναι ένας ενισχυτής του οποίου το σήμα εισόδου του είναι τάση και το σήμα εξόδου του είναι ρεύμα. Το χαρακτηριστικό του ενισχυτή διαγωγιμότητας είναι η διαγωγιμότητα gm που ορίζεται ως ο λόγος του ρεύματος εξόδου προς την τάση εισόδου g m io i (1.14) Σχήμα 1.8: Κυκλωματικό μοντέλο ενισχυτή διαγωγιμότητας (Sedra & Smith 1994). Στο σχήμα 1.8 απεικονίζεται το κυκλωματικό μοντέλο του ενισχυτή διαγωγιμότητας. Οι αντιστάσεις Ri και Ro είναι η αντίσταση εισόδου και εξόδου του ενισχυτή αντίστοιχα, η πηγή ρεύματος Gmυi είναι μια ελεγχόμενη πηγή ρεύματος από την τάση εισόδου υi, η πηγή τάσης υs είναι η πηγή τάσης του σήματος εισόδου, η αντίσταση Rs είναι η εσωτερική αντίσταση της πηγής τάσης της εισόδου και RL είναι το φορτίο του ενισχυτή. Η Gm είναι η διαγωγιμότητα βραχυκυκλώσεως του ενισχυτή δηλαδή η διαγωγιμότητα του όταν οι ακροδέκτες εξόδου του είναι βραχυκυκλωμένοι. Από το σχήμα 1.8 παρατηρούμε ότι εμφανίζεται ένας διαιρέτης τάσης στην είσοδο μεταξύ των αντιστάσεων Rs και Ri και ένας διαιρέτης ρεύματος στην έξοδο μεταξύ των αντιστατών Ro και RL. Από τους διαιρέτες τάσης και ρεύματος προκύπτουν οι παρακάτω σχέσεις: Ri i s (1.15) Ri Rs Ro i Gm i (1.16) R R o Από τις σχέσεις (1.15) και (1.16) προκύπτει το συμπέρασμα ότι για να μην έχουμε απώλεια σήματος θα πρέπει ο ενισχυτής να έχει αντιστάσεις Ri και Ro πολύ μεγαλύτερες από τις αντιστάσεις Rs και RL αντίστοιχα. Επομένως, η διαγωγιμότητα του ενισχυτή διαγωγιμότητας ως προς το σήμα της πηγής εισόδου υs είναι L g ms i i i Ro Ri G R R R R s i s o L i s m (1.17) 14

16 1.2.4 Ενισχυτής διαντίστασης Ο ενισχυτής διαντίστασης είναι ένας ενισχυτής ο οποίος δέχεται στην είσοδο ρεύμα και εμφανίζεται στην έξοδο του τάση. Το χαρακτηριστικό ενός ενισχυτή τέτοιου είδους είναι η διαντίσταση rm που ορίζεται ως ο λόγος της τάσης εξόδου ως προς το ρεύμα εισόδου r m i i (1.18) Σχήμα 1.9: Κυκλωματικό μοντέλο ενισχυτή διαντίστασης (Sedra & Smith 1994, τροποποιημένο). Το κυκλωματικό μοντέλο του ενισχυτή διαντίστασης απεικονίζεται στο σχήμα 1.9. Οι αντιστάσεις Ri και Ro είναι η αντίσταση εισόδου και εξόδου του ενισχυτή αντίστοιχα, η πηγή ρεύματος Rmii είναι μια ελεγχόμενη πηγή τάσης από το ρεύμα εισόδου ii, η πηγή ρεύματος is είναι η πηγή ρεύματος του σήματος εισόδου, η αντίσταση Rs είναι η εσωτερική αντίσταση της πηγής ρεύματος της εισόδου και RL είναι το φορτίο του ενισχυτή. Η Rm είναι η διαντίσταση ανοιχτού κυκλώματος του ενισχυτή δηλαδή η διαντίσταση του ενισχυτή όταν οι ακροδέκτες εξόδου είναι ανοικτοί. Από το σχήμα 1.9 παρατηρούμε ότι εμφανίζεται ένας διαιρέτης ρεύματος στην είσοδο μεταξύ των αντιστάσεων Rs και Ri και ένας διαιρέτης τάσης στην έξοδο μεταξύ των αντιστατών Ro και RL. Από τους διαιρέτες ρεύματος και τάσης προκύπτουν οι παρακάτω σχέσεις: Rs ii is Rs Ri RL Ri mi R R L o (1.19) (1.20) Από τις σχέσεις (1.19) και (1.20) προκύπτει το συμπέρασμα ότι για να μην έχουμε απώλεια σήματος θα πρέπει ο ενισχυτής να έχει αντιστάσεις Ri και Ro πολύ μικρότερες από τις αντιστάσεις Rs και RL αντίστοιχα. Επομένως, η διαντίσταση του ενισχυτή διαντίστασης ως προς το σήμα της πηγής εισόδου is είναι r ms i RL Rs i i i R R R R i s i s L o s i R m (1.21) 15

17 1.3 Βασικές συνδεσμολογίες ενισχυτών ενός σταδίου με διπολικά τρανζίστορ (BJT) Στην παράγραφο αυτή, παρουσιάζονται τρεις συνδεσμολογίες ενισχυτών ενός σταδίου με χρήση διπολικών τρανζίστορ (Sedra & Smith 1994, Καρύμπακας 2001). Η συνδεσμολογία κοινής βάσης, κοινού εκπομπού και κοινού συλλέκτη. Για να λειτουργούν οι παραπάνω συνδεσμολογίες ως ενισχυτές, θα πρέπει τα τρανζίστορ να είναι πολωμένα ώστε να λειτουργούν στην γραμμική περιοχή ή στην ενεργό περιοχή λειτουργίας όπως αλλιώς ονομάζεται. Στην ανάλυση των κυκλωμάτων των ενισχυτών που ακολουθεί τοποθετούνται πυκνωτές C1 και C2 για να μην υπάρχει ροή DC προς την πηγή τάσης και το φορτίο αντίστοιχα. Οι πυκνωτές αυτοί θεωρούμε ότι έχουν κατάλληλη χωρητικότητα ώστε να μην παρουσιάζουν αντίσταση στο εναλλασσόμενο σήμα της πηγής και γι αυτό βραχυκυκλώνονται στο AC ισοδύναμο κύκλωμα Ενισχυτής κοινής βάσης Σχήμα 1.10: Ενισχυτής κοινής βάσης (Καρύμπακας 2001, τροποποιημένο). Στο σχήμα 1.10 απεικονίζεται το κύκλωμα του ενισχυτή κοινής βάσης. Η επαφή εκπομπού-βάσης πολώνεται μέσω της πηγής VEE και της αντίστασης Re και η επαφή βάσης-συλλέκτη μέσω της πηγής VCC και την αντίσταση Rc. Η αντίσταση Rs είναι η εσωτερική αντίσταση της πηγής τάσης υs και η RL είναι η αντίσταση του φορτίου. 16

18 AC ανάλυση Το σχήμα 1.11 απεικονίζει το AC ισοδύναμο του ενισχυτή κοινής βάσης και από αυτό προκύπτουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά του στο εναλλασσόμενο σήμα υs της πηγής. Αντίσταση εισόδου Σχήμα 1.11: AC ισοδύναμο του ενισχυτή κοινής βάσης (Καρύμπακας 2001,τροποποιημένο). Η αντίσταση εισόδου Ri του κυκλώματος είναι η αντίσταση της επαφής εκπομπού βάσης re και η συνολική αντίσταση εισόδου που βλέπει η πηγή τάσης είναι ο παράλληλος συνδυασμός των αντιστάσεων Re και re R i r (1.22) e R R // r (1.23) ' i e e Αντίσταση εξόδου Η αντίσταση εξόδου που βλέπουμε προς τον συλλέκτη έχει θεωρητικά άπειρη τιμή γιατί το ρεύμα του συλλέκτη εξαρτάται μόνο από το ρεύμα βάσης όταν το τρανζίστορ λειτουργεί στην ενεργό περιοχή λειτουργίας και επομένως το τρανζίστορ λειτουργεί σαν πηγή ρεύματος. Η αντίσταση που θα δει το φορτίο, θα είναι ο παράλληλος συνδυασμός της αντίστασης του συλλέκτη και της αντίστασης Rc Ro (1.24) ' R R // R R (1.25) o o c c Στην πραγματικότητα, η αντίσταση συλλέκτη δεν είναι άπειρη αλλά έχει μία πολλή μεγάλη αντίσταση της τάξης των δεκάδων με εκατοντάδων kω, με αποτέλεσμα να μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε προσεγγιστικά τις σχέσεις που εξάγαμε για την αντίσταση εξόδου. 17

19 Απολαβή τάσης Η απολαβή τάσης ως προς το σήμα υi και η απολαβή τάσης ως προς το σήμα της πηγής υs είναι ( Rc / / RL ) ic ( Rc / / RL ) ic Rc / / RL A (1.26) r i r i r Απολαβή ρεύματος i e e e c e A s R ' i i ' s i s Ri Rs A (1.27) Η απολαβή ρεύματος για τα ρεύματα ic και ie, ieκαι il και η ολική απολαβή ρεύματος είναι ic ic Ai 1 (1.28) i i A ' i e R c ic i R L c RL Rc A is Ai ie ie Rc RL il il ie Rc Re Ai i i i R R R r s e s c L e e c (1.29) (1.30) Από την σχέση 1.28 προκύπτει ότι στην έξοδο του ενισχυτή κοινής βάσης εμφανίζεται σχεδόν το ίδιο ρεύμα με το ρεύμα στην είσοδο του. Επομένως, χρησιμοποιείται ως απομονωτής ρεύματος δηλαδή τοποθετείται ανάμεσα σε δύο στάδια και δέχεται το ρεύμα εξόδου του πρώτου σταδίου και το μεταφέρει στο δεύτερο παρέχοντας υψηλή αντίσταση εξόδου. 18

20 1.3.2 Ενισχυτής κοινού εκπομπού Σχήμα 1.12: Ενισχυτής κοινού εκπομπού (Καρύμπακας 2001,τροποποιημένο). Στο σχήμα 1.12 απεικονίζεται το κύκλωμα του ενισχυτή κοινού εκπομπού. Η επαφή της βάσης-εκπομπού πολώνεται μέσω της αντίστασης Rb και η επαφή συλλέκτη-βάσης πολώνεται μέσω της πηγής VCC και της αντίστασης Rc. Οι αντιστάσεις Rs και RL είναι η εσωτερική αντίσταση της πηγής και η αντίσταση του φορτίου αντίστοιχα. AC ανάλυση Σχήμα 1.13: AC ισοδύναμο ενισχυτή κοινού εκπομπού (Καρύμπακας 2001, τροποποιημένο). Στο σχήμα 1.13 απεικονίζεται το AC ισοδύναμο κύκλωμα του ενισχυτή κοινού εκπομπού. Από το AC ισοδύναμο προκύπτουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά του ενισχυτή κοινού εκπομπού. Αντίσταση εισόδου Η αντίσταση εισόδου του ενισχυτή είναι η αντίσταση της επαφής βάσηςεκπομπού και η αντίσταση που βλέπει η πηγή σήματος είναι ο παράλληλος συνδυασμός της Rb και της αντίστασης της επαφής της βάσης-εκπομπού R r r (1.31) i be e R R // r (1.32) ' i b e 19

21 Στον υπολογισμό της αντίστασης εισόδου, θεωρήσαμε ότι η ωμική αντίσταση της περιοχής της βάσης είναι αμελητέα. Αντίσταση εξόδου Η αντίσταση εξόδου είναι η θεωρητικά άπειρη αντίσταση του συλλέκτη και η αντίσταση που βλέπει το φορτίο RL είναι ο παράλληλος συνδυασμός της Rc και της αντίστασης του συλλέκτη Απολαβή τάσης Ro ' o o c c (1.33) R R // R R (1.34) Η απολαβή τάσης ως προς το σήμα υi και η ολική απολαβή τάσης ως προς το σήμα της πηγής υs είναι A Απολαβή ρεύματος ic ( Rc / / RL ) ib ( Rc / / RL ) Rc / / RL i rei b rei b re (1.35) i Rb // re As A ( R / / r ) R (1.36) s i s b e s Η απολαβή ρεύματος για τα ρεύματα ib και ic, il και ib και η ολική απολαβή ρεύματος είναι ic Ai (1.37) i A ' i R b c ic i R L c RL R c ib ib Rc RL A is il il ib Rb Rc i i i R r R R s b s b e c L Ai A i (1.38) (1.39) Από τις σχέσεις που προκύπτουν για την απολαβή τάσης και την απολαβή ρεύματος, παρατηρούμε ότι έχουν ένα "-". Αυτό σημαίνει ότι το σήμα που εμφανίζεται στην έξοδο του κυκλώματος έχει διαφορά φάσης ίση με 180 ο ως προς το σήμα εισόδου. Επίσης, παρατηρούμε ότι ο ενισχυτής κοινού εκπομπού έχει μεγάλη απολαβή τάσης και ρεύματος και γι αυτό χρησιμοποιείται για την ενίσχυση των σημάτων. 20

22 1.3.3 Ενισχυτής κοινού εκπομπού με αντίσταση και πυκνωτή στον εκπομπό Όπως αναφέραμε, ο ενισχυτής κοινού εκπομπού μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ενισχυτής τάσης. Ένας ενισχυτής τάσης θα πρέπει να έχει μεγάλη αντίσταση εισόδου. Ο ενισχυτής κοινού εκπομπού που περιγράψαμε προηγουμένως έχει αντίσταση εισόδου ίση με βre η οποία δεν είναι πολύ μεγάλη. Για να αυξηθεί η αντίσταση εισόδου και για να σταθεροποιηθεί το σημείο πόλωσης του (Παράγραφος 1.4) τοποθετούμε μία αντίσταση Re στον εκπομπό του ενισχυτή (Σχήμα 1.14). Στο σχήμα 1.15 απεικονίζεται το AC ισοδύναμο του κυκλώματος. Σχήμα 1.14: Ενισχυτής κοινού εκπομπού με αντίσταση στον εκπομπό (Καρύμπακας 2001). Σχήμα 1.15: AC ισοδύναμο ενισχυτή κοινού εκπομπού με αντίσταση στον εκπομπό (Καρύμπακας 2001). 21

23 Οι σχέσεις που μας δίνουν την αντίσταση εισόδου, την αντίσταση εξόδου, την απολαβή τάσης και την απολαβή ρεύματος του τρανζίστορ είναι A s A is R i R e ' i b e (1.40) R R // R (1.41) R R // R (1.42) ' o o c Rc // RL A Re (1.43) Rb // Re ( Rb / / Re ) Rs A (1.44) ic Ai ib (1.45) Rb Rc Ai R R R R (1.46) b e c L Από τις σχέσεις που προκύπτουν, παρατηρούμε ότι η αντίσταση Re έχει αυξήσει την αντίσταση εισόδου του κυκλώματος αλλά μειώνει πολύ την απολαβή τάσης του κυκλώματος. Αν τοποθετηθεί ένας πυκνωτής παράλληλα στη Re με συγκεκριμένη τιμή χωρητικότητας ώστε να μην προβάλει αντίσταση στο AC σήμα τότε το κύκλωμα έχει καλή σταθεροποίηση του σημείου ηρεμίας, καλή ενίσχυση τάσης αλλά μικρή αντίσταση εισόδου. Στην πράξη, για να επιτύχουμε καλή σταθεροποίηση, καλή ενίσχυση και καλή αντίσταση εισόδου χρησιμοποιούμε ένα πυκνωτή Ce παράλληλα στην αντίσταση Re1 και μια αντίσταση Re2 σε σειρά με τον παράλληλο συνδυασμό των Re1 και Ce (Σχήμα 1.16). Σχήμα 1.16: Ενισχυτής κοινού εκπομπού με αντιστάσεις και πυκνωτή στον εκπομπό. 22

24 1.3.4 Ενισχυτής κοινού συλλέκτη Σχήμα 1.17: Ενισχυτής κοινού συλλέκτη (Καρύμπακας 2001, τροποποιημένο). Στο σχήμα 1.17 απεικονίζεται το κύκλωμα του ενισχυτή κοινού συλλέκτη. Η πόλωση των επαφών της βάσης-συλλέκτη και της βάσης-εκπομπού παρέχεται από την πηγή τάσης VCC και τις αντιστάσεις Rb και Re. Η Rs είναι η εσωτερική αντίσταση της πηγής εναλλασσόμενης τάσης υs και η RL είναι το φορτίο. AC ισοδύναμο Σχήμα 1.18: AC ισοδύναμο ενισχυτή κοινού συλλέκτη (Καρύμπακας 2001, τροποποιημένο). Στο σχήμα 1.18 παρουσιάζεται το AC ισοδύναμο κύκλωμα του ενισχυτή κοινού συλλέκτη. Από το AC ισοδύναμο προκύπτουν τα χαρακτηριστικά στοιχεία του ενισχυτή στο εναλλασσόμενο σήμα της πηγής υs Αντίσταση εισόδου Η αντίσταση εισόδου Ri και αντίσταση που βλέπει η πηγή εναλλασσόμενου σήματος υs είναι i be re ib ( Re / / RL ) ib Ri ( Re / / RL ) (1.47) i i i b b b ' Ri Rb // Ri (1.48) 23

25 Αντίσταση εξόδου Η αντίσταση εξόδου του ενισχυτή και η αντίσταση εξόδου που βλέπει το φορτίο RL είναι R o r i ( R / / R ) i R / / R re i i i be i e b s b b s b e e b ' Ro Re // Ro (1.49) (1.50) Απολαβή τάσης Η απολαβή τάσης ως προς το σήμα εισόδου υi και η ολική απολαβή τάσης ως προς το σήμα της πηγής είναι A be ( Re / / RL ) ib ( Re / / RL ) ib Re / / RL i Riib [ re ( Re / / RL )] ib re ( Re / / RL ) Rb / / Ri Rb / / Ri As A ( R / / R ) R ( R / / R ) R Απολαβή ρεύματος b i s b i s 1 (1.51) (1.52) Η απολαβή ρεύματος για τα ρεύματα ib και ie, il και ib και η ολική απολαβή ρεύματος είναι ie ic ib Ai (1.53) ib ib ' il il ie Re Ai Ai (1.54) ib ie ib Re RL il ib Re Rs Ais Ai (1.55) i i R R R R b s e L s i Παρατηρούμε από την σχέση 1.51 ότι ο ενισχυτής κοινού συλλέκτη έχει τάση εξόδου περίπου ίδια με την τάση εισόδου και γι αυτό ονομάζεται και ακολουθητής τάσης. Έχει μεγάλη αντίσταση εισόδου και μικρή αντίσταση εξόδου και έτσι μπορεί να μεταφέρει ένα σήμα τάσης από την πηγή σε φορτίο μικρής αντίστασης χωρίς απώλεια σήματος, δηλαδή χρησιμοποιείται ως απομονωτής. 24

26 1.4 Πόλωση ενισχυτών-σταθεροποίηση σημείου ηρεμίας Όπως αναφέραμε στην παράγραφο 1.1, τα τρανζίστορ που αποτελούν τον ενισχυτή πρέπει να είναι πολωμένα σε ένα συγκεκριμένο σημείο ηρεμίας Q δηλαδή να υπάρχει συνεχώς ένα καθορισμένο DC ρεύμα στον συλλέκτη, το οποίο είναι το ρεύμα πόλωσης του τρανζίστορ, ανεξάρτητα από το σήμα στην είσοδο του ενισχυτή. Υπάρχουν όμως παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την σταθερότητα του σημείου ηρεμίας. Ένας παράγοντας είναι η θερμοκρασία η οποία μεταβάλει την τιμή της τάσης πόλωσης βάσης-εκπομπού VBE και του β του τρανζίστορ και επομένως μεταβάλλεται το ρεύμα πόλωσης του συλλέκτη γιατί είναι συναρτήσει αυτών των δύο παραμέτρων. Άλλος παράγοντας είναι ότι τρανζίστορ ίδιου τύπου παρουσιάζουν μεταβολές στην τιμή του β τους. Η τιμή του β μπορεί να έχει διασπορά 1:3 δηλαδή η τιμή του β για ένα συγκεκριμένο τύπο τρανζίστορ μπορεί να κυμαίνεται από 50 έως 150. Επίσης, το σημείο πόλωσης επηρεάζεται από της διακυμάνσεις της τάσης τροφοδοσίας καθώς και από την ακρίβεια των τιμών των αντιστατών που χρησιμοποιούνται (Καρύμπακας 2001). Η μεταβολή της θερμοκρασίας επηρεάζει την τιμή των αντιστατών σύμφωνα με την γραμμική σχέση R( T) R01 at T0 (1.56) όπου Τ0 είναι η θερμοκρασία των 0 C, R0 η τιμή της αντίστασης σε θερμοκρασία Τ0 και α είναι συντελεστής που εξαρτάται από το υλικό κατασκευής του αγωγού (Καλαϊτζάκης & Κουτρούλης 2010) 2. Το πρόβλημα της πόλωσης των ενισχυτών γίνεται ακόμα μεγαλύτερο στους ενισχυτές συνεχούς ζεύξης γιατί σε αυτούς, η ολίσθηση του σημείου ηρεμίας ενός σταδίου επηρεάζει άμεσα το σημείο ηρεμίας του επόμενου σταδίου. Στην συνέχεια θα αναφέρουμε μερικές μεθόδους πόλωσης της συνδεσμολογίας κοινού εκπομπού ενός διπολικού τρανζίστορ (Sedra & Smith 1994, Καρύμπακας 2001). Όπως αναφέραμε προηγουμένως, τα μεγέθη που επηρεάζονται από την θερμοκρασία είναι η τάση VBE και το β με αποτέλεσμα να επηρεάζεται το ρεύμα πόλωσης που είναι συναρτήσει των παραμέτρων αυτών. Μία μέθοδος είναι η σταθεροποίηση της τάσης βάσης-εκπομπού VBE με σταθερή τάση, η οποία όμως δεν δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα γιατί όπως αναφέραμε η VBE επηρεάζεται από την θερμοκρασία. Άλλη μέθοδος είναι η σταθεροποίηση του ρεύματος βάσης IB με την χρήση πηγής τάσης για την πόλωση της επαφής βάσης-εκπομπού και μιας αντίστασης στην βάση του τρανζίστορ. Η μέθοδος αυτή σταθεροποιεί το ρεύμα ΙΒ αλλά λόγω της σχέσης ΙC=βIB, μικρές μεταβολές του ρεύματος ΙΒ προκαλούν αρκετά μεγάλες μεταβολές του ρεύματος ΙC δηλαδή του ρεύματος συλλέκτη και επομένως δεν παρέχει ικανοποιητικά αποτελέσματα. 2 Οι Καλαϊτζάκης & Κουτρούλης (2010) δίνουν την σχέση για την ειδική αντίσταση αλλά θεωρήθηκε σκόπιμο στην παρούσα εργασία να χρησιμοποιηθεί η αντίσταση. Η σχέση που συνδέει τα δύο μεγέθη δίνεται στην ίδια πηγή. 25

27 Μία μέθοδος που δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα είναι η σταθεροποίηση του ρεύματος του εκπομπού. Η μέθοδος αυτή υλοποιείται με την χρήση μιας πηγής τάσης για την πόλωση της VBE και την χρήση μιας αντίστασης στον εκπομπό. Η τεχνική αυτή σταθεροποιεί το ρεύμα του εκπομπού και λόγω της σχέσης ΙC - [β/(β+1)]ιε και της σχέσης β/(β+1) 1 συμπεραίνουμε ότι το ρεύμα πόλωσης είναι σταθερό και επηρεάζεται ελάχιστα από το β του τρανζίστορ. Στην πράξη, για να σταθεροποιηθεί το σημείο ηρεμίας των τρανζίστορ χρησιμοποιούνται συνδυασμοί των παραπάνω τεχνικών πόλωσης. Στην ανάλυση των τεχνικών πόλωση κάνουμε την προσέγγιση ότι ΙC IE και βρίσκουμε το ρεύμα ΙΕ αντί του ρεύματος ΙC. Πόλωση με διαιρέτη τάσης και αντίσταση στον εκπομπό Η πόλωση με διαιρέτη τάσης και αντίσταση στον εκπομπό απεικονίζεται στο σχήμα 1.19 (α) (α) (β) Σχήμα 1.19: (α) Πόλωση με διαιρέτη τάσης και αντίσταση στον εκπομπό (β) Ισοδύναμο Thevenin της πόλωσης με διαιρέτη τάσης και αντίσταση στον εκπομπό (Sedra & Smith 1994). Ο διαιρέτης τάσης που αποτελείται από τις αντιστάσεις R1 και R2 πολώνει την επαφή βάσης-εκπομπού του τρανζίστορ με ένα κλάσμα της τάσης τροφοδοσίας VCC. Αντικαθιστούμε τον διαιρέτη τάσης με το ισοδύναμο κύκλωμα Thevenin (Σχήμα 1.19 (β)). Από το σχήμα αυτό προκύπτει ότι το ΙΕ ισούται με I E VBB VBE R R / ( 1) E B (1.57) Από την σχέση 1.57 προκύπτει ότι για να είναι το ΙΕ σταθερό θα πρέπει VBB >> VBE (1.58) RE >> RB/(β+1) (1.59) 26

28 Οι συνθήκες (1.58) και (1.59) μας δείχνουν ότι ο διαιρέτης τάσης πρέπει να παρέχει μεγάλη τάση στην επαφή βάσης-εκπομπού ώστε οι τυχόν διακυμάνσεις της VBE, που είναι μικρές, να απορροφούνται από την VBB καθώς και ότι η αντίσταση RΒ πρέπει να είναι μικρή για να μην επηρεάζεται το ΙΕ από τις μεταβολές του β δηλαδή η τάση της βάσης να είναι ανεξάρτητη της τιμής του β και να ορίζεται μόνο από τον διαιρέτη τάσης. Βέβαια υπάρχουν όρια στις τιμές των VBB και του RB. Αν αυξηθεί πολύ η τιμή της VBB και η τιμή της φτάσει κοντά στην τιμή της τάσης τροφοδοσία VCC, τότε η πτώση τάσης στην αντίσταση RC θα είναι μικρή γιατί το άθροισμα των τάσεων της επαφής βάσης-συλλέκτη και της πτώση τάσης στα άκρα της αντίστασης RC θα είναι μικρό. Αυτό το γεγονός έρχεται σε αντίθεση με την προσδοκία μας που είναι να υπάρχει μεγάλη πτώσης τάσης στην αντίσταση RC για να έχουμε μεγάλο κέρδος τάσης και επίσης μεγάλο VCB( ή VCE) για να έχουμε μεγάλο περιθώριο μεταβολής του σήματος πριν το τρανζίστορ έρθει στην αποκοπή ή στον κόρο. Επίσης, η μικρή τιμή του Rb μπορεί να πραγματοποιηθεί με την χρήση μικρών αντιστατών R1 και R2 αλλά στην περίπτωση αυτή το τροφοδοτικό παρέχει μεγάλο ρεύμα, δηλαδή αυξάνεται η κατανάλωση, και μικραίνει η αντίσταση εισόδου του ενισχυτή. Η απαίτηση να είναι η τάση της βάσης ανεξάρτητη από την τιμή του β πραγματοποιείται αν το ρεύμα που διαρρέει τον διαιρέτη τάσης είναι πολύ μεγαλύτερο από το ρεύμα βάσης. Ενδεικτικά, οι τιμές που χρησιμοποιούνται στην πράξη είναι: Η VΒΒ, η VCB(ή VCE) και το ΙCRC να είναι περίπου το 1/3 της VCC και οι R1 και R2 να έχουν τέτοιες τιμές ώστε το ρεύμα που τις διαρρέει να βρίσκεται στην περιοχή ΙΕ και 0.1ΙΕ. Επίσης, για να μην έχει ο ενισχυτής μικρή αντίσταση εισόδου, λόγω της μικρής τιμής της Rb, η τιμή της Rb εκλέγεται ανάλογα με την αντίσταση της πηγής που θα συνδεθεί στην είσοδο. Η αντίσταση RE που έχει τοποθετηθεί στον εκπομπό σταθεροποιεί το ρεύμα πόλωσης γιατί λειτουργεί ως αρνητική ανάδραση. Αν για κάποιο λόγο αυξηθεί το ρεύμα πόλωσης του ενισχυτή, τότε η πτώση τάσης στα άκρα της αντίστασης αυξάνεται, με αποτέλεσμα να μειώνεται η τάση στην επαφή βάσης-εκπομπού με συνέπεια την μείωση του ρεύματος βάσης και κατ επέκταση του ρεύματος του συλλέκτη που είναι το ρεύμα πόλωσης. 27

29 Πόλωση με συμμετρική τροφοδοσία Αν το κύκλωμα έχει συμμετρική τροφοδοσία τότε η πόλωση πραγματοποιείται με αντίσταση στην βάση και στον εκπομπό χωρίς πηγής τάσης στην βάση του τρανζίστορ. Το κύκλωμα απεικονίζεται στο σχήμα Σχήμα 1.20: Πόλωση με συμμετρική τροφοδοσία (Sedra & Smith 1994). Η τιμή του ΙΕ δίνεται από την σχέση I E VEE VBE R R / ( 1) E B (1.60) Όπως παρατηρούμε, η σχέση 1.60 είναι παρόμοια με την σχέση 1.57 με την μόνη διαφορά ότι η VBB έχει αντικατασταθεί με την VEE. Τα συμπεράσματα που εξάγονται από την σχέση 1.60 είναι τα ίδια με τα συμπεράσματα που εξάχθηκαν από την σχέση Η αντίσταση RB μπορεί να παραληφθεί αν η βάση είναι συνδεδεμένη στην γη ενώ είναι απαραίτητη αν συνδεθεί πηγή εναλλασσόμενης τάσης. 28

30 Πόλωση με αντίσταση μεταξύ βάσης και συλλέκτη Η τεχνική πόλωσης με αντίσταση μεταξύ βάσης και συλλέκτη απεικονίζεται στο σχήμα Σχήμα 1.22: Πόλωση με αντίσταση μεταξύ βάσης και συλλέκτη (Sedra & Smith 1994, τροποποιημένο). Από την σχήμα 1.22 προκύπτει ότι η σχέση που δίνει το ρεύμα πόλωσης ΙΕ είναι V I R I R V I CC E C B B BE E VCC VBE R R / ( 1) C B (1.61) Από την σχέση 1.61 παρατηρούμε ότι για να είναι σταθερό το ΙΕ και να μην επηρεάζεται από το β πρέπει να ισχύει RC>>RB/(β+1) (1.62) Η τιμή όμως της RB καθορίζει τα περιθώρια μεταβολής του σήματος στο συλλέκτη γιατί επηρεάζει την τάση VCB (ή VCE). Επίσης η RΒ παρέχει αρνητική ανάδραση στο κύκλωμα γιατί αν για κάποιο λόγο αυξηθεί το ρεύμα ΙΕ, θα αυξηθεί το ΙΒ και η πτώση τάσης στα άκρα της αντίσταση RΒ, με αποτέλεσμα να μειωθεί η πτώση τάσης στα άκρα της RC και συνεπώς το ρεύμα IE. 29

31 Πόλωση με πηγή ρεύματος Η τεχνική πόλωσης με πηγή ρεύματος απεικονίζεται στο σχήμα Σχήμα 1.23: Πόλωση με πηγή ρεύματος (Sedra & Smith 1994). Στην περίπτωση αυτή, το κύκλωμα πολώνεται από την πηγή ρεύματος και το ρεύμα ΙΕ είναι ανεξάρτητο από τις τιμές των β και RB. Το πλεονέκτημα της τεχνικής αυτής είναι ότι η τιμή της Rb μπορεί να αυξηθεί με αποτέλεσμα να έχουμε την επιθυμητή αντίσταση εισόδου. Χρήση διόδου ή διοδικού τρανζίστορ για την αντιστάθμιση του αποτελέσματος της θερμοκρασίας Στην τεχνική αυτή, τοποθετείται μια δίοδος ανάμεσα στην επαφή της βάσης και της αντίστασης R2 του διαιρέτη τάσης (Σχήμα 1.21 (α)) και βασίζεται στο γεγονός ότι η μεταβολή της τάσης της επαφής βάσης-εκπομπού του τρανζίστορ μεταβάλλεται παρόμοια με την τάση στα άκρα της διόδου VD. 30

32 (α) (β) Σχήμα 1.21: Χρήση (α) διόδου ή (β) διοδικού τρανζίστορ για την αντιστάθμιση του αποτελέσματος της θερμοκρασίας (Καρύμπακας 2001). Από το σχήμα προκύπτουν οι δύο παρακάτω σχέσεις I V V I R CC BE E E 1 (1.63) R1 I V I R V I R V R I V I R E D 2 2 BE E E D 2 1 BE E E Με αντικατάσταση της σχέσης 1.63 στην σχέση 1.64 προκύπτει (1.64) I E R R V V 1 V R 2 R 2 1 RE R1 2 2 D CC BE R1 R1 (1.65) Παρατηρούμε από την σχέση 1.65 ότι αν η R2 έχει μικρή τιμή το ΙΕ δεν επηρεάζεται από την μεταβολή του β. Επίσης, αν ο λόγος R2/R1 είναι πολύ μικρότερος από την μονάδα, τότε η σχέση 1.65 γίνεται R2 VD VBE VCC R1 IE (1.66) R2 RE Από την σχέση 1.66 παρατηρούμε ότι η μεταβολή της VBE εξουδετερώνεται από την μεταβολή της VD. 31

33 Ένα γενικό συμπέρασμα που προκύπτει από την σχέση 1.66 και που ισχύει για τις τεχνικές πόλωσης με διαιρέτη τάσης που αναφέρθηκαν, είναι ότι όταν ο λόγος R2/R1 είναι πολύ μικρότερος από την μονάδα, το ρεύμα ΙΕ δεν επηρεάζεται πάρα πολύ από τις διακυμάνσεις της τάσης τροφοδοσίας. Το αποτέλεσμα αυτό δεν μπορούσε να εξαχθεί από τις προηγούμενες αναλύσεις των κυκλωμάτων γιατί στην ανάλυση χρησιμοποιήθηκε το ισοδύναμο Thevenin. Η τεχνική αυτή υλοποιείται και πετυχαίνει αντίστοιχα αποτελέσματα αν αντί της διόδου τοποθετηθεί ένα διοδικά συνδεδεμένο τρανζίστορ (Σχήμα 1.21 (β)). 1.5 Συνδεσμολογία ενισχυτή cascode Η συνδεσμολογία του ενισχυτή cascode αποτελείται από ένα τρανζίστορ σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού και ένα σε συνδεσμολογία κοινής βάσης (Σχήμα 1.24) και συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των κυκλωμάτων του ενισχυτή κοινού εκπομπού και κοινής βάσης. Η πόλωση των Q1 και Q2 παρέχεται από την πηγή VCC και τις αντιστάσεις R1, R2,R3, Rc και Re, υs είναι η πηγή του σήματος εισόδου, Rs η εσωτερική αντίσταση της πηγής και RL είναι το φορτίο. Οι πυκνωτές C1, C2 και Cb έχουν τοποθετηθεί για να μην υπάρχει διαρροή ρεύματος DC και η χωρητικότητα τους έχει κατάλληλη τιμή ώστε να μην παρουσιάζουν αντίσταση στο AC σήμα. Η χρήση του Cb έχει γίνει και για να βλέπει το σήμα στην βάση του Q2 δυναμικό της γης. Ο πυκνωτής Ce έχει τοποθετηθεί για να μην έχουμε απώλεια στην ενίσχυση του σήματος λόγω της αντίστασης Re και έχει κατάλληλη τιμή ώστε να αμελητέα αντίσταση στο AC σήμα. Σχήμα 1.24: Συνδεσμολογία ενισχυτή cascode (Sedra & Smith 1994, τροποποιημένο). 32

34 AC ισοδύναμο Το AC ισοδύναμο κύκλωμα της συνδεσμολογίας του ενισχυτή cascode απεικονίζεται στο σχήμα 1.25 Σχήμα 1.25: AC ισοδύναμο ενισχυτή cascode. Το πρώτο σημαντικό χαρακτηριστικό της συνδεσμολογίας cascode είναι η αντίσταση φορτίου του ενισχυτή κοινού εκπομπού. Από το AC ισοδύναμο παρατηρούμε ότι η αντίσταση φορτίου του ενισχυτή κοινού εκπομπού δεν είναι η αντίσταση Rc αλλά η αντίσταση της επαφής βάσης-εκπομπού re του Q2. Το γεγονός αυτό έρχεται σε αντίθεση με το γεγονός ότι ο ενισχυτής κοινού εκπομπού παρέχει μεγαλύτερη ενίσχυση όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση του συλλέκτη αλλά παρέχει τεράστια βελτίωση στην απόκριση συχνότητα του ενισχυτή (Παράγραφος 1.9.5) Το δεύτερο σημαντικό χαρακτηριστικό της συνδεσμολογίας είναι η αντίσταση εξόδου της. Όπως έχουμε αναφέρει, στην συνδεσμολογία κοινής βάσης το ρεύμα του συλλέκτη και το ρεύμα του εκπομπού είναι σχεδόν ίσα. Επομένως, το Q2 δέχεται το ρεύμα ic του Q1 με μια μικρή αντίσταση εισόδου re και δίνει ένα σχεδόν ίσο ρεύμα στο φορτίο με μεγάλη αντίσταση εξόδου Ro. Επειδή όμως στον εκπομπό του Q2 υπάρχει αντίσταση η οποία ισούται με την αντίσταση του συλλέκτη του Q1 η αντίσταση εξόδου της συνδεσμολογίας προκύπτει ότι είναι R R (1.67) o o1 όπου Ro1 είναι η αντίσταση του συλλέκτη του Q1. 33

35 1.6 Διαφορικός ενισχυτής Ο διαφορικός ενισχυτής είναι ένα κύκλωμα το οποίο ενισχύει την διαφορά των σημάτων εισόδου και γι αυτό ονομάζεται και ενισχυτής διαφοράς. Η ικανότητα του αυτή παρέχει στον διαφορικό ενισχυτή δύο μεγάλα πλεονεκτήματα. Το πρώτο πλεονέκτημα του είναι ότι παρουσιάζει πολλή μικρή ολίσθηση των δυναμικών εξόδου του στις διάφορες μεταβολές των συνθηκών λειτουργίας του όπως η μεταβολή της θερμοκρασίας και η διακύμανση των τάσεων τροφοδοσίας καθώς και του θορύβου. Το αποτέλεσμα αυτό προκύπτει από το γεγονός ότι το κύκλωμα είναι συμμετρικό και επομένως οι οποιεσδήποτε μεταβολές επηρεάσουν την λειτουργία των στοιχείων του κυκλώματος, θα εμφανιστούν και στους δύο κλάδους και θα επηρεάσουν και τις δύο εισόδους. Επειδή όμως η έξοδος είναι η ενισχυμένη διαφορά των σημάτων εισόδου, στην έξοδο δεν θα εμφανιστούν οι διακυμάνσεις αυτές. Το δεύτερο πλεονέκτημα είναι ότι δεν χρειάζεται να τοποθετηθεί πυκνωτής στην έξοδο του κυκλώματος για να συνδεθεί στην συνέχεια με κάποιο άλλο κύκλωμα και είναι αποτέλεσμα του γεγονότος ότι από τους δύο κλάδους του κυκλώματος περνάει σταθερό ρεύμα και όταν αυξηθεί παραδείγματος χάριν στο ένα κλάδο τότε θα μειωθεί στον άλλο κλάδο. Επομένως, από την έξοδο του κυκλώματος θα διαρρεύσει μόνο του ρεύμα που οφείλεται στο σήμα εισόδου και όχι κάποιο σταθερό ρεύμα. Τα πλεονεκτήματα που παρέχει ο διαφορικός ενισχυτής έχει ως αποτέλεσμα την ευρεία χρήση του σε διάφορες εφαρμογές όπως οι ενισχυτές τάσης Ιδανικός διαφορικός ενισχυτής Σχήμα 1.26: Ιδανικός διαφορικός ενισχυτής. Στο σχήμα 1.26 απεικονίζεται το κύκλωμα του ιδανικού διαφορικού ενισχυτή. Αυτός αποτελείται από δύο ίδια τρανζίστορ, μια ιδανική πηγή ρεύματος και δύο ίδιες αντιστάσεις. Όταν δεν εφαρμόζεται κάποιο σήμα στις εισόδους του διαφορικού ενισχυτή, λόγω της ομοιότητας των στοιχείων, κάθε κλάδος του κυκλώματος διαρρέεται από ρεύμα ίσο με το μισό ρεύμα που παρέχει η πηγή ρεύματος. Αν εφαρμοστεί στην είσοδο ένα σήμα, τότε θα υπάρξει αύξηση ή μείωση του ρεύματος που διαρρέει τον ένα κλάδο και μείωση ή αύξηση αντίστοιχα του ρεύματος που διαρρέει τον άλλο κλάδο. 34

36 Ο διαφορικός ενισχυτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί με πολλούς τρόπους. Δύο από αυτούς είναι να εφαρμοστεί σήμα σε μία από τις δύο εισόδους του κυκλώματος (λειτουργία μονής εισόδου) ή να εφαρμοστεί διαφορικό σήμα στις εισόδους (λειτουργιά διαφορικής εισόδου) δηλαδή υi1=-υi2. Λειτουργία μονής εισόδου Στην λειτουργία μονής εισόδου, η πηγή τοποθετείται στην μία είσοδο του διαφορικού ενισχυτή και η άλλη είσοδος γειώνεται (Σχήμα 1.27). Σχήμα 1.27: Λειτουργία μονής εισόδου του ιδανικού διαφορικού ενισχυτή (Καρύμπακας 2001, τροποποιημένο). Το αποτέλεσμα της συνδεσμολογίας αυτής είναι εμφάνιση ενός ενισχυμένου σήματος στον συλλέκτη του Q1 το οποίο έχει διαφορά φάσης 90 ο ως προς το σήμα εισόδου και ενός ενισχυμένου σήματος στον συλλέκτη του Q2 το οποίο είναι συμφασικό με το σήμα εισόδου. Το αποτέλεσμα αυτό προκύπτει γιατί κατά την εφαρμογή του σήματος στην είσοδο του Q1 το ρεύματα που διαρρέουν τους κλάδους μεταβάλλονται κατά την ποσότητα Δi. Στην θετική ημιπερίοδο του σήματος εισόδου, η τάση στον συλλέκτη του Q1 ισούται με Vcc-[(I/2)+Δi]Rc και η τάση στον συλλέκτη του Q2 ισούται με Vcc-[(I/2)-Δi]Rc. Στην αρνητική ημιπερίοδο, οι τάσεις μεταβάλλονται αντίστοιχα. Αν λάβουμε την διαφορική έξοδο υod (Σχήμα 1.28) τότε το σήμα της διαφορικής εξόδου είναι ένα σήμα το οποίο έχει διπλάσιο μέτρο από το σήμα υο1 ή το υο2. Επομένως, έχουμε διπλάσια απολαβή σήματος. 35

37 Σχήμα 1.28: Λειτουργία διαφορικής εξόδου με μονή είσοδο του ιδανικού διαφορικού ενισχυτή. Από το AC ισοδύναμο κύκλωμα (Σχήμα 1.29) προκύπτει ότι η αντίσταση εισόδου είναι ίση με i 1 Ri ( 1)( re 1 re 2) 2re (1.68) i b1 Επομένως, η απολαβή τάσης μονής εισόδου υi1 στην έξοδο υο1 είναι R i R R 1 c b1 c c 1 (1.69) i 1 Riib 1 2re 2re Η απολαβή στην έξοδο υο2 είναι ίση κατά μέτρο με την απολαβή τάσης στην έξοδο υο1 με μόνη διαφορά την διαφορά φάσης των 90 ο : Α2=-Α1. Η απολαβή τάσης της διαφορικής εξόδου θα έχει την διπλάσια τιμή από την απολαβή τάσης μονής εισόδου. Σχήμα 1.29: ΑC ισοδύναμο μονής λειτουργίας ιδανικού διαφορικού ενισχυτή (Καρύμπακας 2001, τροποποιημένο). 36

38 Λειτουργία διαφορικής εισόδου Στην λειτουργία διαφορικής εισόδου εφαρμόζεται σήμα υid στις εισόδους του κυκλώματος με αποτέλεσμα οι τάσεις στις εισόδους να είναι υi1=-υi2 (Σχήμα 1.30). Στην περίπτωση αυτή ο διαφορικός ενισχυτής λέμε ότι βρίσκεται υπό διαφορική λειτουργία. Σχήμα 1.30: Λειτουργία διαφορικής εισόδου του ιδανικού διαφορική ενισχυτή. Η τάση στις εξόδους του διαφορικού ενισχυτή, λόγω της επαλληλίας που οφείλεται στα σήματα εισόδου, θα είναι διπλάσιες από την περίπτωση της λειτουργίας μονής εισόδους και η διαφορική έξοδος θα είναι επίσης διπλάσια από την διαφορική έξοδο στην λειτουργία μονής εισόδου. Από το AC ισοδύναμο (σχήμα 1.31) προκύπτει η σχέση ( 1) r i ( 1) r i ( 1)( r r ) i (1.70) id be1 be2 e1 b1 e2 b2 e1 e2 b1 Επομένως, η διαφορική αντίσταση εισόδου είναι R ( 1)( r r ) 2r (1.71) id id e1 e2 e ibi Από τις σχέσεις 1.68 και 1.71 προκύπτει το συμπέρασμα ότι η αντίσταση εισόδου σε λειτουργία μονής εισόδου και σε λειτουργία διαφορικής εισόδου έχουν την ίδια τιμή. Σχήμα 1.31: AC ισοδύναμο διαφορικής λειτουργίας του ιδανικού διαφορικού ενισχυτή (Καρύμπακας 2001, τροποποιημένο). 37

39 Η απολαβή τάσης διαφορικής εισόδου-μονής εξόδου είναι ίδια με την απολαβή τάσης μονής εισόδου-μονής εξόδου γιατί το σήμα στην είσοδο διπλασιάζεται (υid=2υi) και διπλασιάζεται και το σήμα στην έξοδο οπότε 1 Rc d 1 (1.72) 2r id e Η απολαβή τάσης διαφορικής εισόδου-διαφορικής εξόδου θα είναι η διπλάσια από την απολαβή τάσης διαφορικής εισόδου-μονής εξόδου γιατί το σήμα στην έξοδο θα είναι διπλάσια κατά μέτρο: d 1 2 c dd 2d id i 1i2 re R (1.73) Απόρριψη κοινού σήματος Όπως αναφέραμε προηγουμένως, ένα από τα πλεονεκτήματα του διαφορικού ενισχυτή είναι η ικανότητα του να απορρίπτει το κοινό σήμα που εφαρμόζεται στις εισόδους του δηλαδή το διαφορικό σήμα εξόδου να μην επηρεάζεται από την ύπαρξη κοινού σήματος στις εισόδους του. Σχήμα 1.32: Απορρίψη κοινού σήματος του ιδανικού διαφορικού ενισχυτή. Στο σχήμα 1.32 απεικονίζεται ένας ιδανικός διαφορικός ενισχυτής στον οποίο εφαρμόζεται ένα κοινό σήμα στις εισόδους του. Το αποτέλεσμα είναι οι έξοδοι του να έχουν μηδενικές τιμές γιατί λόγω επαλληλίας, την μεταβολής τάσης που προκαλεί η μία είσοδος στην τιμή της τάσης εξόδου την αναιρεί η άλλη. Επομένως ο διαφορικός ενισχυτής απορρίπτει το κοινό σήμα στις εισόδους του. 38

40 1.6.2 Μη ιδανικός διαφορικός ενισχυτής Στην πραγματικότητα, ο διαφορικός ενισχυτής δεν έχει ακριβώς την λειτουργία του ιδανικού διαφορικού ενισχυτή που περιγράψαμε προηγουμένως. Αυτό συμβαίνει γιατί οι τιμές των αντιστάσεων διαφέρουν, τα τρανζίστορ δεν είναι όμοια και στο γεγονός ότι μια πραγματική πηγή ρεύματος έχει πεπερασμένη τιμή αντίστασης. Στο σχήμα 1.33 απεικονίζεται ένας διαφορικός ενισχυτής με ίδια τρανζίστορ, ίδιες αντιστάσεις Rc αλλά με πραγματική πηγή ρεύματος στις εισόδους του οποίου έχει τοποθετηθεί κοινό σήμα. Σχήμα 1.33: Μη ιδανικός διαφορικός ενισχυτής (Καρύμπακας 2001, τροποποιημένο). Επειδή η αντίσταση RE της πηγής είναι παράλληλη της re στο AC ισοδύναμο κύκλωμα, δεν επηρεάζει την αντίσταση εισόδου Ri και κατ επέκταση την ενίσχυση που προκαλεί η είσοδος υc1 στην έξοδο υο1 και η είσοδος υc2 στην έξοδο υo2. Επομένως ισχύουν η σχέση που βρήκαμε στον ιδανικό διαφορικό ενισχυτή R 1 2 c 1 c1 c2 2r (1.74) e Μελετάμε στην συνέχεια την επίδραση που έχει στην έξοδο υο2 η είσοδος υc1 μέσω του AC ισοδύναμου κυκλώματος που απεικονίζεται στο σχήμα Ονομάζουμε υ'ο2 το σήμα που οφείλεται στην υc1 και υ"ο2 το σήμα που οφείλεται στην υc2. Όπως αναφέραμε προηγουμένως ισχύει η σχέση R (1.75) '' c o2 1 c2 c2 2re 39

41 Σχήμα 1.34: AC ισοδύναμο μη ιδανικού διαφορικού ενισχυτή με κοινό σήμα στις εισόδους (Καρύμπακας 2001, τροποποιημένο). Αν κάνουμε την προσέγγιση ότι τα ρεύματα των συλλεκτών των τρανζίστορ είναι ίσα με τα ρεύματα εκπομπού (ic=ie) προκύπτει από το σχήμα 1.34 ότι όπου και R ( i ) R i R ( i i ) (1.76) ' ' ' ' ' 2 c c2 c e2 c c1 R E i i (1.77) ' ' c1 c1 c1 b1 Ri 2re i (1.78) ' e c1 RE RE 2RE Από τις σχέσεις 1.76, 1.77 και 1.78 προκύπτει 2 R ( ) (1.79) ' c1 c1 C 2re 2RE άρα η απολαβή τάσης που οφείλεται στην υc1 είναι R R R (1.80) ' 2 c c c 2 A1 c 1 2re 2RE 2RE Η τάση στην έξοδο υο2 που οφείλεται στο κοινό σήμα υc είναι R ( ) (1.81) ' '' c c 1 c 1 2 c c 2RE και η απολαβή του κοινού σήματος 2 Rc c (1.82) 2R c E 40

42 Παρατηρούμε ότι όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση της πηγής ρεύματος RE, τόσο λιγότερο επηρεάζει το κοινό σήμα στις εξόδους του διαφορικού ενισχυτή. Η διαφορική απολαβή κοινού σήματος για την διαφορική έξοδο του διαφορικού ενισχυτή είναι 12 Rc Rc cd 0 (1.83) 2R 2R c E E επομένως η αντίσταση RE δεν επηρεάζει την διαφορική απολαβή κοινού σήματος και επομένως η διαφορική έξοδος του ενισχυτή δεν επηρεάζεται από την ύπαρξη κοινού σήματος στις εισόδους του διαφορικού ενισχυτή. Στην πράξη επειδή οι αντιστάσεις και τα τρανζίστορ δεν είναι όμοια η απολαβή κοινού σήματος Αc θα ισούται με Α1+Α2 αλλά τα Α1 και Α2 θα είναι διαφορετικά και η διαφορική απολαβή κοινού σήματος Αcd δεν θα είναι μηδέν. Τα Αc και Acd θα έχουν πολύ μικρές τιμές Λόγος απόρριψης κοινού σήματος (CMRR) Όταν στις εισόδους εφαρμοστούν δύο τυχαία σήματα, τότε μπορούμε να θεωρήσουμε ότι ο διαφορικός ενισχυτής είναι υπό διαφορική λειτουργία. Τα σήματα των εισόδων μπορούμε να θεωρήσουμε ότι είναι το άθροισμα ενός κοινού σήματος και ενός διαφορικού σήματος. Το κοινό σήμα είναι το ημιάθροισμα των δύο εισόδων. Πιο συγκεκριμένα, το σήμα στην μία είσοδο είναι το άθροισμα του κοινού σήματος με την μισή τιμή του διαφορικού σήματος και το σήμα στην άλλη είσοδο είναι η διαφορά του κοινού σήματος με την μισή τιμή του διαφορικού σήματος: όπου και id i 1 c 2 (1.84) id i2 c 2 (1.85) c (1.86) (1.87) id i1 i2 Το σήμα που θα εμφανιστεί στην μία έξοδο του κυκλώματος είναι 1 did cc (1.88) 41

43 Όπως αναφέραμε προηγουμένως, για να μην ολισθαίνουν τα δυναμικά εξόδου του διαφορικού ενισχυτή, θα πρέπει να έχει την ικανότητα της απόρριψης του κοινού σήματος. Επομένως, θα πρέπει ο λόγος της απολαβής διαφορικού σήματος προς την απολαβή κοινού σήματος να έχει μεγάλη τιμή. Ο λόγος αυτός ορίζεται ως λόγος απόρριψης κοινού σήματος(common-mode Rejection Ratio): d (1.89) CMRR c Διαφορικός ενισχυτής με ενεργό φορτίο Σε πολλές περιπτώσεις αντί των αντιστάσεων Rc χρησιμοποιούνται ενεργά φορτία. Ένα είδος ενεργού φορτίου που χρησιμοποιείται συχνά είναι οι καθρέπτες ρεύματος (Σχήμα 1.35). Σχήμα 1.35: Διαφορικός ενισχυτής με καθρέπτη ρεύματος ενεργό φορτίο (Καρύμπακας 2001, τροποποιημένο). Από τους τύπους απολαβής προκύπτει το συμπέρασμα ότι όσο μεγαλύτερες είναι οι αντιστάσεις στους συλλέκτες των τρανζίστορ τόσο μεγαλύτερη είναι η απολαβή γιατί αυξάνεται η αντίσταση εξόδου. Οι καθρέπτες ρεύματος παρέχουν μεγάλη αντίσταση εξόδου στο κύκλωμα. Όπως φαίνεται και στο σχήμα, η αντίσταση εξόδου υο είναι ο παράλληλος συνδυασμός των συλλεκτών Q2 και Q4 με αποτέλεσμα να έχει πολύ μεγάλη τιμή. Στο κύκλωμα που απεικονίζεται στο σχήμα, αν η έξοδος ήταν στον συλλέκτη του Q1, δεν θα είχαμε μεγάλη ενίσχυση γιατί η αντίσταση εξόδου θα ήταν ο παράλληλος συνδυασμός της αντίστασης του συλλέκτη του Q1 και της αντίστασης της βάσης-εκπομπού του Q3 που έχει μικρή τιμή. 42

44 1.7 Στάδιο εξόδου Το στάδιο εξόδου, είναι το τελευταίο στάδιο ενός ενισχυτή και είναι το στάδιο στο οποίο θα συνδεθεί το φορτίο. Επομένως, για ένα ενισχυτή τάσης το στάδιο αυτό θα πρέπει να έχει μικρή αντίσταση εξόδου για να έχουμε την πλήρη εκμετάλλευση του κέρδους του ενισχυτή (Sedra & Smith 2010). Το στάδιο αυτό θα πρέπει να έχει την ικανότητα να διαχειρίζεται μεγάλα σήματα και να μπορεί να παρέχει την απαιτούμενη ισχύ στο φορτίο αλλά ταυτόχρονα θα πρέπει να καταναλώνει όσο το δυνατόν μικρότερη ισχύ για την αποφυγή καταστροφής των τρανζίστορ λόγω αύξησης της θερμοκρασίας δηλαδή να μην καταναλώνει ισχύ όταν δεν χρειάζεται να τροφοδοτήσει το φορτίο και να καταναλώνει όταν του ζητηθεί να τροφοδοτήσει το φορτίο. Άλλοι λόγοι για τους οποίους θα πρέπει να είναι χαμηλή η κατανάλωση είναι η αποφυγή χρήσης ανεμιστήρων για την ψύξη του κυκλώματος, η δυνατότητα να λειτουργούν τα κυκλώματα με μπαταρίες και να μην είναι αναγκαία η συχνή αλλαγή μπαταριών καθώς και για να χρησιμοποιούνται μικρά τροφοδοτικά. Μία ακόμη απαίτηση αυτού του σταδίου είναι να πληροί το κριτήριο της γραμμικότητας για τα σήματα που πρέπει να διαχειριστεί. Επειδή το στάδιο εξόδου είναι το στάδιο που διαχειρίζεται μεγάλα σήματα είναι κατά κανόνα το στάδιο που υποφέρει περισσότερο από μη γραμμική παραμόρφωση. Τα στάδια εξόδου που θα αναλύσουμε είναι τα στάδια εξόδου τάξης A, τάξης Β γιατί αυτά χρησιμοποιούνται περισσότερο στους ενισχυτές τάσης όπως οι τελεστικοί ενισχυτές καθώς και το στάδιο εξόδου τάξης AB γιατί χρησιμοποιείται στους ενισχυτές για αναπαραγωγή ήχου. Υπάρχουν και άλλες τάξεις σταδίων όπως το στάδιο τάξης C, τάξης D κτλ Στάδια εξόδου τάξης Α Το στάδιο εξόδου τάξης Α είναι ένα τρανζίστορ σε συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη δηλαδή ένας ακολουθητής τάσης το οποίο πολώνεται με DC ρεύμα (Σχήμα 1.36). Σχήμα 1.36: Στάδιο εξόδου τάξης Α (Sedra & Smith 2010, τροποποιημένο). 43

45 Λειτουργία του σταδίου εξόδου τάξης Α Το τρανζίστορ Q1 πολώνεται με ρεύμα DC το οποίο πρέπει να έχει τέτοια τιμή ώστε το τρανζίστορ Q1 να λειτουργεί στην γραμμική του περιοχή για οποιαδήποτε τιμή ρεύματος του ζητηθεί να τροφοδοτήσει το φορτίο RL. Αν αγνοήσουμε την τάση βάσης-εκπομπού του Q1 τότε η χαρακτηριστική μεταφοράς του κυκλώματος είναι υο=υi. Η μέγιστη τάση εξόδου του κυκλώματος είναι υο(max)=+vcc VCE1(sat) και επιτυγχάνεται όταν το Q1 είναι σε κατάσταση κόρου και η ελάχιστη τάση εξόδου είναι υο(min)=-irl όταν το τρανζίστορ Q1 είναι σε αποκοπή ή όταν το Q2 λειτουργεί στον κόρο και ισούται με υο(min)=vcc-vce2(sat). Βέβαια, το στάδιο πρέπει να είναι σχεδιασμένο ώστε να λειτουργεί στην γραμμική του περιοχή και όχι στην περιοχή κόρου γιατί πρέπει να έχει γραμμική λειτουργία. Το μειονέκτημα του σταδίου τάξης Α είναι ότι το τρανζίστορ Q1 είναι συνεχώς σε κατάσταση αγωγιμότητας και καταναλώνει ισχύ ακόμα και όταν το σήμα της εισόδου του είναι μηδέν. Επομένως το Q1 πρέπει να είναι σε θέση να αντέχει την συνεχή κατανάλωση. Το στάδιο αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ενισχυτές με μικρά σήματα εξόδου όπου η κατανάλωση ισχύος είναι μικρή Στάδιο εξόδου τάξης Β Το στάδιο αυτό αποτελείται από ένα συμπληρωματικό ζεύγος τρανζίστορ τα οποία λειτουργούν με τρόπο push-pull (Σχήμα 1.37). Τα τρανζίστορ είναι σε συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη, δεν είναι πολωμένα και άγουν μόνο όταν εφαρμοστεί τάση στην είσοδο. Σχήμα 1.37: Στάδιο εξόδου τάξης Β (Sedra & Smith 2010, τροποποιημένο). 44

46 Λειτουργία σταδίου εξόδου τάξης Β Όταν στην είσοδο εφαρμοστεί σήμα με τάση -0,5 V <υi<0,5 V και τα δύο τρανζίστορ βρίσκονται στην αποκοπή και το φορτίο δεν τροφοδοτείται με ρεύμα. Αν εφαρμοστεί τάση μεγαλύτερη από 0,5 V τότε άγει το Q1. Αν δεν λάβουμε υπόψη την τάση βάσης εκπομπού του τρανζίστορ, η τάση εξόδου θα είναι ίση με την τάση εισόδου. Αν η τάση είναι μικρότερη από -0,5 V, τότε άγει το Q2 και η έξοδος έχει την τιμή της τάσης εισόδου. Παραμόρφωση "περάσματος" (crossover distortion) Όπως αναφέραμε όταν η τιμή τάσης της εισόδου κυμαίνεται στην περιοχή -0,5 V <υi<0,5 V κανένα από τα δύο τρανζίστορ δεν άγει και η έξοδος είναι μηδενική. Επομένως, στην περιοχή αυτή το σήμα εξόδου εμφανίζεται παραμορφωμένο. Η παραμόρφωση αυτή ονομάζεται παραμόρφωση "περάσματος" (crossover distortion) και απεικονίζεται στο σχήμα Σχήμα 1.38: Παραμόρφωση "περάσματος" (crossover distortion) (Sedra & Smith 2010). Παρατηρούμε από το σχήμα 1.38 ότι υπάρχει μια "νεκρή" ζώνη στην κυματομορφή εξόδου η οποία οφείλεται στην παραμόρφωση "περάσματος". Η επίδραση της παραμόρφωσης είναι περισσότερο εμφανής όταν το πλάτος του σήματος εισόδου είναι μικρό με αποτέλεσμα το στάδιο εξόδου τάξης Β να χρησιμοποιείται σε ενισχυτές τάσης που η έξοδος τους διαχειρίζεται μεγάλα σήματα. 45

47 1.7.3 Στάδιο εξόδου τάξης ΑΒ Σχήμα 1.39: Στάδιο εξόδου τάξης ΑΒ (Sedra & Smith, τροποποιημένο). Το στάδιο εξόδου τάξης ΑΒ είναι ουσιαστικά μια τροποποίηση του σταδίου εξόδου τάξης Β για να εξαλειφτεί η παραμόρφωση "περάσματος". Η τροποποίηση αυτή είναι η τοποθέτηση μιας τάσης πόλωσης μεταξύ των βάσεων των τρανζίστορ (Σχήμα 1.39). Λειτουργία σταδίου εξόδου τάξης ΑΒ Λόγω των πηγών πόλωσης VBB/2, τα δύο τρανζίστορ βρίσκονται συνεχώς σε αγωγιμότητα. Όταν στην είσοδο δεν εφαρμόζεται σήμα, η έξοδος έχει τιμή υο=0 γιατί το ρεύμα που παράγει το Q1 είναι ίσο με το ρεύμα που τραβάει το Q2 και επομένως δεν διαρρέει ρεύμα το φορτίο. Όταν η είσοδος μεταβληθεί, τότε μεταβάλλεται και η τάση βάσης-εκπομπού των τρανζίστορ και μεταβάλλεται το ρεύμα των τρανζίστορ. Επειδή οι βάσεις των τρανζίστορ είναι πολωμένες με σταθερή τιμή τάσης, όταν αυξάνεται το ρεύμα του ενός τρανζίστορ, μειώνεται το ρεύμα του άλλου. Με αυτό τον τρόπο, το φορτίο διαρρέεται από ρεύμα και η τάση εξόδου ίση με για υi > 0 και για υi < 0. VBB i be 2 (1.90) VBB i be 2 (1.91) Επομένως παρατηρούμε ότι στο στάδιο εξόδου τάξης ΑΒ δεν παρατηρείται παραμόρφωση crossover και αυτός είναι ο λόγος που χρησιμοποιείται στους ενισχυτές τάσης για αναπαραγωγή ήχου επειδή η παραμόρφωση crossover προκαλεί δυσάρεστο άκουσμα. Επίσης, λόγω της πόλωσης τα τρανζίστορ διαρρέονται συνεχώς από ένα μικρό ρεύμα και καταναλώνουν συνεχώς ισχύ ακόμα και όταν η είσοδος είναι μηδενική. Η κατανάλωση όμως αυτή είναι μικρή και είναι πολύ μικρότερη από την κατανάλωση του σταδίου τάξης A. 46

48 Στην θέση των πηγών πόλωσης συνήθως χρησιμοποιούνται δίοδοι ή διοδικά συνδεδεμένα τρανζίστορ. 1.8 Προστασία από βραχυκύκλωμα Το κύκλωμα προστασίας από βραχυκύκλωμα απεικονίζεται στο σχήμα Σχήμα 1.40: Προστασία από βραχυκύκλωμα (Sedra & Smith 2010). Αν για κάποιο λόγο βραχυκυκλωθεί η έξοδος, θα διαρρεύσει μεγάλο ρεύμα από το Q1 με συνέπεια την υπερθέρμανση και την καταστροφή του. Το τρανζίστορ Q3 προστατεύει την καταστροφή του Q1 σε περίπτωση βραχυκυκλώματος. Λειτουργία κυκλώματος προστασίας από βραχυκύκλωμα Το Q3 δεν λειτουργεί σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας του κυκλώματος. Μόλις η έξοδος βραχυκυκλωθεί και αυξηθεί το ρεύμα που διαρρέει το Q1, θα υπάρξει πτώση τάσης στην αντίσταση R1 μεγαλύτερη των 0,5V με αποτέλεσμα να άγει το τρανζίστορ Q3. Μόλις το Q3 έρθει σε αγωγιμότητα θα μειώσει το ρεύμα βάσης του Q1 με αποτέλεσμα να μειωθεί το ρεύμα που διαρρέει το Q1. Με τον τρόπο αυτό, προστατεύεται το Q1 σε περίπτωση βραχυκυκλώματος. 47

49 1.9 Απόκριση υψηλών συχνοτήτων Στην παράγραφο αυτή μελετάτε η απόκριση υψηλών συχνοτήτων των βασικών συνδεσμολογιών ενισχυτών ενός σταδίου με διπολικά τρανζίστορ και της συνδεσμολογίας του ενισχυτή cascode (Sedra & Smith 1994). Για την μελέτη των ενισχυτών απαραίτητη είναι η γνώση του θεωρήματος Miller και του υβριδικού π- μοντέλου του διπολικού τρανζίστορ Θεώρημα Miller-Φαινόμενο Miller Το θεώρημα Miller μας παρέχει τον τρόπο για να αντικαταστήσουμε μια σύνθετη αγωγιμότητα μεταξύ δύο κόμβων 1 και 2 με δύο σύνθετες αγωγιμότητες μεταξύ του κόμβου 1 και της γης και του κόμβου 2 και της γης (Σχήμα 1.41). Σχήμα 1.41: Θεώρημα Miller(Sedra & Smith 1994, τροποποιημένο). Η αντικατάσταση κατά Miller βασίζεται στο γεγονός ότι το κέρδος τάσης Κ=V2/V1 από τον κόμβο 1 στον κόμβο 2 μπορεί να καθοριστεί με ανεξάρτητο τρόπο. Οι σχέσεις που προκύπτουν για τις σύνθετες αγωγιμότητες Υ1 και Υ2 είναι ίσες με Y1 Y(1 K) (1.92) Y2 Y[1 (1/ K)] (1.93) Το θεώρημα Miller ισχύει μόνο στην περίπτωση όπου οι συνθήκες που υπήρχαν στο δίκτυο όταν καθορίστηκε το Κ δεν έχουν αλλάξει. Για παράδειγμα, δεν ισχύει στον καθορισμό της αντίστασης εξόδου αν χρησιμοποιηθεί μια ελεγχόμενη πηγή τάσης στην έξοδο και αφαιρεθεί η πηγή εισόδου για την μέτρηση της αντίστασης εξόδου. Ένα πολύ σημαντικό συμπέρασμα που προκύπτει από την θεώρημα Miller είναι το εξής: Αν ένα δίκτυο είχε μια χωρητικότητα C1 ανάμεσα στο κόμβο 1 και στην γη και μια χωρητικότητα C ανάμεσα στον κόμβο 1 και στον κόμβο 2 τότε εφαρμόζοντας το θεώρημα Miller, ανάμεσα στον κόμβο 1 και στην γη εμφανίζεται και μία άλλη χωρητικότητα η οποία είναι ίση με C2=C(1-K). Παρατηρούμε επομένως ότι η χωρητικότητα ανάμεσα στον κόμβο 1 και την γη αυξάνεται. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως φαινόμενο Miller. 48

50 1.9.2 Υβριδικό π- μοντέλο υψηλών συχνοτήτων του διπολικού τρανζίστορ Σχήμα 1.42: Υβριδικό π-ισοδύναμο υψηλών συχνοτήτων διπολικού τρανζίστορ (Sedra & Smith, τροποποιημένο). Στο σχήμα 1.42 απεικονίζεται το υβριδικό π-μοντέλου υψηλών συχνοτήτων του διπολικού τρανζίστορ. Η αντίσταση rx είναι η αντίσταση του πυριτίου της περιοχής της βάσης ανάμεσα στο ακροδέκτη της βάσης Β και σε ένα νοητό εσωτερικό σημείο της βάσης Β' και rπ είναι η δυναμική αντίσταση της επαφής βάσηςεκπομπού. Η rο μοντελοποιεί την επίδραση της τάσης του συλλέκτη στο ρεύμα του συλλέκτη δηλαδή το φαινόμενο Early. Οι πυκνωτές Cπ και Cμ μοντελοποιούν την χωρητικότητα βάσης-εκπομπού και βάσης-συλλέκτη αντίστοιχα. Η Cπ είναι της τάξης των μερικών έως μερικών δεκάδων pf και η Cμ είναι της τάξης του κλάσματος του pf έως μερικών pf. Η πηγή gmυπ είναι μια ελεγχόμενη πηγή ρεύματος από την τάση υπ όπου gm είναι η διαγωγιμότητα του τρανζίστορ και υπ η τάση της επαφής βάσηςεκπομπού Απόκριση υψηλών συχνοτήτων του ενισχυτή κοινού εκπομπού Το υβριδικό π-ισοδύναμο κύκλωμα του ενισχυτή κοινού εκπομπού, απεικονίζεται στο σχήμα Σχήμα 1.43: Υβριδικό π-ισοδύναμο ενισχυτή κοινού εκπομπού (Sedra & Smith 1994, τροποποιημένο). 49

51 Για την μελέτη της συμπεριφοράς του κυκλώματος στις υψηλές συχνότητες απλοποιούμε το κύκλωμα εφαρμόζοντας το θεώρημα Thevenin, παραλείποντας την αντίσταση rx και αντικαθιστώντας τον παράλληλο συνδυασμό των αντιστατών ro, RC και RL με την αντίσταση R'L (Σχήμα 1.44). Σχήμα 1.44: Απλοποιημένο κύκλωμα ενισχυτή κοινού εκπομπού (Sedra & Smith 1994, τροποποιημένο). Παρατηρούμε ότι λόγω της μικρής τιμής της Cμ το ρεύμα που την διαρρέει είναι πολύ μικρότερο από το ρεύμα της ελεγχόμενης πηγής ρεύματος gmυπ. Το γεγονός αυτό μας επιτρέπει να εφαρμόσουμε το θεώρημα Miller και επιπλέον μας δίνει την πληροφορία ότι η τάση εξόδου είναι ίση με g R (1.94) o m L Εφαρμόζοντας το θεώρημα Miller μπορούμε να αντικαταστήσουμε την Cμ στην πλευρά της εισόδου με την αντίστοιχη χωρητικότητα Miller η οποία δίνεται από την σχέση 1.92 και είναι ίση με C C 1 g R (1.95) eq m L Η χωρητικότητα Ceq εμφανίζεται παράλληλα στην Cπ (Σχήμα 1.45) και επομένως η πλευρά εισόδου είναι ένα κύκλωμα ενός χαμηλοπερατού φίλτρου με συχνότητα 3-dB ίση με 1 H (1.96) C C R Από την σχέση 1.96 συμπεραίνουμε ότι η χωρητικότητα Cμ επηρεάζει την απόκριση υψηλών συχνοτήτων του ενισχυτή και για να βελτιωθεί η απόκριση του θα πρέπει είτε να μειώσουμε την αντίσταση RT, πράγμα που δεν είναι πάντα εύκολο να γίνει, είτε να μειώσουμε το κέρδος Κ gmr'l. eq T Σχήμα 1.45: Πλευρά εισόδου με εφαρμογή του θεωρήματος Miller (Sedra & Smith 1994, τροποποιημένο). 50

52 1.9.4 Απόκριση υψηλών συχνοτήτων ενισχυτή κοινής βάσης Το υβριδικό π-ισοδύναμο του ενισχυτή κοινής βάσης απεικονίζεται στο σχήμα 1.46 (α). Απλοποιούμε το υβριδικό π-ισοδύναμο παραλείποντας τις αντιστάσεις rx και ro και αντικαθιστούμε τον παράλληλο συνδυασμό των αντιστατών Rc και RL με R'L (Σχήμα 1.46 (β)). (α) Σχήμα 1.46: (α) Υβριδικό π-ισοδύναμο του ενισχυτή κοινής βάσης (β) Απλοποιημένο υβριδικό π-ισοδύναμο ενισχυτή κοινής βάσης (Sedra & Smith 1994, τροποποιημένο). Από το σχήμα 1.46 (β) παρατηρούμε ότι η τάση εκπομπού υe είναι ίση με υπ. Επομένως το ρεύμα ie ισούται με 1 ie e jc gm (1.97) r (β) 51

53 Αν λάβουμε υπόψιν μας τις σχέσεις rπ βre και gm 1/re τότε από την σχέση 1.97 προκύπτει ότι η σύνθετη αγωγιμότητα εισόδου είναι ίση με i e 1 e re jc (1.98) Επομένως η είσοδος του κυκλώματος μπορεί να αντικατασταθεί από το ισοδύναμο κύκλωμα του σχήματος 1.47 (α). Για την έξοδο του κυκλώματος παρατηρούμε ότι η τάση εξόδου υo καθορίζεται από την πηγή ρεύματος gmυπ που τροφοδοτεί την Cμ και την R ' L επομένως το κύκλωμα εξόδου μπορεί να αντικατασταθεί από το ισοδύναμο του σχήματος 1.47 (β). Από το σχήμα 1.47(α) προκύπτει ότι η άνω συχνότητα 3-dB της εισόδου είναι ίση με 1 1 (1.99) C r / / R / / R e e s και από το σχήμα 1.47 (β) ότι η άνω συχνότητα 3-dB της εξόδου είναι ίση με 1 2 (1.100) C R // R Από τις σχέσεις 1.99 και συμπεραίνουμε την σημαντικότερη ιδιότητα του ενισχυτή κοινής βάσης που είναι η έλλειψη του φαινομένου Miller γιατί η χωρητικότητα Cμ είναι γειωμένη. Το αποτέλεσμα αυτό σημαίνει ότι ο ενισχυτής κοινής βάσης έχει υψηλότερη άνω συχνότητα 3-dB από τον ενισχυτή κοινού εκπομπού. c L (α) (β) Σχήμα 1.47: (α) Ισοδύναμο της εισόδου του ενισχυτή κοινής βάσης (β) Ισοδύναμο της εξόδου του ενισχυτή κοινής βάσης (Sedra Smith, τροποποιημένο). 52

54 1.9.5 Απόκριση υψηλών συχνοτήτων του ενισχυτή cascode Το υβριδικό π-ισοδύναμο του ενισχυτή cascode απεικονίζεται στο σχήμα 1.48 από το οποίο έχουν παραληφθεί οι rx2 και ro2. Σχήμα 1.48: Υβριδικό π-ισοδύναμο ενισχυτή cascode (Sedra & Smith 1994,τροποποιημένο). Απλοποιούμε το υβριδικό π-ισοδύναμο εφαρμόζοντας το θεώρημα Thevenin και το θεώρημα απορρόφησης πηγής 3. Από την εφαρμογή του θεωρήματος Thevenin προκύπτουν οι σχέσεις R2 // R3 r 1 T s (1.101) R R / / R r r R / / R / / R / / / / / / s x s RT r 1 rx 1 R2 R3 Rs (1.102) και από το θεώρημα απορρόφησης της πηγής προκύπτει η αντικατάσταση της ελεγχόμενης πηγής ρεύματος gm2υπ2 με μία σύνθετη αντίσταση η οποία έχει τιμή 1/gm2. Με τον τρόπο αυτό έχουμε απλοποιήσει το υβριδικό π-ισοδύναμο του ενισχυτή cascode και μπορούμε να το χωρίσουμε σε ένα κύκλωμα εισόδου (σχήμα 1.49 (α)) και σε ένα κύκλωμα εξόδου (σχήμα 1.49 (β)). (α) (β) Σχήμα 1.49: (α) Κύκλωμα εισόδου και (β) κύκλωμα εξόδου απλοποιημένου π-υβριδικού ισοδύναμου ενισχυτή cascode (Sedra & Smith 1994, τροποποιημένο). Από το σχήμα 1.49 (α) παρατηρούμε ότι το κύκλωμα εισόδου μπορεί να χωρισθεί σε δύο υποκυκλώματα. Αντικαθιστούμε τον παράλληλο συνδυασμό των αντιστατών ro1, rπ2 και 1/gm2 με την αντίσταση re2. Ο πυκνωτής Cπ2 μπορεί παραληφθεί από το κύκλωμα γιατί ο συνδυασμός του με την re2 δίνουν συχνότητα 3- db πολύ μεγαλύτερη από αυτή που δίνει ο συνδυασμός της RT με τον πυκνωτή Cπ1. 3 Sedra & Smith (2010). 53

55 Εφαρμόζοντας το θεώρημα Miller μπορούμε να αντικαταστήσουμε την χωρητικότητα Cμ1 με δύο χωρητικότητες 2Cμ1. Οι χωρητικότητες έχουν την τιμή 2Cμ1 γιατί το Q1 έχει απολαβή τάσης περίπου ίση με την μονάδα επειδή η αντίσταση φορτίου του είναι re2. Τα δύο υποκυκλώματα που προκύπτουν απεικονίζονται στο σχήμα Σχήμα 1.50: Υποκυκλώματα κυκλώματος εισόδου (Sedra & Smith 1994, τροποποιημένο). Τα δύο υποκυκλώματα και το κύκλωμα εξόδου συμπεριφέρονται ως χαμηλοπερατά φίλτρα και η άνω συχνότητες 3-dB που προκύπτουν είναι οι εξής: R C 2C T r C 2C e (1.103) (1.104) 1 3 (1.105) C R // R Από τις σχέσεις 1.103, και παρατηρούμε ότι οι παρονομαστές τους έχουν πολύ μικρές τιμές και επομένως οι συχνότητες 3-dB θα αντιστοιχούν σε πολύ υψηλές συχνότητες. Ανάλογα με τις τιμές των στοιχείων του κυκλώματος, βλέπουμε ότι οι συχνότητες 3-dB που επηρεάζουν την λειτουργία του κυκλώματος είναι η ωh1 και ωη3. Αν τις συγκρίνουμε με την σχέση 1.96 παρατηρούμε ότι η συχνότητα 3-dB του ενισχυτή κοινού εκπομπού είναι πολύ μικρότερη από την συχνότητα 3-dB του ενισχυτή cascode. C L 54

56 1.10 Αρνητική ανάδραση Η ανάδραση είναι μια τεχνική η οποία χρησιμοποιείται σε όλα τα ηλεκτρονικά κυκλώματα (Sedra & Smith 2010). Με την τεχνική της ανάδρασης ένα μέρος του σήματος εξόδου προστίθεται (θετική ή αναπαραγωγική ανάδραση) ή αφαιρείται (αρνητική ή εκφυλιστική ανάδραση) από σήμα της πηγής εισόδου. Η θετική ανάδραση χρησιμοποιείται για την κατασκευή ηλεκτρονικών κυκλωμάτων όπως η ταλαντωτές, δισταθή κυκλώματα, ενεργά φίλτρα και άλλα. Η αρνητική ανάδραση χρησιμοποιείται σχεδόν σε όλα τα κυκλώματα ενισχυτών όπως οι ενισχυτές τάσης και οι τελεστικοί ενισχυτές. Η αρνητική ανάδραση βελτιώνει την λειτουργία των ενισχυτών και συγκεκριμένα πετυχαίνει τους παρακάτω στόχους: Απευαισθητοποίηση του κέρδους. Η τιμή του κέρδους τους ενισχυτή γίνεται λιγότερο ευαίσθητη στις μεταβολές των παραμέτρων των στοιχείων που αποτελούν τον ενισχυτή και οφείλονται στην επίδραση εξωτερικών παραγόντων όπως η θερμοκρασία. Μείωση της μη γραμμικής παραμόρφωσης. Η παραμόρφωση του σήματος εξόδου ως προς το σήμα εισόδου μειώνεται και η έξοδος γίνεται ανάλογη της εισόδου. Με τον τρόπο αυτό το κέρδος γίνεται σταθερό και είναι ανεξάρτητο από το επίπεδο του σήματος. Μείωση της επίδρασης του θορύβου. Ελαχιστοποιείται η επίδραση ανεπιθύμητων σημάτων που εμφανίζονται στην έξοδο και οφείλονται σε εξωτερικές παρεμβολές ή στα στοιχεία του κυκλώματος. Αύξηση του εύρους ζώνης του ενισχυτή. Έλεγχος της σύνθετης αντίστασης εισόδου και εξόδου. Η σύνθετη αντίσταση εισόδου και εξόδου του ενισχυτή μειώνεται ή αυξάνεται. Η εφαρμογή της αρνητικής ανάδρασης έχει ως αποτέλεσμα την επίτευξη ενός ή περισσοτέρων από τους παραπάνω στόχους αλλά με το αντίτιμο το κέρδος του ενισχυτή. Οι επιδόσεις του ενισχυτή βελτιστοποιούνται αλλά μειώνεται το κέρδος του. Στο σχήμα 1.51 απεικονίζεται η βασική δομή ενός ενισχυτή με αρνητική ανάδραση. Το σύμβολο x αντιπροσωπεύει είτε ένα σήμα τάσης είτε ένα σήμα ρεύματος, Α είναι το κέρδος ανοιχτού βρόχου του ενισχυτή δηλαδή το κέρδος του ενισχυτή χωρίς την εφαρμογή της ανάδρασης και β είναι ο συντελεστής ανάδρασης. Σχήμα 1.51: Γενική δομή ενισχυτή με αρνητική ανάδραση (Sedra & Smith 2010). 55

57 Από το σχήμα 1.51 προκύπτει ότι το κύκλωμα ανάδρασης παράγει ένα δείγμα xf του σήματος εξόδου xo το οποίο αφαιρείται από το σήμα της πηγής xs και το σήμα εισόδου του βασικού ενισχυτή είναι xi xs x f (1.106) και ότι το κέρδος Α του ενισχυτή είναι ανεξάρτητο από την πηγή, το φορτίο και το κύκλωμα ανάδρασης. Στην πράξη αυτό δεν συμβαίνει. Το κέρδος Α του ενισχυτή επηρεάζεται από τα παραπάνω στοιχεία. Το κέρδος του ενισχυτή με ανάδραση ή κέρδος κλειστού βρόχου ισούται με xo Ax i xo Axi Axi A x f xo Af Af xs xi x f xi Axi 1 A xi xs x f (1.107) Το μέγεθος Αβ ονομάζεται κέρδος βρόχου. Από την σχέση του κέρδους του ενισχυτή με ανάδραση Af (1.107) συμπεραίνουμε ότι για να είναι η ανάδραση αρνητική θα πρέπει ο όρος Αβ να είναι θετικός ώστε τα xf και xs να έχουν το ίδιο πρόσημο και στην είσοδο του βασικού ενισχυτή να εμφανίζεται ένα μικρό σήμα xi. Παρατηρούμε ότι όταν όρος Αβ είναι θετικός, το κέρδος Af είναι μικρότερο από το κέρδος A του ενισχυτή ανοιχτού βρόχου κατά την ποσότητα 1+Αβ η οποία ονομάζεται ποσό ανάδρασης. Το σημαντικότερο συμπέρασμα που προκύπτει από την σχέση του κέρδους Αf είναι ότι για μεγάλες τιμές του Αβ, όπως συμβαίνει στην πράξη, το κέρδος Αf είναι ίσο περίπου με 1/β. Αυτό σημαίνει ότι η ενίσχυση του ενισχυτή με ανάδραση εξαρτάται σχεδόν αποκλειστικά από το συντελεστή ανάδρασης β και όχι από το κέρδος A το οποίο εξαρτάται από πολλές παραμέτρους. Επειδή στην πράξη υπάρχει η δυνατότητα κατασκευής του δικτύου ανάδρασης με ακρίβεια, συμπεραίνουμε το πλεονέκτημα της αρνητικής ανάδρασης στην κατασκευή ενισχυτών με ακριβή, προβλεπόμενο και σταθερό κέρδος. Παρατηρούμε επίσης ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο όρος Αβ, τόσο μικρότερο είναι το σήμα που εφαρμόζεται στην είσοδο του ενισχυτή ανοιχτού βρόχου. Το συμπέρασμα αυτό προκύπτει από την παρακάτω σχέση xo A A 1 A x x x x x 1 A 1 A 1 A f o s i s s (1.108) Στην συνέχεια ακολουθεί η αναλυτική μελέτη των ιδιοτήτων της αρνητικής ανάδρασης. 56

58 Απευαισθητοποίηση του κέρδους Αν θεωρήσουμε ότι ο συντελεστής ανάδρασης β είναι σταθερός και διαφορίσουμε την σχέση προκύπτει η σχέση da f da da da A A A f 1 1 A 2 f 1 (1.109) Από την σχέση προκύπτει το συμπέρασμα ότι το ποσοστό μεταβολής της Αf που οφείλεται σε μεταβολές των παραμέτρων των στοιχείων είναι μικρότερο από το ποσοστό μεταβολής του Α. Ο συντελεστής αναλογίας είναι 1/(1+Αβ) και για τον λόγο αυτό το ποσό ανάδρασης 1+Αβ ονομάζεται και συντελεστής απευαισθητοποίησης. Μείωση της μη γραμμικής παραμόρφωσης Όπως έχουμε ήδη αναφέρει, η αρνητική ανάδραση μειώνει την εξάρτηση του κέρδους κλειστού βρόχου από το κέρδος ανοιχτού βρόχου. Επομένως, η χαρακτηριστική μεταφοράς ενός ενισχυτή μπορεί να γραμμικοποιηθεί με την εφαρμογή της αρνητικής ανάδρασης. Παραδείγματος χάριν, αν ένας ενισχυτής τάσης έχει την χαρακτηριστική μεταφοράς που απεικονίζεται στο σχήμα 1.52 (α), παρατηρούμε ότι υπάρχουν δύο περιοχές με διαφορετική απολαβή τάσης. Στο πρώτο η απολαβή τάσης είναι 1000 και στο δεύτερο είναι 100. Σχήμα 1.52: Χαρακτηριστική μεταφοράς ενισχυτή τάσης (α) χωρίς αρνητική ανάδραση και (β) με αρνητική ανάδραση (Sedra & Smith 2010). 57

59 Αν εφαρμόσουμε αρνητική ανάδραση με β=0,01, τότε από την σχέση προκύπτει ότι για τα δύο τμήματα αυτά η απολαβή κλειστού βρόχου είναι 1000 Af * Af *0.01 (1.110) (1.111) Από τις σχέσεις και προκύπτει το συμπέρασμα ότι η κλίση της καμπύλης έχει μειωθεί και στα δύο τμήματα αυτά με αποτέλεσμα η έξοδος να έχει μικρότερη μη γραμμική παραμόρφωση. Η χαρακτηριστική μεταφοράς με αρνητική ανάδραση απεικονίζεται στο σχήμα 1.52(β) και παρατηρούμε ότι έχει γραμμικοποιηθεί σε σχέση με την χαρακτηριστικής μεταφοράς του ενισχυτή ανοιχτού βρόχου (Σχήμα 1.52 (α)). Μείωση της επίδρασης του θορύβου Υποθέτουμε ότι ένας ενισχυτής έχει κέρδος Α, σήμα εισόδου υs και σε αυτόν τον ενισχυτή επιδρά θόρυβος υn (Σχήμα 1.53). Ο λόγος σήματος προς θόρυβο(s/n ή SNR-Signal to Noise Ratio) είναι s S / N (1.112) n Σχήμα 1.53: Ενισχυτής χωρίς αρνητική ανάδραση με πηγή θορύβου στην είσοδο (Sedra& Smith 2010,τροποποιημένο). Αν τώρα ο ενισχυτής σχεδιαστεί ώστε να έχει το ίδιο κέρδος Α και να αποτελείται από δύο στάδια εκ των οποίων το πρώτο δεν υποφέρει από θόρυβο με κέρδος Α2 και το δεύτερο υποφέρει από θόρυβο με κέρδος Α1 καθώς και από ένα κύκλωμα ανάδρασης (Σχήμα 1.54), τότε λόγω της αρχής της επαλληλίας το σήμα εξόδου ισούται με A1 A2 A1 (1.113) o s 1A A n 1A A

60 Σχήμα 1.54: Ο ενισχυτής του σχήματος 1.53 που αποτελείται από δύο στάδια και κύκλωμα αρνητικής ανάδρασης (Sedra & Smith 2010, τροποποιημένο). Επομένως ο λόγος σήματος προς θόρυβο είναι (1.114) s S / N A2 n Από την σχέση παρατηρούμε ότι ο λόγος σήματος προς θόρυβο είναι μεγαλύτερος κατά Α2. Επομένως, με την χρήση της αρνητικής ανάδρασης βελτιστοποιούμε τον λόγο σήματος προς θόρυβο ενός ενισχυτή τάσης. Η βελτιστοποίηση αυτή είναι δυνατή μόνο όταν το στάδιο που δεν επηρεάζεται από θόρυβο τοποθετηθεί πριν από το στάδιο που επηρεάζεται από τον θόρυβο. Αύξηση του εύρους ζώνης του ενισχυτή Έστω ότι το κέρδος του ενισχυτή στις μεσαίες και υψηλές συχνότητες δίνεται από την σχέση AM AH () s (1.115) 1 s / και το κέρδος του στις χαμηλές και μεσαίες συχνότητες από την σχέση H AM s AL () s (1.116) s όπου ΑΜ το μέτρο του κέρδους της μέσης ζώνης και s η μιγαδική συχνότητα. L 59

61 Αν τοποθετήσουμε στον ενισχυτή αυτόν ένα κύκλωμα ανάδρασης με συντελεστή ανάδρασης β σταθερό και ανεξάρτητο της συχνότητας τότε χρησιμοποιώντας την σχέση προκύπτει ότι το κέρδος κλειστούς βρόχου στις μεσαίες και υψηλές συχνότητες είναι A Hf AM / (1 AM ) (1.117) 1 s /[ (1 )] Από την σχέση βλέπουμε ότι το κέρδος του ενισχυτή με ανάδραση έχει μειωθεί και ισούται με ΑΜ/(1+ΑΜβ) και ότι η άνω συχνότητα 3 db ισούται με (1 A ) (1.118) Hf H M Με παρόμοια μαθηματική επίλυση προκύπτει ότι η κάτω συχνότητα 3 db ισούται με / (1 A ) (1.119) Lf L M Το συμπέρασμα που προκύπτει από τις σχέσεις και είναι ότι το εύρος ζώνης του ενισχυτή αυξάνεται γιατί αυξάνεται η άνω συχνότητα 3 db και μειώνεται η κάτω συχνότητα 3 db καθώς και ότι το κέρδος του μειώνεται και ισούται με ΑΜ/(1+ΑΜβ). Έλεγχος της σύνθετης αντίστασης εισόδου και εξόδου του ενισχυτή Επειδή το κύκλωμα ανάδρασης συνδέει την έξοδο με την είσοδο του ενισχυτή, επηρεάζει την σύνθετη αντίσταση εισόδου και εξόδου του ενισχυτή. Αναλυτικότερα, η πηγή του σήματος εισόδου του ενισχυτή καθώς και το φορτίο θα βλέπουν εκτός από την αντίσταση που έχουν τα στοιχεία του ενισχυτή και την αντίσταση των στοιχείων του κυκλώματος ανάδρασης. Αποτέλεσμα αυτού του γεγονότος είναι να μπορούμε να ελέγξουμε την σύνθετη αντίσταση εισόδου και εξόδου του ενισχυτή, δηλαδή να πετύχουμε τις επιθυμητές τιμές της σύνθετης αντίστασης εισόδου και εξόδου του ενισχυτή, τοποθετώντας το κατάλληλο κύκλωμα ανάδρασης. Για να μπορούμε να εκμεταλλευτούμε την ιδιότητα αυτή της αρνητικής ανάδρασης, θα πρέπει το στάδιο που δεν υποφέρει από θόρυβο να τοποθετηθεί πριν το στάδιο που υποφέρει από θόρυβο. 60

62 1.11 Αντιστάθμιση Συχνότητας Στην παράγραφο 1.1 είδαμε ότι το εύρος ζώνης ενός ενισχυτή καθορίζεται από την κάτω και την άνω συχνότητα 3-dB. Με την αντιστάθμιση συχνότητας μπορούμε να τροποποιήσουμε το κέρδος ανοιχτού βρόχου, κατ επέκταση τις κάτω και άνω συχνότητες 3-dB, και όταν εφαρμόσουμε την αρνητική ανάδραση, που όπως περιγράψαμε αυξάνει το εύρος ζώνης του ενισχυτή αλλά με απώλεια του κέρδους του, να πάρουμε το επιθυμητό κέρδος κλειστού βρόχου και το επιθυμητό εύρος λειτουργίας του ενισχυτή. Μία τεχνική με την οποία πραγματοποιείται η αντιστάθμιση συχνότητας είναι η αντιστάθμιση Miller Αντιστάθμιση Miller Σε ένα στάδιο κέρδους ενός ενισχυτή πολλών σταδίων η αντιστάθμιση Miller πραγματοποιείται με την τοποθέτηση ενός πυκνωτή Cf στους ακροδέκτες της βάσης και του συλλέκτη του τρανζίστορ (Σχήμα 1.55(α)). Το ισοδύναμο κύκλωμα αυτής της συνδεσμολογίας παρουσιάζεται στο σχήμα 1.55(β). Τα R1 και C1 αντιπροσωπεύουν την συνολική αντίσταση κα την συνολική χωρητικότητα μεταξύ βάσης και γης και τα R2 και C2 αντιπροσωπεύουν την συνολική αντίσταση κα την συνολική χωρητικότητα μεταξύ συλλέκτη και γης. Τα C1 και C2 συμπεριλαμβάνουν τις χωρητικότητες που οφείλονται στην χωρητικότητα Cμ λόγω του φαινομένου Miller και ο C2 περιλαμβάνει και την χωρητικότητα του επόμενου σταδίου. Η πηγή ρεύματος αντιπροσωπεύει το ρεύμα εξόδου του προηγούμενου σταδίου. (α) (β) Σχήμα 1.55: (α) Τεχνική Miller σε ένα στάδιο ενός ενισχυτή πολλών σταδίων (β) Ισοδύναμο κύκλωμα της τεχνικής Miller στο στάδιο του ενισχυτή πολλών σταδίων (Sedra & Smith 2010). 61

63 Αν δεν υπήρχε ο πυκνωτής Cf παρατηρούμε από το ισοδύναμο κύκλωμα ότι υπάρχουν δύο συχνότητες 3-dB. Η μία οφείλεται στο κύκλωμα εισόδου και η άλλη στο κύκλωμα εξόδου. Οι τιμές των δύο συχνοτήτων δίνονται από τις σχέσεις 1 H1 CR 1 1 (1.120) 1 H 2 CR (1.121) 2 2 Από την ανάλυση του ισοδύναμου κυκλώματος με τον πυκνωτή Cf (Σχήμα 1.55 (β)), προκύπτει ότι οι τιμές των δύο συχνοτήτων 3-dB δίνονται από τις σχέσεις H 2 1 H1 (1.122) g R R C m 1 2 gc m C C C C C 1 2 f 1 2 f f (1.123) Από τις σχέσεις και παρατηρούμε ότι όσο αυξάνεται η τιμή του πυκνωτή Cf η ω'η1 ελαττώνεται ενώ η ω' Η2 αυξάνεται δηλαδή με την χρήση του πυκνωτή Cf μπορούμε να αυξήσουμε το εύρος ενός σταδίου κέρδους του οποίου το κέρδος θα μειώνεται με σταθερό ρυθμό -20dB/δεκάδα (Σχήμα 1.56) (Cordell 2011). Σχήμα 1.56: Αντιστάθμιση συχνότητας με την αντιστάθμιση Miller (Sedra & Smith 2010, τροποποίηση). 62

64 1.12 Αρμονική παραμόρφωση (Harmonic distortion) Ο όρος αρμονική παραμόρφωση (harmonic distortion) χρησιμοποιείται για να περιγράψει οποιαδήποτε ανεπιθύμητα χαρακτηριστικά εμφανίζονται στο σήμα εξόδου ως προς τα χαρακτηριστικά του σήματος εισόδου που οφείλονται στην μη γραμμική συμπεριφορά του ενισχυτή και όχι λόγω του θορύβου. Ο θόρυβος προκαλεί παραμόρφωση στο σήμα εξόδου η οποία δεν έχει σχέση με το σήμα εισόδου. Μερικές αιτίες που προκαλούν την εμφάνιση του θορύβου και κατ επέκταση την παραμόρφωση που οφείλεται στον θόρυβο είναι η διακύμανση της τάσης τροφοδοσίας και οι παρεμβολές από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Το αποτέλεσμα που παρατηρείται λόγω της μη γραμμικής συμπεριφοράς είναι η εμφάνιση αρμονικών συχνοτήτων στην έξοδο που είναι αρμονικές συχνότητες των θεμελιωδών συχνοτήτων που αποτελείται το σήμα εισόδου. Παραδείγματος χάριν, αν στην είσοδο εφαρμοστεί ένα ημιτονικό σήμα τότε στην έξοδο θα εμφανιστεί ένα σήμα το οποίο θα αποτελείται από την συχνότητα του ημιτονικού σήματος και από αρμονικές συχνότητες της θεμελιώδους του. Το γεγονός αυτό καθιστά εύκολη την μέτρηση της αρμονικής παραμόρφωσης (Sinclair 1998, Audio Precision Website 2015). Στην παράγραφο 1.1 αναφέρονται δύο παραμορφώσεις λόγω μη γραμμικής συμπεριφοράς του ενισχυτή και είναι η παραμόρφωση crossover και ο ψαλιδισμός του σήματος εξόδου. Η εμφάνιση της αρμονικής παραμόρφωσης οφείλεται σε πάρα πολλές πηγές. Γενικώς, μπορούμε να πούμε ότι η αρμονική παραμόρφωση παρατηρείται όταν μια ή περισσότερες παράμετροι ενός ενεργού ή παθητικού στοιχείου μεταβάλλεται με το σήμα εισόδου. Μερικά στοιχεία που συνεισφέρουν στην μη γραμμική συμπεριφορά του ενισχυτή είναι οι αντιστάσεις, οι πυκνωτές, οι δίοδοι, τα τρανζίστορ. Η τιμή της αντίστασης δεν είναι σταθερή και μεταβάλλεται ανάλογα με την τάση στα άκρα της ή το ρεύμα που την διαρρέει. Η χωρητικότητα μερικών πυκνωτών μεταβάλλεται ανάλογα με την τάση που εμφανίζεται στα άκρα τους. Η χωρητικότητα της διόδου ή του τρανζίστορ μεταβάλλεται ανάλογα με την τάση με αποτέλεσμα η δίοδος ή το τρανζίστορ να μην λειτουργούν γραμμικά σε όλο το φάσμα συχνοτήτων. Το φαινόμενο Early, εξαρτάται από την τάση βάσης-συλλέκτη και επηρεάζει την παράμετρο β του τρανζίστορ με αποτέλεσμα ο ενισχυτής να έχει μη γραμμική συμπεριφορά σε διαφορετικές τιμές τάσης (Cordell 2011). 63

65 1.13 Ολική αρμονική παραμόρφωση (THD) Η ολική αρμονική παραμόρφωση (THD - Total Harmonic Distortion) είναι ένας από τους πιο κοινούς τρόπους μέτρησης της αρμονικής παραμόρφωσης. Βασίζεται στο γεγονός ότι όταν ένα ημιτονικό σήμα συναντήσει μια μη γραμμικότητα τότε οι αρμονικές που θα εμφανιστούν θα είναι ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδης συχνότητας του ημιτονικού σήματος. Η μέτρηση του δείκτη THD γίνεται με την μέτρηση της ενεργού τιμής των πλατών των αρμονικών συχνοτήτων αφαιρώντας την θεμελιώδη συχνότητα με ένα στενό και βαθύ ζωνοφρακτό φίλτρο. Μετριέται σε db ή σε % (Cordell 2011, Wikipedia Website 2015b). Γενικώς, υπάρχουν πολλοί ορισμοί της ολικής αρμονικής παραμόρφωσης. Ένας ορισμός είναι ότι η ολική αρμονική παραμόρφωση είναι η ενεργός τιμή του πλάτους των αρμονικών συνιστωσών ως προς την ενεργό τιμή του πλάτους της θεμελιώδης συχνότητας και ορίζεται ως THD F V2 V3 V4... (1.124) V 1 Άλλος ορισμός που χρησιμοποιείται λιγότερο είναι ότι η ολική αρμονική παραμόρφωση είναι η ενεργός τιμής του πλάτους των αρμονικών συνιστωσών ως προς την ενεργό τιμή του πλάτους των αρμονικών συνιστωσών συμπεριλαμβανομένου και της θεμελιώδους συχνότητας THD R V V V V V V (1.125) Ο ορισμός ο οποίος χρησιμοποιείται περισσότερο στην πράξη είναι ότι η ολική αρμονική παραμόρφωση είναι το άθροισμα της ενεργούς τιμής του πλάτους των αρμονικών συχνοτήτων συμπεριλαμβανομένου και του θορύβου ως προς την ενεργό τιμή του πλάτους της θεμελιώδης συχνότητας V2 V3 V4... VN THD N (1.126) V 1 64

66 Συμπεράσματα από την μέτρηση THD Ένας χαμηλός δείκτης THD μας δείχνει ότι το σήμα εξόδου έχει υποστεί μικρή αρμονική παραμόρφωση και ότι ο ενισχυτής έχει μικρή μη γραμμική συμπεριφορά. Βέβαια, ο δείκτης THD δεν μας δίνει πληροφορίες για τις αιτίες που προκαλούν την αρμονική παραμόρφωση. Παραδείγματος χάριν, σε πολύ μικρά σήματα ο δείκτης THD+N δεν μπορεί να μας πληροφορήσει αν η παραμόρφωση του σήματος οφείλεται στην αρμονική παραμόρφωση του ενισχυτή ή στον θόρυβο. Επιπλέον, ο δείκτης THD δεν μας δίνει την συμπεριφορά του ενισχυτή όταν το σήμα έχει υποστεί ψαλιδισμό ή όταν το κύκλωμα βραχυκυκλώματος του ενισχυτή είναι ενεργό. Βέβαια, ένας μικρός δείκτης THD δεν αφήνει χώρο σε άλλου είδους παραμορφώσεις να εμφανιστούν και επομένως μας πληροφορεί ότι η παραμόρφωση του σήματος εξόδου οφείλεται σχεδόν αποκλειστικά στην αρμονική παραμόρφωση(cordell 2011). 65

67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΕΣ ΔΙΠΟΛΙΚΩΝ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ (BJT) Στην παράγραφο αυτή παρουσιάζονται συνδεσμολογίες διπολικών τρανζίστορ οι οποίες χρησιμοποιούνται κατά κόρον στα ηλεκτρονικά κυκλώματα. 2.1 Διοδικό τρανζίστορ Σχήμα 2.1: Διοδικό τρανζίστορ (Sedra & Smith 1994, τροποποιημένο). Για να λειτουργήσει το τρανζίστορ ως δίοδος, βραχυκυκλώνουμε την βάση με τον συλλέκτη. Παρατηρούμε ότι VBE=VCE και επειδή η επαφή βάσης-εκπομπού έχει τάση περίπου ίση με 0,7 V, το τρανζίστορ λειτουργεί στην γραμμική του περιοχή. Η αντίσταση που παρουσιάζει το διοδικό τρανζίστορ είναι προσεγγιστικά ίση με την αντίσταση της διόδου. 2.2 Συνδεσμολογία Darlington Η συνδεσμολογία Darlington(Σχήμα 2.2) χρησιμοποιείται για την επίτευξη ενός τρανζίστορ npn με μεγάλο β. Με την χρήση της συδεσμολογίας αυτής, πετυχαίνουμε την ελάττωση του ρεύματος βάσης για την επίτευξη υψηλού ρεύματος στον συλλέκτη. Το αποτέλεσμα της συνδεσμολογία Darlington είναι ένα npn τρανζίστορ το οποίο έχει β περίπου ίσο με το γινόμενο των β των δύο τρανζίστορ που χρησιμοποιούνται και τάση βάσης-εκπομπού περίπου ίση με 2VBE. Σχήμα 2.2: Συνδεσμολογία Darlington (Sedra & Smith 2010, τροποποιημένο). 66

68 2.3 Σύνθετο pnp τρανζίστορ Η συνδεσμολογία σύνθετου pnp(σχήμα 2.3) χρησιμοποιείται για την επίτευξη pnp τρανζίστορ με μεγάλο β. Η συνδεσμολογία χρησιμοποιεί ένα npn και ένα pnp τρανζίστορ και λειτουργεί σαν ένα pnp τρανζίστορ με β περίπου ίσο με το γινόμενο των β των δύο τρανζίστορ. Σχήμα 2.3: Σύνθετο pnp τρανζίστορ (Sedra &Smith 2010, τροποποιημένο). 2.4 Καθρέπτες ρεύματος Οι καθρέπτες ρεύματος είναι συνδεσμολογίες τρανζίστορ στις οποίες το ρεύμα εισόδου (ή ρεύμα αναφοράς) είναι ίσο με το ρεύμα εξόδου γι αυτό και ονομάστηκαν καθρέπτες ρεύματος γιατί "καθρεπτίζουν" το ρεύμα που ρέει τον ένα κλάδο στον άλλο κλάδο. Απαραίτητη προϋπόθεση για να λειτουργεί σωστά ένα καθρέπτης ρεύματος είναι τα τρανζίστορ που χρησιμοποιούνται να είναι απολύτως ίδια (Καρύμπακας 2001). Οι καθρέπτες ρεύματος που αναλύονται στο κεφάλαιο αυτό είναι σχεδιασμένοι με NPN τρανζίστορ. Οι καθρέπτες μπορούν να σχεδιαστούν με PNP τρανζίστορ και να λειτουργούν με τον ίδιο ακριβώς τρόπο. Η διαφορά είναι ότι οι καθρέπτες ρεύματος με NPN "τραβάνε" ρεύμα από το φορτίο ενώ οι καθρέπτες με PNP "δίνουν" ρεύμα στο φορτίο. 67

69 Απλή συνδεσμολογία καθρέπτη ρεύματος Σχήμα 2.4: Απλή συνδεσμολογία καθρέπτη ρεύματος (Καρύμπακας 2001,τροποποιημένο). Τα ρεύματα συλλέκτη των δύο τρανζίστορ θα είναι ίσα (ΙC1=IC2) γιατί το δυναμικό βάσης-εκπομπού είναι ίδιο και για τα δύο τρανζίστορ. Το ρεύμα αναφοράς IREF, αποτελείται από το ρεύμα του συλλέκτη IC1 και τα δύο ρεύματα βάσεων IB. Επομένως η σχέση ρεύματος αναφοράς IREF και ρεύματος εξόδου IOUT είναι IOUT 2 I OUT I C2 I C1 I REF 2I B I REF 2 IREF IOUT (1 ) (2.1) Παρατηρούμε από την 2.1 ότι όσο αυξάνεται το β των τρανζίστορ, το ρεύμα εξόδου πλησιάζει την τιμή του ρεύματος εισόδου. Καθρέπτης ρεύματος Wilson Σχήμα 2.5: Καθρέπτης ρεύματος Wilson (Καρύμπακας 2001, τροποποιημένο). 68

70 Τα ρεύματα των συλλεκτών των Q1 και Q2 θα είναι ίσα γιατί οι επαφή βάσηςεκπομπού έχει το ίδιο δυναμικό και στα δύο τρανζίστορ. Η σχέση του ρεύματος αναφοράς IREF με το ρεύμα εξόδου IOUT είναι IREF IC1IB3 IOUT IREF 2( IB IB3) IOUT IC1 2IB IB3 (2.2) Αν λάβουμε υπόψιν μας ότι τα ρεύματα των βάσεων είναι πολύ μικρά και σχεδόν ίσα, προκύπτει από την 2.2 ότι το ρεύμα IOUT είναι σχεδόν ίσο με το ΙREF. Ο καθρέπτης Wilson πλεονεκτεί έναντι του απλού καθρέπτη γιατί στον απλό καθρέπτη VCE1=VBE και το VCE2 μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή γιατί εξαρτάται από το φορτίο RL. Επομένως, λόγω του φαινομένου Early τα δύο ρεύματα μπορεί να διαφέρουν αρκετά. Στον καθρέπτη Wilson, η διαφορά αυτή είναι μικρότερη γιατί VCE1=2VBE και VCE2=VBE. Καθρέπτης ρεύματος με αντιστάθμιση ρεύματος βάσεως Ο καθρέπτης αυτός είναι παρόμοιος με το κύκλωμα του απλού καθρέπτη ρεύματος με μόνη διαφορά την προσθήκη του Q3 (Σχήμα 2.6). Το αποτέλεσμα είναι ότι για τα ρεύματα βάσεων των Q1 και Q2, θα χρειαστεί ένα μικρό μέρος του ρεύματος αναφοράς. Το ρεύμα αυτό είναι β+1 φορές μικρότερο από το άθροισμα των ρευμάτων των βάσεων των Q1 και Q2. Όπως και στον απλό καθρέπτη ρεύματος, ισχύει η σχέση IC1=IC2. Σχήμα 2.6: Καθρέπτης ρεύματος με αντιστάθμιση ρεύματος βάσεως (Hood 2009, τροποποιημένο). 69

71 είναι Επομένως, η σχέση του ρεύματος εξόδου IOUT με το ρεύμα αναφοράς IREF IOUT IC1 IREF I B3 IB IOUT IB3 2 IOUT I REF I OUT IB 2 2 IREF IOUT (1 ) I (1 ) 2 OUT (2.3) 2 Παρατηρούμε από την 2.3 ότι η τιμή του ρεύματος εξόδου έχει βελτιωθεί συγκριτικά με την τιμή του στον απλό καθρέπτη ρεύματος (Σχέση 2.1). Η βελτίωση είναι πολύ μεγάλη και φαίνεται αν συγκρίνουμε τους όρους 2/β και 2/β Πηγές ρεύματος Τα διπολικά τρανζίστορ, λόγω της υψηλής αντίστασης που έχει ο συλλέκτης μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πηγές ρεύματος. Οι πηγές αυτές μπορούν να παρέχουν σταθερό ρεύμα ανεξάρτητα από το μέγεθος του φορτίου και να ελέγχονται από τάση ή να χρησιμοποιούν τάση αναφοράς από δίοδο zener ή διαιρέτη τάσης. Οι καθρέπτες ρεύματος μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πηγές ρεύματος (Καρύμπακας 2001). Οι πηγές ρεύματος που σχεδιάζονται με PNP "δίνουν" ρεύμα στο φορτίο και ονομάζονται πηγές ρεύματος (current sources) ενώ οι πηγές με NPN "τραβούν" ρεύμα από το φορτίο και ονομάζονται καταβόθρες ρεύματος (current sinks). Πηγή ρεύματος με χρήση καθρέπτη ρεύματος Σχήμα 2.7: Πηγή ρεύματος με χρήση καθρέπτη ρεύματος (Καρύμπακας 2001). 70

72 Η πηγή ρεύματος χρησιμοποιεί ένα καθρέπτη ρεύματος και το ρεύμα που παρέχει στο φορτίο ΙOUT είναι περίπου ίσο με το ρεύμα Ι1 που διαρρέει την R. Η επαφή βάσης εκπομπού έχει το ίδιο δυναμικό και για τα δύο τρανζίστορ αλλά τα ρεύματα είναι σχεδόν ίσα γιατί το Q1 είναι συνδεδεμένο διοδικά δηλαδή VCE1 0,7 V ενώ η τάση VCE2 του Q2 μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή γιατί εξαρτάται από την RL. Επομένως, λόγω του φαινομένου Early τα ρεύματα IOUT και IREF είναι σχεδόν ίσα. Πηγή ρεύματος Widlar Σχήμα 2.8: Πηγή ρεύματος Widlar (Sedra & Smith 1994, τροποποιημένο). Η πηγή ρεύματος αυτή είναι ίδια με την πηγή ρεύματος που χρησιμοποιεί καθρέπτη ρεύματος με την διαφορά ότι έχει μια αντίσταση στον εκπομπό RE και επομένως δεν είναι καθρέπτης ρεύματος γιατί τα ρεύμα των δύο κλάδων δεν είναι ίσα. Η πηγή ρεύματος Widlar έχει δύο πλεονεκτήματα σχετικά με την πηγή ρεύματος καθρέπτη. Το πρώτο είναι ότι έχει μεγαλύτερη αντίσταση εξόδου γιατί το IOUT διαρρέει και την αντίσταση RE και το δεύτερο είναι ότι με την πηγή Widlar μπορούμε να πετύχουμε μικρά ρεύματα εξόδου με μικρότερες αντιστάσεις από τις αντιστάσεις που θα χρειαζόταν να χρησιμοποιήσουμε στην πηγή ρεύματος με καθρέπτη. Το πλεονέκτημα αυτό προκύπτει από το γεγονός ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μεγάλο I1, συγκριτικά με το ΙOUT, και με τον τρόπο αυτό χρειαζόμαστε μικρή αντίσταση R. Στην συνέχεια μπορούμε να προσδιορίσουμε την αντίσταση RE για το επιθυμητό ρεύμα ΙOUT από την σχέση R E V T 1 ln IOUT IOUT I (2.4) όπου VT = 26 mv Το πλεονέκτημα αυτό είναι πολύ χρήσιμο στα ολοκληρωμένα κυκλώματα γιατί η κατασκευή μεγάλων αντιστάσεων απαιτεί μεγάλη επιφάνεια και με τον καθρέπτη Widlar εξοικονομούμε επιφάνεια. 71

73 Πηγή ρεύματος με δύο τρανζίστορ Σχήμα 2.9: Πηγή ρεύματος με δύο τρανζίστορ (Hood 2009). Στην πηγή ρεύματος με δύο τρανζίστορ του σχήματος 2.9 το Q2 πολώνεται από την αντίσταση R1. Η πτώση τάσης στην R2 είναι μικρή με αποτέλεσμα το Q1 να μην άγει. Αν για κάποιο λόγο αυξηθεί η τάση τροφοδοσίας +VCC το ρεύμα βάσης και συνεπώς και το ρεύμα εκπομπού του Q2 θα αυξηθεί με αποτέλεσμα να αυξηθεί η πτώση τάσης στα άκρα της R2. Μόλις αυξηθεί η τάση στα άκρα της R2 το Q1 θα άγει με αποτέλεσμα να μειώσει το ρεύμα βάσης του Q2. Παρατηρούμε από τον τρόπο λειτουργίας της πηγής ρεύματος ότι το ρεύμα IOUT δεν επηρεάζεται από τις μεταβολές της τάσης τροφοδοσίας. Πηγή ρεύματος με χρήση διόδων Σχήμα 2.10: Πηγή ρεύματος με χρήση διόδων (Slone 1999, τροποποίηση). Οι δίοδοι D1 και D2 και η αντίσταση R1 πολώνουν την επαφή βάσηςεκπομπού του Q1 σε σταθερό δυναμικό με αποτέλεσμα το ρεύμα συλλέκτη (ΙOUT) του Q1 να είναι σταθερό. Ο πυκνωτής C έχει τοποθετηθεί για να εξαλείφει τις διακυμάνσεις της τάσης τροφοδοσίας και να μην υπάρχει έντονη μεταβολή του ρεύματος του συλλέκτη. Η αντίσταση R2 έχει τοποθετηθεί για να διαρρέει το ρεύμα βάσης του Q1 καθώς και το ρεύμα των διόδων. 72

74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΗΧΟΥ (AUDIO POWER AMPLIFIER) Ενισχυτή ισχύος ήχου (Audio power amplifier) ονομάζεται ο ενισχυτής ο οποίος χρησιμοποιείται για την αναπαραγωγή ήχου. Για να κατανοήσουμε τις προδιαγραφές που πρέπει να πληροί ένας ενισχυτής ήχου και την χρησιμότητα του, πρέπει πρώτα να αναφέρουμε τα χαρακτηριστικά της ανθρώπινης ακοής. 3.1 Ανθρώπινη ακοή Το ανθρώπινο αυτί μπορεί να αντιληφθεί ήχους από 20 Hz μέχρι 20 khz. Όσο αυξάνεται η ηλικία του ανθρώπου, η ευαισθησία του αυτιού μειώνεται στις υψηλές συχνότητες και μετά από μία ηλικία, ο άνθρωπος δεν μπορεί να αντιληφθεί ήχους με συχνότητες στο άνω συχνοτικό όριο της ακοής του. Η μείωση του εύρους συχνοτήτων της ανθρώπινης ακοής ξεκινάει στην ηλικία των 8 ετών και μειώνεται κυρίως το άνω συχνοτικό όριο (Wikipedia Website 2015a). Σχήμα 3.1: Αντίληψη του ήχου από το ανθρώπινο αυτί (Duncan 1996, τροποποιημένο). 73

75 Στο σχήμα 3.1 απεικονίζεται το διάγραμμα αντίληψης του ήχου από το άνθρωπο αυτί. Οι καμπύλες δείχνουν την στάθμη ηχητικής πίεσης που πρέπει να έχουν τα ηχητικά κύματα ώστε υποκειμενική αντίληψη της έντασης του ήχου να είναι ίδια. Δηλαδή, το ανθρώπινο αυτί αντιλαμβάνεται με την ίδια ένταση έναν ήχο που έχει στάθμη ηχητικής πίεσης 30dB στα 1000 Hz με ένα ήχο που έχει στάθμη ηχητικής πίεσης 45dB στα 100 Hz (Sinclair 1998). Από το διάγραμμα προκύπτει το συμπέρασμα ότι για να αντιληφθεί το ανθρώπινο αυτί ήχους χαμηλών συχνοτήτων, πρέπει οι ήχοι αυτοί να έχουν μεγάλη ηχητική πίεση και ότι η περιοχή συχνοτήτων από 1000 Hz έως 5000 Hz είναι η ευαίσθητη περιοχή ακοής του ανθρώπου, δηλαδή αντιλαμβάνεται ήχους με μικρή στάθμη ηχητικής πίεσης. Βέβαια, καθώς αυξάνεται η ηλικία ενός ανθρώπου, η ευαίσθητη περιοχή ακοής μικραίνει και περιορίζεται στα 1000 έως 2000 Hz. Επιπλέον, στο συχνοτικό εύρος 1000 Hz, το ανθρώπινο αυτί παρουσιάζει την καλύτερη διακριτική του ικανότητα και μπορεί να διακρίνει ήχους που έχουν συχνοτική διαφορά της τάξης των 3 Hz (Wikipedia Website 2015a, Sinclair 1998). Με βάση τα χαρακτηριστικά της ανθρώπινης ακοής που αναφέραμε συμπεραίνουμε ότι η μεγαλύτερη ευαισθησία του ανθρώπινης ακοής είναι η συχνότητα των 1000 Hz. Αυτός είναι και ο λόγος που η συχνότητα των 1000 Hz αποτελεί την συχνότητα αναφοράς στα διαγράμματα που περιγράφουν την ανθρώπινη ακοή όπως το σχήμα 3.1. Συνέπεια αυτού είναι και το γεγονός ότι η μονάδα μέτρησης phon που είναι η μονάδα μέτρησης της στάθμης ακουστότητας έχει την ίδια τιμή με την στάθμη ηχητικής πίεσης των ηχητικών κυμάτων στην συχνότητα των 1000 Hz (Sinclair 1998). Ένα άλλο στοιχείο της ανθρώπινης ακοής είναι ότι η ανθρώπινη ακοή δεν είναι γραμμική αλλά λογαριθμική, δηλαδή ο άνθρωπος αντιλαμβάνεται ότι ένας ήχος έχει την διπλάσια ένταση από ένα άλλον όχι από την απόλυτη διαφορά των ηχητικών πιέσεων αλλά από την λόγο των ηχητικών πιέσεων. Αυτή είναι και η αιτία της χρησιμοποίησης της στάθμης ηχητικής πίεσης που είναι λογαριθμική κλίμακα σε db. 3.2 Ενισχυτής ισχύος ήχου (Audio power amplifier) Όπως αναφέραμε στην αρχή του κεφαλαίου, ο ενισχυτής ισχύος ήχου(audio power amplifier) είναι μία ηλεκτρονική διάταξη η οποία χρησιμοποιείται για την αναπαραγωγή ήχου. Για να καταλάβουμε την χρησιμότητα του ενισχυτή ισχύος ήχου θα δούμε αρχικά ποιες συσκευές πρέπει να χρησιμοποιήσουμε για την αναπαραγωγή του ήχου και γιατί είναι απαραίτητη η χρήση ενός ενισχυτή και μάλιστα ενός ενισχυτή ισχύος. Για να είναι δυνατή η αναπαραγωγή ενός ήχου πρέπει να υπάρχει μια συσκευή η οποία να μετατρέπει τα ηχητικά κύματα σε ηλεκτρικό σήμα και μια η οποία να μετατρέπει το ηλεκτρικό σήμα σε ηχητικά κύματα. Συσκευές οι οποίες μετατρέπουν τα ηχητικά σήματα σε ηλεκτρικό σήμα είναι παραδείγματος χάριν το μικρόφωνο, οι μαγνήτες των μουσικών οργάνων και η συσκευή που μετατρέπει το ηλεκτρικό σήμα σε ηχητικά κύματα είναι το ηχείο. Ένα μικρόφωνο λειτουργεί ως μία πηγή τάσης η οποία έχει τάση εξόδου που κυμαίνεται από εκατοντάδες mvp-p έως λίγα Vp-p και έχει εσωτερική αντίσταση που κυμαίνεται από μερικές εκατοντάδες Ω έως μερικές δεκάδες kω (Audio Technica 2015). Τα περισσότερα ηχεία έχουν αντίσταση 4, 8 ή 16 Ω. 74

76 Σχήμα 3.2: Αναπαραγωγή ήχου χωρίς ενισχυτή ισχύος. Αν προσπαθήσουμε να αναπαράγουμε τον ήχο συνδέοντας κατευθείαν το μικρόφωνο με το ηχείο τότε από το σχήμα 3.2 συμπεραίνουμε ότι η τάση στο φορτίο θα είναι ίση με RL L mic (3.1) R R L Από την σχέση 3.1 προκύπτει το συμπέρασμα ότι για να μην έχουμε απώλεια σήματος θα πρέπει η αντίσταση του ηχείου να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη και η αντίσταση του μικροφώνου όσο το δυνατόν μικρότερη. Αν διαλέξουμε ένα μικρόφωνο με αντίσταση 500Ω τάση εξόδου 1 Vp-p και ένα ηχείο με 8 Ω τότε από την σχέση 3.1 προκύπτει ότι 8 L * Vp-p (3.2) Δηλαδή η τάση στο ηχείο θα είναι μόνο το 1,6% της τάσης του μικροφώνου και η στιγμιαία μέγιστη ισχύς που θα τροφοδοτηθεί το ηχείο είναι mic / 2 2 PL ( peak ) 8 μw (3.3) 8 Αν λάβουμε υπόψιν ότι για να είναι αντιληπτός ένας ήχος χαμηλών συχνοτήτων από το ανθρώπινο αυτί πρέπει να έχει μεγάλη ηχητική πίεση καθώς και το γεγονός ότι τα ηχεία έχουν πολύ μικρή απόδοση, της τάξης των 0,05% έως 1%, από την σχέση 3.3 προκύπτει ότι η ισχύς που τροφοδοτείται το ηχείο είναι πολύ μικρή και επομένως είναι απαραίτητη η χρήση ενός ενισχυτή ισχύος ήχου (Duncan 1996). Ο ενισχυτής ισχύος ήχου είναι ένας ενισχυτής ο οποίος δέχεται στην είσοδο του σήμα από μια πηγή τάσης και τροφοδοτεί το ηχείο με ισχύ. Πρέπει να δέχεται στην είσοδο του όσο το δυνατόν μεγαλύτερο μέρος της τάσης της πηγής δηλαδή να έχει μεγάλη αντίσταση εισόδου και να έχει μεγάλη απολαβή σε τάση και σε ρεύμα γιατί επιθυμητό αποτέλεσμα είναι η τροφοδοσία του ηχείου με ισχύ. Ιδανικά, επειδή ο ενισχυτής ισχύος ήχου έχει μικρή αντίσταση εξόδου μπορούμε να τον παρομοιάσουμε με ένα ενισχυτή τάση (Σχήμα 3.3). Η διαφορά του ενισχυτή τάσης και του ενισχυτή ισχύος είναι ότι στον πρώτο μας ενδιαφέρει η απολαβή τάσης ενώ στον δεύτερο η απολαβή της ισχύς δηλαδή δεν μας ενδιαφέρει η τιμή της τάσης που θα εμφανιστεί στην έξοδο αλλά το γινόμενο της τάσης και του ρεύματος (Cordell 2011). 75

77 Ως πηγή εισόδου χρησιμοποιείται ένα μικρόφωνο, ένα cd player, ένα mp3 player, ένα μουσικό όργανο κτλ. Κάθε πηγή έχει διαφορετική τάση εξόδου, αντίσταση εξόδου και συχνοτικό εύρος. Αν λάβουμε υπόψιν μας τις τιμές των αντιστάσεων των μικροφώνων και των ηχείων που αναφέραμε προηγουμένως, αντιλαμβανόμαστε ότι η αντίσταση εισόδου πρέπει να είναι αρκετές δεκάδες kω και η αντίσταση εξόδου πολύ μικρότερη από 1 Ω (Duncan 1996). Σχήμα 3.3: Προσέγγιση ενισχυτή ισχύος ως ενισχυτή τάσης. Ο ενισχυτής ισχύος ήχου πρέπει να πληροί τις προδιαγραφές ενός καλού ενισχυτή δηλαδή πρέπει να έχει γραμμική συμπεριφορά για να μην παρατηρείται αρμονική παραμόρφωση και επομένως να έχει χαμηλό δείκτη THD στο φάσμα συχνοτήτων που καλείται να ενισχύσει. Το εύρος ζώνης ενός ενισχυτή ισχύος ήχου πρέπει να συμπεριλαμβάνει τις συχνότητες του ήχου δηλαδή να είναι τουλάχιστον από 20Hz έως 20 kηz ώστε να καλύπτεται το συχνοτικό εύρος που αντιλαμβάνεται το ανθρώπινο αυτί. Ένας ποιοτικός ενισχυτής ισχύος ήχου εισάγει παραμόρφωση THD μικρότερη ή ίση του 1%. Ένας ενισχυτής ισχύος αποτελείται από δύο μέρη. Το πρώτο μέρος του είναι ένας ενισχυτής τάσης ο οποίος ονομάζεται προενισχυτής(pre-amplifier) και ένα δεύτερο μέρος το οποίο ονομάζεται τελικός ενισχυτής(power stage). Ο προενισχυτής δέχεται την τάση της πηγής, την ενισχύει και ο τελικός ενισχυτής τροφοδοτεί το ηχείο με ισχύς (Σχήμα 3.4). Σχήμα 3.4: Σχεδιάγραμμα ενισχυτή ισχύος ήχου Οι επιδόσεις του ενισχυτή ισχύος εξαρτώνται περισσότερο από τις επιδόσεις του τελικού ενισχυτή γιατί αυτός εισάγει το μεγαλύτερο μέρος της παραμόρφωσης επειδή διαχειρίζεται μεγάλα ρεύματα και από αυτόν καθορίζεται η απαίτηση για THD μικρότερο από 1%. 76

78 Στο εμπόριο μπορεί κανείς να βρει τα δύο μέρη του ενισχυτή ήχου σε μια συσκευή, ξεχωριστά ή ακόμη και τον συνδυασμό αυτών με τα ηχεία. Παραδείγματος χάριν, υπάρχουν ηχεία τα οποία διαθέτουν τον τελικό ενισχυτή ή ακόμα και τον προενισχυτή και ονομάζονται ενεργά ηχεία. 3.3 Προενισχυτής(Pre-Amplifier) Όπως αναφέραμε προηγουμένως, ο προενισχυτής είναι το πρώτο στάδιο ενός ενισχυτή ισχύος ήχου και είναι ένας ενισχυτής τάσης. Ανάλογα με την πηγή τάσης που θα συνδεθεί στην είσοδο του ο ενισχυτής θα πρέπει να έχει την κατάλληλη αντίσταση εισόδου ώστε να μην υπάρχει απώλεια σήματος. Συνήθως η αντίσταση εισόδου κυμαίνεται από 10 kω έως 22 kω (Duncan 2009). Άλλος παράγοντας ο οποίος πρέπει να εξεταστεί κατά την σύνδεση της πηγής τάσης είναι το πλάτος της τάσης της πηγής. Ο προενισχυτής έχει ένα συγκεκριμένο όριο στο σήμα που μπορεί να δεχτεί στην είσοδο του. Αν το όριο αυτό ξεπεραστεί το σήμα εξόδου θα έχει υποστεί ψαλιδισμό. Η αντίσταση εξόδου του προενισχυτή δεν έχει καθορισμένη τιμή. Η τιμή της αντίστασης εξόδου καθορίζεται από την αντίσταση εισόδου του τελικού ενισχυτή και από την ικανότητα του σταδίου εξόδου του προενισχυτή να διαχειρίζεται μεγάλα ρεύματα. Αν ο τελικός ενισχυτής έχει μεγάλη αντίσταση εισόδου τότε ο προενισχυτής πρέπει να έχει μεγαλύτερη αντίσταση εξόδου και αν ο τελικός ενισχυτής έχει μικρή αντίσταση εξόδου τότε το στάδιο εξόδου του προενισχυτή πρέπει να διαχειρίζεται αρκετά μεγάλα ρεύματα. Οι προδιαγραφές που έχουν οριστεί για ένα ποιοτικό προενισχυτή είναι Εύρος ζώνης από 5 khz έως 30 khz THD μικρότερο του 0.1 % Σταθερή απολαβή τάσης με ανοχή ±0.5 db Στις προδιαγραφές του προενισχυτή αναφέρεται ότι ο δείκτης THD πρέπει να είναι μικρότερος από 0.1% αλλά δεν αναφέρεται σε ποια συχνότητα. Παραδείγματος χάριν, η μέτρηση του THD στην συχνότητα των 1 khz(thd-1) δεν μας παρέχει ακριβής πληροφορία για την αρμονική παραμόρφωση του ενισχυτή γιατί σε αυτή την συχνότητα ένας ενισχυτής τάσης δουλεύει αρκετά γραμμικά. Συνήθως η μέτρηση που καθορίζει την καλή γραμμική λειτουργία ενός ενισχυτή τάσης, κατ επέκταση ενός προενισχυτή, είναι η μέτρηση του THD στην συχνότητα των 20 khz(thd-20) (Cordell 2011). Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά ενός προενισχυτή είναι ότι διαθέτει χειριστήριο ρύθμισης της απολαβής. Επίσης περιέχει φίλτρα με τα οποία μπορεί να ρυθμιστεί η ένταση συγκεκριμένων συχνοτικών περιοχών. Οι συχνοτικές περιοχές συνήθως είναι τρεις. Η πρώτη βρίσκεται στην περιοχή των χαμηλών συχνοτήτων, η δεύτερη στην περιοχή των μεσαίων συχνοτήτων και η τρίτη στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων με κεντρικές συχνότητες 60 Hz, 700 Hz και 6kHz αντίστοιχα. 77

79 Άλλες δυνατότητες που μας παρέχει ο προενισχυτής είναι επιλογή της πηγής εισόδου που θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε μέσω ενός διακόπτη και η παραμόρφωση του σήματος με την εισαγωγή εφέ. Ακόμα, μπορεί να περιέχει κύκλωμα ισοσταθμιστή ώστε να μπορούμε να επεξεργαστούμε την ένταση συγκεκριμένων συχνοτικών περιοχών σε περισσότερες συχνοτικές περιοχές. 3.4 Προενισχυτής μουσικών οργάνων Όπως αναφέραμε, για την αναπαραγωγή ήχου είναι απαραίτητη η χρήση ενός ενισχυτή ισχύος ήχου και επομένως ενός προενισχυτή. Συνεπώς, οι προενισχυτές χρησιμοποιούνται και από τους μουσικούς. Η διαφορά των προενισχυτών που χρησιμοποιούνται για την αναπαραγωγή μουσικής από ένα cd player ή ένα mp3 player με τους προενισχυτές μουσικών οργάνων είναι ότι ο προενισχυτής μουσικών οργάνων θα πρέπει να έχει περισσότερες λειτουργίες επεξεργασίας του σήματος γιατί τα μουσικά όργανα έχουν πολλές ιδιαιτερότητες στο σήμα εξόδου τους. Το σήμα και αντίσταση εξόδου ενός cd player ή ενός mp3 player έχουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά και βασίζονται σε συγκεκριμένα διεθνή πρότυπα σε αντίθεση με τα μουσικά όργανα των οποίων η τάση και η αντίσταση εξόδου τους ποικίλει. Επίσης, η τάση εξόδου των μουσικών οργάνων δεν έχει την ίδια τιμή για όλο το φασματικό εύρος του οργάνου. Οι προδιαγραφές που έχουν οριστεί σε ένα προενισχυτή ήχου ισχύουν και στην περίπτωση του προενισχυτή μουσικού οργάνου. Ένας σημαντικός παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψιν στην κατασκευή ενός προενισχυτή μουσικού οργάνου είναι ότι το συχνοτικό εύρος του μουσικού οργάνου. Ο πίνακα 3.1 περιέχει το συχνοτικό εύρος μερικών δημοφιλών μουσικών οργάνων. Το εύρος ζώνης των μουσικών οργάνων που αναγράφεται αναφέρεται στις θεμελιώδης συχνότητες. Το πραγματικό εύρος διαφέρει γιατί κάθε μουσικό όργανο παράγει αρμονικές συχνότητες και εισάγεται και αρμονική παραμόρφωση στο σήμα έξοδου λόγω της συσκευής που χρησιμοποιείται για την μετατροπή του ηχητικού κύματος σε ηλεκτρικό σήμα. Από τον πίνακα προκύπτει ότι το συχνοτικό εύρος των οργάνων διαφέρει και επομένως ο προενισχυτής θα πρέπει να ανταποκρίνεται στο συχνοτικό εύρος του κάθε οργάνου. Πίνακας 3.1: Συχνοτικό εύρος μουσικών οργάνων 4. Μουσικό όργανο Πιάνο Ακουστική κιθάρα Τετράχορδο μπουζούκι Τετράχορδο μπάσο Συχνοτικό εύρος 27.5 Hz-4186 Hz 82.4 Hz-1174 Hz Hz Hz 41.2 Hz-349 Hz 4 Το συχνοτικό εύρος των τριών μουσικών οργάνων πλην του πιάνου καθορίστηκε με βάση την αντιστοίχηση των νοτών με το πιάνο του οποίου το συχνοτικό εύρος δίνεται από τον Vaseghi (2007). 78

80 Ένα άλλο στοιχείο είναι ότι το μουσικό όργανο δεν παράγει όλες τις συχνότητες του με την ίδια ένταση. Επομένως τα φίλτρα ή ο ισοσταθμιστής που περιέχει ο προενισχυτής θα πρέπει να ανταποκρίνεται στο συχνοτικό εύρος του οργάνου και να είναι κατάλληλα ώστε να μπορεί να γίνει η κατάλληλη επεξεργασία του σήματος για να πετύχουμε το επιθυμητό αποτέλεσμα. Ένας προενισχυτής μουσικού οργάνου εκτός από το κύκλωμα ενίσχυσης, την δυνατότητα ρύθμισης της απολαβής τάσης, τα φίλτρα και τον ισοσταθμιστή, περιέχει και άλλα κυκλώματα τα οποία βοηθούν στην επεξεργασία, παραμόρφωση και αναπαραγωγή του ήχου. Ένα σημαντικό κύκλωμα το οποίο περιέχει είναι ένα κύκλωμα ενίσχυσης τάσης με ρύθμιση της απολαβής του που τοποθετείται πριν από το κύκλωμα ενίσχυσης τάσης. Το κύκλωμα αυτό παρέχει την δυνατότητα ρύθμισης της τάσης που δέχεται το κύκλωμα ενίσχυσης του προενισχυτή. Η ρύθμιση αυτή χαρακτηρίζεται ως gain και βοηθάει ώστε να γίνει το ταίριασμα της τάσης εξόδου του οργάνου με την τάση εισόδου του προενισχυτή και για να αποφευχθεί ο ψαλιδισμός του σήματος εξόδου το οποίο στην γλώσσα των μουσικών ονομάζεται clipping. Επίσης περιέχει και ένα κύκλωμα το οποίο μας προειδοποιεί όταν παρατηρείται ψαλιδισμός του σήματος εξόδου ώστε να έχουμε την δυνατότητα να μειώσουμε το gain και να αποφύγουμε τον ψαλιδισμό. Ο προενισχυτής μπορεί να περιέχει και κάποια φίλτρα τα οποία απομονώνουν ανεπιθύμητους ήχους εκτός του επιθυμητού συχνοτικού εύρους. Οι ανεπιθύμητοι ήχοι μπορεί να παράγονται από το αντηχείο του οργάνου ή από εξωτερικές παρεμβολές. Το διάγραμμα ενός προενισχυτή έχει συνήθως την μορφή του σχήματος 3.5. Σχήμα 3.5: Διάγραμμα προενισχυτή μουσικού οργάνου Στόχος της παρούσης εργασίας είναι η κατασκευή ενός προενισχυτή μουσικού οργάνου που να πληροί τις παραπάνω προδιαγραφές. 79

81 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ ΤΑΣΗΣ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται κυκλώματα ενισχυτών τάσης και γίνεται ανάλυση των υποκυκλωμάτων που αποτελείται ο κάθε ενισχυτής τάσης καθώς και ο τρόπος λειτουργίας τους. 4.1 Ενισχυτής δύο σταδίων Σχήμα 4.1: Ενισχυτής δύο σταδίων (Hood 2009, τροποποιημένο). Το κύκλωμα του σχήματος 4.1 αποτελείται από το στάδιο εισόδου, το δεύτερο στάδιο ενίσχυσης και το κύκλωμα ανάδρασης. Στάδιο Εισόδου Το στάδιο εισόδου αποτελείται από τα τρανζίστορ Q1 έως Q7 και τις αντιστάσεις R1, R2, R3. Τα τρανζίστορ Q2 και Q6 αποτελούν τον διαφορικό ενισχυτή, τα Q1, Q7 και οι αντιστάσεις R2, R3 αποτελούν την πηγή ρεύματος του διαφορικού ενισχυτή και τα Q3, Q4 και Q5 αποτελούν τον καθρέπτη ρεύματος που είναι το ενεργό φορτίο του διαφορικού ενισχυτή. Η αντίσταση R1 πολώνει το Q2. 80

82 Δεύτερο στάδιο ενίσχυσης Το στάδιο ενίσχυσης αποτελείται από τα τρανζίστορ Q8, Q9 και την αντίσταση R6. Τo Q8 είναι σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού και ενισχύει το σήμα που εμφανίζεται στον συλλέκτη του Q2. Τα Q1, Q9 και οι R2, R6 αποτελούν την πηγή ρεύματος η οποία είναι το ενεργό φορτίο του Q8. Κύκλωμα ανάδρασης Η αρνητική ανάδραση του κυκλώματος γίνεται μέσω του διαιρέτη τάσης ο οποίος αποτελείται από τις αντιστάσεις R4, R5 και τον πυκνωτή C1. Λόγω του πυκνωτή C1 το κύκλωμα ανάδρασης πραγματοποιεί μια 100% DC ανάδραση. Λειτουργία κυκλώματος Στο πρώτο στάδιο του κυκλώματος, το σήμα εισόδου ενισχύεται από το διαφορικό ενισχυτή. Στο δεύτερο στάδιο ενίσχυσης, το ενισχυμένο σήμα ενισχύεται ακόμα περισσότερο και εμφανίζεται στην έξοδο του κυκλώματος. Ένα μέρος του σήματος εξόδου, εφαρμόζεται μέσω του δικτυώματος ανάδρασης στην βάση του Q6 του διαφορικού ενισχυτή. 81

83 4.2 LM380 της National Semiconductor Corporation Σχήμα 4.2: Απλοποιημένη έκδοση του ενισχυτή LM380 της National Semiconductor Corporation (Sedra &Smith 2010). Στο σχήμα 4.2 απεικονίζεται μια απλοποιημένη έκδοση του ενισχυτή LM380 της National Semiconductor Corporation. Το κύκλωμα αυτό αποτελείται από το κύκλωμα πόλωσης, το στάδιο εισόδου, το δεύτερο στάδιο ενίσχυσης και το στάδιο εξόδου. Κύκλωμα πόλωσης Το κύκλωμα πόλωσης αποτελείται από τα τρανζίστορ Q10 και Q11, που αποτελούν ένα καθρέπτη ρεύματος, και τις αντιστάσεις R1 και R2. Το Q3 του διαφορικού ζεύγους πολώνεται από το διοδικά συνδεδεμένο Q10 και την R1 και το Q4 πολώνεται μέσω της R2 που παρέχει ρεύμα από την έξοδο του κυκλώματος. Το Q11 πολώνει το δεύτερο στάδιο ενίσχυσης του κυκλώματος, δηλαδή το Q12, και πολώνει και τις διόδους D1 και D2 του σταδίου εξόδου. 82

84 Στάδιο εισόδου Το στάδιο εισόδου αποτελείται από τα τρανζίστορ Q1 έως Q6 και τις αντιστάσεις R3, R4 και R5. Τα Q1 και Q2 είναι σε συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη και προσφέρουν μεγάλη αντίσταση στην είσοδο του κυκλώματος. Τα Q3, Q4 αποτελούν το διαφορικό ζεύγος του σταδίου εισόδου με αντίσταση εκπομπού την R3 και τα Q5, Q6 είναι ο καθρέπτης ρεύματος που αποτελεί το ενεργό φορτίο του διαφορικού ζεύγους. Οι R4 και R5 πολώνουν τα Q1, Q3 και Q2, Q4 αντίστοιχα και επιπλέον παρέχουν dc διαδρομή των ρευμάτων πόλωσης ώστε να μπορεί να συνδεθεί η πηγή χωρητικά συζευγμένη. Η αντίσταση R2 λειτουργεί και ως κύκλωμα ανάδρασης για τo DC ρεύμα πόλωσης. Αν το Vο αυξηθεί για κάποιο λόγο, τότε θα αυξηθεί το ρεύμα διά της R2 και επομένως και το ρεύμα του εκπομπού του Q4. Λόγω της αύξησης του ρεύματος του Q4 θα μειωθεί το VCE4 και η τάση της βάσης του Q12 θα αυξηθεί. Επομένως, θα διέλθει μεγαλύτερο ρεύμα από τον συλλέκτη του Q12, θα μειωθεί η VCE12 με αποτέλεσμα να μειωθεί η τάση στην βάση του Q7 και να επανέλθει η τάση στην έξοδο στην αρχική της τιμή. Δεύτερο στάδιο ενίσχυσης Το δεύτερο στάδιο ενίσχυσης αποτελείται από το τρανζίστορ Q12 και τον πυκνωτή C. Το Q12 είναι σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού και ενισχύει το σήμα που εμφανίζεται στον συλλέκτη του Q6. Στάδιο εξόδου Το στάδιο εξόδου αποτελείται από τα τρανζίστορ Q7, Q8, Q9, τις διόδους D1, D2 και τις αντιστάσεις R6, R7. Το στάδιο εξόδου είναι τάξης AB. Οι δίοδοι D1 και D2 που πολώνονται από το Q11 παρέχουν πόλωση στις βάσεις των Q7 και του σύνθετου pnp τρανζίστορ που αποτελείται από τα Q8 και Q9. Λειτουργία κυκλώματος Στο πρώτο στάδιο εισόδου, το σήμα ενισχύεται από το διαφορικό ζεύγος. Το ενισχυμένο σήμα του συλλέκτη του Q4 ενισχύεται περισσότερο στο δεύτερο στάδιο ενίσχυσης του κυκλώματος, δηλαδή από το Q12. Το ενισχυμένο σήμα που εμφανίζεται στον συλλέκτη του Q12, μέσω του σταδίου εξόδου, εμφανίζεται στην έξοδο του κυκλώματος. 83

85 4.3 Ενισχυτής με χρήση cascode Σχήμα 4.3: Ενισχυτής με χρήση cascode (Hood 1997). Το κύκλωμα αποτελείται από το στάδιο εισόδου, το δεύτερο στάδιο ενίσχυσης και το κύκλωμα ανάδρασης. Στάδιο εισόδου Το στάδιο εισόδου αποτελείται από τα τρανζίστορ Q1 έως Q8, τις αντιστάσεις R1, R2, R3, R6, R7, τον πυκνωτή C3 και το ποτενσιόμετρο RV1. Τα Q1, Q2 αποτελούν το διαφορικό ενισχυτή, τα Q7,Q8 μαζί με τις αντιστάσεις R2, R3 αποτελούν την πηγή ρεύματος του διαφορικού ενισχυτή και τα Q5, Q6 μαζί με το ποτενσιόμετρο RV1 αποτελούν τον καθρέπτη ρεύματος που είναι το ενεργό φορτίο του διαφορικού ενισχυτή. Το ποτενσιόμετρο RV1 έχει τοποθετηθεί για να υπάρχει η δυνατότητα εξάλειψης τυχόν ανομοιότητας των Q5 και Q6. Τα Q3 και Q4 είναι τρανζίστορ σε συνδεσμολογία cascode και πολώνονται από το δικτύωμα που αποτελείται από τις αντιστάσεις R6, R7 και τον πυκνωτή C3. Η R1 πολώνει το Q1 και παρέχει διαδρομή του DC ρεύματος για να μπορεί να συνδεθεί η πηγή χωρητικά συζευγμένη. 84

86 Δεύτερο στάδιο ενίσχυσης Το δεύτερο στάδιο του κυκλώματος αποτελείται από τα τρανζίστορ Q9 και Q10, την αντίσταση R5, R8, την δίοδο D1 και τον πυκνωτή C4. Το Q9 ενισχύει το σήμα που εμφανίζεται στον συλλέκτη του Q5. Το Q10 είναι σε συνδεσμολογία cascode και πολώνεται από το δικτύωμα που αποτελείται από τα στοιχεία R8, D1 και C4. Κύκλωμα ανάδρασης Η ανάδραση του κυκλώματος πραγματοποιείται μέσω της αντίστασης R4 και του πυκνωτή C2 και παρέχει 100% DC αρνητική ανάδραση. Λειτουργία κυκλώματος Το σήμα της πηγής εισόδου ενισχύεται από τον διαφορικό ενισχυτή. Στην συνέχεια μεταβιβάζεται στο δεύτερο στάδιο το οποίο ενισχύει ακόμα περισσότερο το σήμα. Το σήμα είναι εξόδου είναι το σήμα που εμφανίζεται στο συλλέκτη του Q TLO71 της Texas Instruments Σχήμα 4.4: TL071 της Texas Instruments (Hood 2009). Το κύκλωμα του TL071 αποτελείται από το κύκλωμα πόλωσης, το στάδιο εισόδου, το δεύτερο στάδιο ενίσχυσης και το στάδιο εξόδου. 85

87 Κύκλωμα πόλωσης Το κύκλωμα πόλωσης του TL071 αποτελείται από τα τρανζίστορ Q1, Q2, Q3, Q15, Q16, τις αντιστάσεις R1, R10 και την δίοδο zener D2. Τα στοιχεία D2, R10 και Q15 αποτελούν μία πηγή ρεύματος η οποία δημιουργεί το ρεύμα αναφοράς των καθρεπτών ρεύματος που αποτελούνται από τα Q1 και Q3 και από τα Q2 και Q3. Τα Q1 και Q3 αποτελούν πηγή ρεύματος Widlar η οποία πολώνει το στάδιο εισόδου και τα Q2 και Q3 αποτελούν πηγή ρεύματος που πολώνει το δεύτερο στάδιο ενίσχυσης και τα Q11 και Q12 του σταδίου εξόδου. Το Q16 έχει τοποθετηθεί για να προστατεύει την δίοδο zener γιατί αν δεν υπήρχε, στα άκρα της διόδου zener θα εμφανιζόταν μεγάλη διαφορά δυναμικού. Στάδιο εισόδου Το πρώτο στάδιο του ενισχυτή αποτελείται από τα Q1 και Q4 έως Q8 και τις αντιστάσεις R1 έως R4. Τα Q4, Q5 αποτελούν τον διαφορικό ενισχυτή, τα Q1, Q3 μαζί με την R1 την πηγή ρεύματος του διαφορικού ενισχυτή και τα Q6, Q7, Q8 μαζί με τις αντιστάσεις R2, R3 και R4 αποτελούν τον καθρέπτη ρεύματος που είναι το ενεργό φορτίο του διαφορικού ενισχυτή. Δεύτερο στάδιο ενίσχυσης Το δεύτερο στάδιο ενίσχυσης αποτελείται από τα τρανζίστορ Q9, Q10, την αντίσταση R9, την δίοδο D1 και τον πυκνωτή C. Τo Q9 είναι σε συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη και προσφέρει μεγάλη αντίσταση εισόδου στο δεύτερο στάδιο ενίσχυσης με αποτέλεσμα να μην υπάρχει φόρτωση του σταδίου εισόδου και το Q10 είναι σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού και ενισχύει το σήμα που εμφανίζεται στον συλλέκτη του Q8. Η R5 πολώνει τα Q9 και Q10. Η δίοδος D1 και ο πυκνωτής C παρέχουν την αντιστάθμιση συχνότητας του δεύτερου σταδίου. Στάδιο εξόδου Το στάδιο εξόδου αποτελείται από τα τρανζίστορ Q11 έως Q14 και τις αντιστάσεις R6 έως R9. Το στάδιο εξόδου είναι τάξης AB. Τα Q11 και Q12 πολώνονται μέσω του καθρέπτη ρεύματος Q2, Q3 και τις αντίστασης R6 και δημιουργούν διαφορά δυναμικού μεταξύ των βάσεων των Q13 και Q14 περίπου ίση με 2VBE. Οι αντιστάσεις R7, R8 και R9 τοποθετούνται για να σταθεροποιούν το σημείο ηρεμίας των Q13 και Q15. Λειτουργία του κυκλώματος Το σήμα εισόδου της πηγής ενισχύεται από το διαφορικό ενισχυτή και στην συνέχεια ενισχύεται ακόμα περισσότερο από το δεύτερο στάδιο εξόδου. Το ενισχυμένο σήμα μέσω του σταδίου εξόδου εμφανίζεται στην έξοδο του κυκλώματος. 86

88 4.5 Τελεστικός ενισχυτής 741 Σχήμα 4.5: Τελεστικός ενισχυτή 7.41(Sedra & Smith 2010). Το κύκλωμα του 741 αποτελείται από το κύκλωμα πόλωσης, το στάδιο εισόδου, το δεύτερο στάδιο ενίσχυσης και το στάδιο εξόδου. Κύκλωμα πόλωσης Το κύκλωμα πόλωσης αποτελείται από τα τρανζίστορ Q8 έως Q13,Q18,Q19 και τις αντιστάσεις R4, R5 και R10. Τα διοδικά τρανζίστορ Q11,Q12 και η αντίσταση R5 καθορίζουν τα ρεύμα που διαρρέει τον ένα κλάδο του πηγής ρεύματος Widlar η οποία αποτελείται από τα τρανζίστορ Q10 και Q11 και την αντίσταση R4. Το στάδιο εισόδου πολώνεται από το ρεύμα που παράγεται στον συλλέκτη του Q10 και από το ρεύμα που παράγεται από τον καθρέπτη ρεύματος που αποτελείται από τα Q8 και Q9. Τo τρανζίστορ Q13Β πολώνει το δεύτερο στάδιο ενίσχυσης και το Q13Α πολώνει το στάδιο εξόδου. 87

89 Στάδιο εισόδου Το στάδιο εισόδου αποτελείται από δύο τρανζίστορ σε συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη, ένα διαφορικό ενισχυτή κοινής βάσης και ένα ενεργό φορτίο. Τα τρανζίστορ Q1 και Q2 είναι συνδεδεμένα σε συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη και χρησιμοποιούνται για να αυξάνουν την αντίσταση εισόδου του κυκλώματος. Επειδή είναι σε συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη, η τάση εισόδου μεταφέρεται στον διαφορικό ενισχυτή κοινής βάσης. Η χρήση των Q3 και Q4 βοηθάει στην προστασία των Q1 και Q2 όταν στα άκρα τους τοποθετηθεί μεγάλη τάση. Η προστασία αυτή οφείλεται στο γεγονός ότι τα Q1 και Q2 επειδή είναι npn έχουν τάση διάσπασης βάσης-εκπομπού σε ανάστροφη πόλωση περίπου στα 7V. Η αντίστοιχη τάση για τα Q3 και Q4 που είναι pnp τύπου lateral, είναι περίπου 50V. Επομένως, αν τοποθετηθεί παραδείγματος χάρη μεγάλη τάση στα άκρα των Q1 και Q3, το Q1 θα προστατευθεί από το Q3. Τα Q3 και Q4 αποτελούν επιπλέον το κύκλωμα αλλαγής στάθμης. Τα τρανζίστορ Q5, Q6, Q7 μαζί με τις αντιστάσεις R1, R2, R3 αποτελούν το ενεργό φορτίο του διαφορικού ενισχυτή. Τα τρανζίστορ Q1, Q2, Q3, Q4, Q8 και Q9, παρέχουν και DC αρνητική ανάδραση στο κύκλωμα. Ο βρόχος αυτός βοηθάει στην σταθεροποίηση της τιμής τους ρεύματος πόλωσης των Q1 έως Q4. Αν για κάποια αιτία αυξηθεί το ρεύμα των Q1 και Q2, τότε από το τρανζίστορ Q8 θα περάσει μεγαλύτερο ρεύμα. Λόγω του καθρέπτη ρεύματος, θα άγει μεγαλύτερο ρεύμα και το Q9. Επειδή όμως το ρεύμα του συλλέκτη του Q10 είναι σταθερό, θα μειωθεί το ρεύμα του διαφορικού ενισχυτή κοινής βάσης με αποτέλεσμα να ελαττωθεί η αρχική αύξηση του ρεύματος των Q1 και Q2. Με αυτόν τον τρόπο, το ρεύμα πόλωσης των τρανζίστορ παραμένει σταθερό. Δεύτερο στάδιο ενίσχυσης Το δεύτερο στάδιο αποτελείται από τα τρανζίστορ Q16, Q17, τις αντιστάσεις R8, R9 και τον πυκνωτή CC. Το τρανζίστορ Q16 είναι σε συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη για να παρέχει μεγάλη αντίσταση εισόδου στο δεύτερο στάδιο και να μην φορτώνει το στάδιο εισόδου. Το Q17 είναι σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού και ενισχύει το σήμα του συλλέκτη του Q4. Το φορτίο του Q17 είναι ο παράλληλος συνδυασμός του ενεργού φορτίου (ο καθρέπτης που αποτελείται από τα Q12 και Q13B) και της αντίστασης εισόδου του σταδίου εξόδου. Στάδιο εξόδου Το στάδιο εξόδου του κυκλώματος αποτελείται από τα Q14, Q15, Q18, Q19, Q20, Q21, Q22, Q23, Q24 και τις αντιστάσεις R6, R7, R10 και R11. Η τάξη του σταδίου εξόδου είναι ΑΒ. Το στάδιο τάξης AB αποτελείται από τα τρανζίστορ Q14, Q18, Q19 Q20 και την αντίσταση R10. Τα Q18, Q19 και R10, τα οποία πολώνονται από το τρανζίστορ Q13A, χρησιμοποιούνται για να έχουν οι βάσεις των Q14 και Q20 διαφορά δυναμικού περίπου ίση με 2VBE. Το Q23 χρησιμοποιείται για να παρέχει υψηλή αντίσταση εισόδου στο στάδιο εξόδου και να μην υπάρχει μεγάλη φόρτιση του δεύτερου σταδίου. Τα τρανζίστορ Q15, Q21, Q22, Q24 και οι αντιστάσεις R6, R7 και R11 αποτελούν το κύκλωμα προστασίας από βραχυκύκλωμα. 88

90 Κύκλωμα προστασίας από βραχυκύκλωμα Το κύκλωμα προστασία από βραχυκύκλωμα αποτελείται από τα τρανζίστορ Q15, Q21, Q22, Q24 και οι αντιστάσεις R6, R7 και R11. Το κύκλωμα αυτό προστατεύει τα τρανζίστορ του σταδίου εξόδου από την καταστροφή τους. Αν βραχυκυκλωθεί η έξοδος του κυκλώματος, θα διαρρεύσει ένα μεγάλο ρεύμα από το Q14 ή το Q20, με αποτέλεσμα την υπερθέρμανση και την καταστροφή τους. Η λειτουργία του κυκλώματος προστασίας έχει ως εξής: Αν η έξοδος βραχυκυκλωθεί και από το Q14 διαρρεύσει ένα μεγάλο ρεύμα τότε η αντίσταση R6 θα κρατήσει στα άκρα της τάση μεγαλύτερη από 0,6V και το Q15 θα άγει. Το Q15 θα μειώσει το ρεύμα βάσης του Q14 και κατ επέκταση το ρεύμα που διαρρέει το Q14 με αποτέλεσμα το Q14 να μην καταστραφεί. Αν η έξοδος βραχυκυκλωθεί και από το Q20 διαρρεύσει μεγάλο ρεύμα τότε η πτώση τάσης στην R7 θα είναι μεγαλύτερη από τα 0,6V και το Q21 θα έρθει σε αγωγιμότητα. Λόγω του καθρέπτη που αποτελείται από τα τρανζίστορ Q22 και Q24, το Q22 θα άγει και θα μειώσει το ρεύμα βάσης του Q16 και επειδή το Q16 είναι σε συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη, θα μειωθεί το ρεύμα βάσης του Q17. Επομένως η VCE17 θα αυξηθεί. Επειδή το Q23 είναι σε συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη, η αύξηση της VCE17 θα έχει σαν αποτέλεσμα την μείωση της τάσης της επαφής βάσης-εκπομπού του Q20. Με αυτόν τον τρόπο, το Q20 θα άγει ένα μικρό ρεύμα και δεν θα καταστραφεί. 89

91 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΠΡΟΕΝΙΣΧΥΤΗ ΜΟΥΣΙΚΟΥ ΟΡΓΑΝΟΥ Το κύκλωμα του προενισχυτή μουσικού οργάνου που διαλέξαμε να κατασκευάσουμε απεικονίζεται στο σχήμα 5.1 (Slone 1999). Οι βασικοί παράγοντες που μας ώθησαν στην επιλογή του συγκεκριμένου κυκλώματος είναι ο συμμετρικός σχεδιασμός του (mirror-image topology), η χρήση τρανζίστορ σε συνδεσμολογία cascode καθώς και το κύκλωμα προστασίας από βραχυκύκλωμα. Σχήμα 5.1: Κύκλωμα προενισχυτή μουσικού οργάνου (Slone 1997). 90

92 5.1 Θεωρητική ανάλυση Παρατηρώντας το σχήμα 5.1, βλέπουμε ότι όλα τα υποκυκλώματα που αποτελούν τον προενισχυτή υπάρχουν δύο φορές και είναι συμμετρικά ως προς ένα νοητό οριζόντιο άξονα ο οποίος συνδέει την είσοδο με την έξοδο. Επομένως μπορούμε να θεωρήσουμε ότι εμφανίζονται δύο επίπεδα. Το πάνω επίπεδο ενισχύει το θετικό μέρος της κυματομορφής της εισόδου και το κάτω επίπεδο το αρνητικό. Παρατηρούμε ότι τα δύο επίπεδα αυτά εργάζονται προς την αντίθετη κατεύθυνση με αποτέλεσμα να εξαλείφονται οποιαδήποτε ανεπιθύμητα αποτελέσματα εμφανίζονται στα επίπεδα αυτά. Παραδείγματος χάριν, αν ο διαφορικός ενισχυτής του πάνω επιπέδου έχει μια τάση εκτροπής (dc offset) στην έξοδο του, η τάση αυτή θα αναιρεθεί ή θα περιοριστεί στην έξοδο του προενισχυτή από την αντίστοιχη τάση εκτροπής που θα εμφανίσει ο διαφορικός ενισχυτής του κάτω επιπέδου. Με τον τρόπο αυτό το κύκλωμα διορθώνει οποιαδήποτε ανεπιθύμητα αποτελέσματα εμφανίζονται στην έξοδο όπως η διαφορές στα Vbe των τρανζίστορ, η διαφορά στην τιμές των αντιστατών, ο θόρυβος, η εμφανίσει αρμονικών συχνοτήτων στην έξοδο που οφείλεται στα στοιχεία κτλ. Ο σχεδιασμός αυτός ονομάζεται συμμετρικός σχεδιασμός (mirror-image topology). Στην θεωρητική ανάλυση του κυκλώματος που ακολουθεί, αναλύουμε το πάνω επίπεδο του κυκλώματος. Η ανάλυση για το κάτω επίπεδο είναι παρόμοια γιατί όπως αναφέραμε ο σχεδιασμός του είναι συμμετρικός. Το κύκλωμα αποτελείται από το στάδιο εισόδου, το δεύτερο στάδιο ενίσχυσης, το κύκλωμα ανάδρασης και το κύκλωμα προστασίας από βραχυκύκλωμα. Στάδιο εισόδου Το στάδιο εισόδου αποτελείται από τα τρανζίστορ Q1 έως Q4, Q10, τις αντιστάσεις R1 έως R4, R10, R11, R13 τις διόδους D4, D5 και τους πυκνωτές C1, C2 και C7. Τα Q3 και Q4 αποτελούν τον διαφορικό ενισχυτή του σταδίου εισόδου και τα Q1 και Q2 αποτελούν τον καθρέπτη ρεύματος που είναι το ενεργό φορτίο του διαφορικού ενισχυτή. Η πηγή ρεύματος του διαφορικού ενισχυτή αποτελείται από τα Q10, R10, D4, D5 και C7. Οι αντιστάσεις R1, R2, R3, R4 και R10 τοποθετούνται για την πόλωση και την σταθεροποίηση του σημείου πόλωσης των Q1, Q2, Q3, Q4 και Q10 αντίστοιχα. Το Q3 πολώνεται και από την αντίσταση R11. Η R13 λειτουργεί ως περιοριστείς ρεύματος για την προστασία της πηγής ρεύματος. Οι πυκνωτές C1 και C2 εμποδίζουν την διαρροή dc ρεύματος προς την πηγή του σήματος εισόδου. Δεύτερο στάδιο ενίσχυσης Το στάδιο αυτό αποτελείται από τα τρανζίστορ Q11, Q13, Q14 και Q15, τις αντιστάσεις R14, R18, R20, την δίοδο zener D6 και τους πυκνωτές C8, C9 και C13. Το Q11 είναι σε συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη για να προσφέρει μεγάλη αντίσταση εισόδου στο δεύτερο στάδιο ενίσχυσης και να μην φορτώνει το πρώτο στάδιο. Το Q13 είναι σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού και ενισχύει το σήμα του συλλέκτη του Q3. Η R20 έχει τοποθετηθεί για να πολώνει το Q13. Τo Q15 είναι σε συνδεσμολογία cascode και πολώνεται από τα D6, C13 και R18. Οι πυκνωτές C8 και C9 μαζί με την αντίσταση R14 έχουν τοποθετηθεί για να υπάρχει η απαραίτητη αντιστάθμιση συχνότητας. 91

93 Κύκλωμα ανάδρασης Το κύκλωμα ανάδρασης αποτελείται από τις αντιστάσεις R12, R15, R16, τους πυκνωτές C6 και C10 και την δίοδο D3. Η ανάδραση του DC ρεύματος γίνεται δια μέσου της R15 και επομένως το κύκλωμα έχει 100% DC ανάδραση. Η δίοδος D3 έχει τοποθετηθεί για την προστασία του C6. Κύκλωμα προστασίας από βραχυκύκλωμα Το κύκλωμα αποτελείται από το τρανζίστορ Q14 και την αντίσταση R22. Σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας το Q14 δεν λειτουργεί. Αν για κάποιο λόγο η έξοδος βραχυκυκλωθεί, από τα Q13 και Q15 θα διαρρεύσει ένα μεγάλο ρεύμα με αποτέλεσμα η R22 να κρατήσει στα άκρα της περισσότερα από 0,6 V και να αρχίσει να άγει το Q14. Το ρεύμα συλλέκτη του Q14 διαρρέει την R18 με αποτέλεσμα να αυξηθεί η τάση στα άκρα της και να πολωθεί ανάστροφα η επαφή βάσης-εκπομπού του Q15. Με τον τρόπο αυτό το Q15 έρχεται σε κατάσταση αποκοπής και αποφεύγεται η καταστροφή τους. Οι πυκνωτές C3 και C4 έχουν τοποθετηθεί για να εξομαλύνουν τις διακυμάνσεις της τάσης τροφοδοσίας. 5.2 Μετρήσεις Κατασκευάσαμε το κύκλωμα του σχήματος 5.1. Οι τιμές χωρητικοτήτων των πυκνωτών C8, C9, C11 και C12 που απεικονίζονται στο σχήμα δεν υπάρχουν στο εμπόριο και γι αυτό τοποθετήσαμε πυκνωτές με παραπλήσια τιμή δηλαδή οι C8 και C11 που τοποθετήσαμε έχουν τιμή 56 μf και οι C9 και C12 έχουν τιμή 470 pf. Επίσης οι τιμές τάσης των διόδων zener που τοποθετήσαμε είναι 4,3 V. Το κύκλωμα που κατασκευάσαμε απεικονίζεται στο σχήμα 5.2 και τα στοιχεία που τοποθετήσαμε αναγράφονται στον πίνακα

94 Σχήμα 5.2: Κύκλωμα προενισχυτή μουσικού οργάνου που κατασκευάστηκε. Πίνακας 5.1: Αναλυτική περιγραφή των στοιχείων του προενισχυτή. Ηλεκτρονικό στοιχείο Τρανζίστορ PNP: Q1, Q2, Q5, Q6, Q9, Q13, Q14 Τρανζίστορ NPN: Q3, Q4, Q7, Q8, Q10, Q17, Q18 Τρανζίστορ PNP ισχύος: Q11, Q15 Τρανζίστορ NPN ισχύος: Q12, Q16 Δίοδοι (D) Δίοδοι Zener (D6, D7) Ηλεκτρολυτικός πυκνωτής: C1, C2 Ηλεκτρολυτικός πυκνωτής: C5, C7 Ηλεκτρολυτικός πυκνωτής: C6 Ηλεκτρολυτικός πυκνωτής: C13, C14 Πυκνωτής: C3, C4 Πυκνωτής: C8, C11 Πυκνωτής: C9, C12 Πυκνωτής: C10 Περιγραφή 2N3905 2N3904 2SB649 2SD669 1N4148 C4V3PH 22 μf / 35 V 47 μf / 25 V 220 μf / 25 V 10 μf / 63 V 0.1 μf 56 μf 470 pf 100 pf 93

95 Καθώς αυξάναμε την τάση τροφοδοσίας, η πηγή τροφοδοσίας μας προειδοποίησε ότι υπάρχει βραχυκύκλωμα. Μετά από έλεγχο του κυκλώματος, δεν βρέθηκε κάποιο βραχυκύκλωμα και προσπαθήσαμε να απλοποιήσουμε το κύκλωμα. Η πρώτη απλοποίηση ήταν να αντικαταστήσουμε τους πυκνωτές C1 και C2 με ένα πυκνωτή χωρητικότητας C = 100 nf. Στην συνέχεια αφαιρέσαμε την προστασία από το βραχυκύκλωμα δηλαδή τα Q14 και Q17 και το κύκλωμα λειτούργησε. Το σχεδιάγραμμα του απλοποιημένου προενισχυτή μουσικού οργάνου που κατασκευάσαμε παρουσιάζεται στο σχήμα 5.3 και η πειραματική διάταξη στην εικόνα 5.1. Σχήμα 5.3: Τροποποιημένο κύκλωμα προενισχυτή μουσικού οργάνου που κατασκευάστηκε. Εικόνα 5.1: Πειραματική διάταξη προενισχυτή μουσικού οργάνου. 94

96 Τροφοδοτήσαμε το κύκλωμα με συμμετρική τροφοδοσία +VEE = 30 V και VCC = -30 V (Εικόνα 5.2) και στην είσοδο τοποθετήσαμε ημιτονική τάση Vi = 800 mv(p-p) γιατί το μουσικό όργανο που μετρήθηκε έδινε μέγιστη τάση περίπου ίση με 800 mv(p-p). Εικόνα 5.2: Τροφοδοσία προενισχυτή μουσικού οργάνου. Με την χρήση του παλμογράφου καταγράψαμε την τάση εξόδου του προενισχυτή (Πίνακας 5.2) και κατασκευάσαμε το διάγραμμα Bode του προενισχυτή (σχήμα 5.4). Το κύκλωμα μπορούσε να ενισχύσει σήματα τα οποία είχαν συχνότητα μεγαλύτερη των 20 Hz. Πίνακας 5.2: Μετρήσεις της τάσης εξόδου. Τάση εισόδου Vi(p-p) (mv) Συχνότητα f Τάση εξόδου Vo(p-p) (V) Απολαβή τάσης Αυ (db) Hz 2 7, Hz 4 13, Hz 8,8 20, Hz 14 24, Hz 17 26, Hz 21 28, Hz 24 29, Hz 27 30, Hz 28 30, Hz 28 30, khz 28,5 31, khz 28 30, khz 28 30, khz 28,5 31, khz 27,5 30, khz 27 30, khz 24 29, khz 22 28, khz 12 23, khz 6 17,501 95

97 Απολαβή τάσης (db) Συχνότητα f (Hz) Σχήμα 5.4: Διάγραμμα Bode προενισχυτή μουσικού οργάνου. Από το διάγραμμα Bode προκύπτει ότι ο ενισχυτής έχει απολαβή τάσης Αυ 30.8 db και το εύρος ζώνης του είναι από 120 Hz έως 110 khz. Καθώς αυξάναμε την συχνότητα παρατηρήσαμε ότι το σήμα εξόδου είχε αρμονική παραμόρφωση σε όλο το εύρος συχνοτήτων. Η αρμονική παραμόρφωση απεικονίζεται στην εικόνα 5.3. Κατά την χρήση του παλμογράφου επιλέξαμε το σήμα να εμφανίζεται στην οθόνη μεγεθυμένο κατά 10 φορές για να έχουμε μεγαλύτερη ακρίβεια στις μετρήσεις μας. Οι πραγματικές τιμές των τιμών που αναγράφονται στην οθόνη του παλμογράφου που απεικονίζεται στην εικόνα 5.3 είναι 10 φορές μικρότερες. 96

98 (α) (β) (γ) (δ) (ε) Εικόνα 5.3: Αρμονική παραμόρφωση στα (α) 400 Hz (β) 1 khz (γ) 10 khz (δ) 20 khz και (ε) 30 khz. 97

99 Στην συνέχεια μετρήσαμε τον δείκτη THD+N του προενισχυτή μουσικού οργάνου στις συχνότητες 1 khz, 10 khz, 20 khz και 30 khz (Εικόνα 5.4, Πίνακας 5.3). Ο μοχλός του μετρητή παραμόρφωσης είχε τοποθετηθεί στο 0.3 επομένως οι μετρήσεις που φαίνονται στις εικόνες είναι πολλαπλασιασμένες επί 0.3. (α) (β) (γ) (δ) Εικόνα 5.4: Δείκτης παραμόρφωσης THD+N (α) στο 1 khz, (β) στα 10 khz, (γ) στα 20 khz και (δ) στα 30 khz. Πίνακας 5.3: Παραμόρφωση THD+N προενισχυτή Συχνότητα THD+N (%) 1 khz khz khz khz

100 5.3 Συμπεράσματα-Παρατηρήσεις Το εύρος ζώνης του ενισχυτή που μετρήθηκε είναι 120 Hz έως 110 khz. Το άνω όριο του εύρος ζώνης είναι μεγαλύτερο των 30 khz και επομένως καλύπτει τις απαιτήσεις ενός ποιοτικού προενισχυτή. Το κάτω όριο είναι μεγαλύτερο από το 5 Hz και επομένως ο προενισχυτής δεν μπορεί να χαρακτηρισθεί ως ποιοτικός. Αν όμως ο προενισχυτής χρησιμοποιηθεί σε ένα συγκεκριμένο μουσικό όργανο το οποίο έχει εύρος ζώνης μεγαλύτερο των 120 Hz τότε πληροί την προδιαγραφή του εύρους ζώνης. Το μουσικό όργανο που χρησιμοποιήσαμε στην πειραματική μας διαδικασία ήταν το τετράχορδο μπουζούκι το οποίο έχει εύρος ζώνης 130,8 Ηz έως 1396,9 Ηz. Επομένως, ο προενισχυτής πληροί την προδιαγραφή του εύρους ζώνης για το συγκεκριμένο μουσικό όργανο. Η μέτρηση του δείκτη THD+N μας έδωσε ικανοποιητικά αποτελέσματα για τις επιδόσεις του προενισχυτή. Στο 1 khz και στα 10 khz ο προενισχυτής πληροί τις προδιαγραφές ενός ποιοτικού προενισχυτή. Στα 20 khz και στα 30 khz ο δείκτης είναι πολύ μεγαλύτερος από το 0,1 %. Υπάρχουν δύο παράγοντες όμως που αν τους λάβουμε υπόψιν ίσως να μπορεί ο προενισχυτής να πληροί την προδιαγραφή του THD. Ο πρώτος είναι ότι κατά την διάρκεια της πειραματικής μας διαδικασίας μετρήσαμε τον δείκτη THD+N και όχι τον δείκτη THD. Αυτό σημαίνει ότι στα αποτελέσματα μας έχει υπολογιστεί και η επίδραση του θορύβου και επομένως ο δείκτης THD έχει μικρότερη τιμή από τον THD+N. Ο δεύτερος λόγος είναι ότι το κύκλωμα μας κατασκευάστηκε σε ράστερ. Λόγω του ράστερ εμφανίζονται παρασιτικές χωρητικότητες μεταξύ των στοιχείων, λόγω της μικρής απόστασης που απέχουν τα στοιχεία, και οι γραμμές σύνδεσης των στοιχείων μπορεί να μην εξασφαλίζουν την καλύτερη σύνδεση τους. Η τρίτη απαίτηση ενός ποιοτικού προενισχυτή είναι να έχει σταθερή απολαβή τάσης με ανοχή ±0.5 db. Από τις μετρήσεις της τάσης εξόδου (Πίνακας 5.2) παρατηρούμε ότι ο προενισχυτής έχει σταθερή απολαβή τάσης Αυ 30.8 db. Την απαίτηση του ±0.5 db την πληροί στο εύρος 300 Hz έως 50 khz. Επομένως, το πρόβλημα εμφανίζεται στο κάτω συχνοτικό όριο. Από τα μουσικά όργανα που αναφέραμε, το συχνοτικό εύρος του προενισχυτή ικανοποιεί το συχνοτικό εύρος του τετράχορδου μπουζουκιού αλλά δεν ικανοποιεί την σταθερή απολαβή τάσης με ανοχή ±0.5 db στο εύρος του ζώνης του συγκεκριμένου μουσικού οργάνου. Το κύκλωμα θα μπορούσε να τροποποιηθεί ώστε να περιλαμβάνει και το συχνοτικό εύρος άλλων μουσικών οργάνων. Μια τέτοια τροποποίηση θα ήταν ίσως η αντικατάσταση του πυκνωτή C με άλλον μεγαλύτερης χωρητικότητας, για την αύξηση του συχνοτικού εύρους προς τις χαμηλές συχνότητες και η κατασκευή του κυκλώματος σε πλακέτα (PCB) για την μείωση των παρασιτικών χωρητικοτήτων και επομένως του δείκτη THD. Μελλοντικά το συγκεκριμένο κύκλωμα θα μπορούσε να συνδεθεί με άλλα, επεξεργασίας και παραμόρφωσης ήχου ώστε να αποτελέσει ένα ολοκληρωμένο προενισχυτή ο οποίος θα ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις ενός χρήστη. 99

101 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ All Transistor Datasheets Website (2015a). 2N3904. Διαθέσιμο στο σύνδεσμο: (Τελευταία επίσκεψη: 29 Μαΐου 2015). All Transistor Datasheets Website (2015b). 2N3905. Διαθέσιμο στο σύνδεσμο: la (Τελευταία επίσκεψη: 29 Μαΐου 2015). All Transistor Datasheets Website (2015c). 2SB649. Διαθέσιμο στο σύνδεσμο: onductor (Τελευταία επίσκεψη: 29 Μαΐου 2015). Audio Precision Website (2015). THD+N. Διαθέσιμο στο σύνδεσμο: (Τελευταία επίσκεψη: 29 Μαΐου 2015). Audio-Technica Website (2015). Important Microphone Characteristics. Διαθέσιμο στο σύνδεσμο: (Τελευταία επίσκεψη: 29 Μαΐου 2015). Cordell, B. (2011). Designing Audio Power Amplifiers. U.S.A.: McGraw-Hill. Duncan, B. (1996). High Performance Audio Power Amplifiers for Music Performance and Reproduction. Oxford, U.K.: Newnes. Duncan, B. (2009). Interfacing and Processing. In: Audio Engineering: know it all. Oxford, U.K.: Newnes. Hewlett Packard (1984). Model 339A Distortion Measurement Set (operating and service manual). Washington, U.S.A.: Hewlett Packard Company. Διαθέσιμο στο σύνδεσμο: 339A_Manual.pdf (Τελευταία επίσκεψη: 29 Μαΐου 2015). Hood, J. L. (2009). Preamplifiers and Input Signals. In: Audio Engineering: know it all. Oxford, U.K.: Newnes. Hood, J. L. (1997). Valve and Transistor Audio Amplifiers. Oxford, U.K.: Newnes. Sedra, A. S. and Smith, K. C. (1994). Μικροηλεκτρονικά Κυκλώματα (Τόμος Α). Αθήνα: Παπασωτηρίου. Sedra, A. S. and Smith, K. C. (2010). Μικροηλεκτρονικά Κυκλώματα (Τόμος Β). Αθήνα: Παπασωτηρίου. Slone, G. R. (1999). High-Power Audio Amplifier Construction Manual. U.S.A.: McGraw-Hill Tempest, Br. W. (1998). Sound Waves. In: Sinclair, I. R. ed. Audio and Hi-fi Handbook. Oxford, U.K.: Newnes. Unisonic Technologies Website (2015). 2SD669. Διαθέσιμο στο σύνδεσμο: (Τελευταία επίσκεψη: 29 Μαΐου 2015). Vaseghi, S.V. (2007). Multimedia Signal Processing: Theory and Applications in Speech, Music and Communications. England, U.K.: Wiley. Wikipedia Website (2015a). Hearing range. Διαθέσιμο στο σύνδεσμο: (Τελευταία επίσκεψη: 29 Μαΐου 2015). 100

102 Wikipedia Website (2015b). Total harmonic distortion. Διαθέσιμο στο σύνδεσμο: (Τελευταία επίσκεψη: 29 Μαΐου 2015). Καλαϊτζάκης, Κ. και Κουτρούλης, Ε. (2010). Ηλεκτρικές μετρήσεις και αισθητήρες. Αθήνα: Κλειδάριθμος. Καρύμπακας, Κ. Α. (2001). Γενική Ηλεκτρονική (Τόμος Α). Θεσσαλονίκη. 101

103 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Τεχνικά χαρακτηριστικά διπολικού τρανζίστορ 2N3904 της εταιρείας STMicroelectronics. 102

104 103

105 Τεχνικά χαρακτηριστικά διπολικού τρανζίστορ 2N3905 της εταιρείας Motorola. 104

106 105

107 Τεχνικά χαρακτηριστικά διπολικού τρανζίστορ ισχύος 2SD669 της εταιρείας Unisonic Technologies (UTC). 106

108 107

109 Τεχνικά χαρακτηριστικά διπολικού τρανζίστορ ισχύος 2SB649 της εταιρείας Inchange Semiconductor(isc). 108

110 109

111 Τεχνικά χαρακτηριστικά παραμορφωσίμετρου Hewlett-Packard 339A. 110

Πόλωση των Τρανζίστορ

Πόλωση των Τρανζίστορ Πόλωση των Τρανζίστορ Πόλωση λέμε την κατάλληλη συνεχή τάση που πρέπει να εφαρμόσουμε στο κύκλωμα που περιλαμβάνει κάποιο ηλεκτρονικό στοιχείο (π.χ τρανζίστορ), έτσι ώστε να εξασφαλίσουμε την ομαλή λειτουργία

Διαβάστε περισσότερα

Διαφορικοί Ενισχυτές

Διαφορικοί Ενισχυτές Διαφορικοί Ενισχυτές Γενικά: Ο Διαφορικός ενισχυτής (ΔΕ) είναι το βασικό δομικό στοιχείο ενός τελεστικού ενισχυτή. Η λειτουργία ενός ΔΕ είναι η ενίσχυση της διαφοράς μεταξύ δύο σημάτων εισόδου. Τα αρχικά

Διαβάστε περισσότερα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Διαφορικός ενισχυτής

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Διαφορικός ενισχυτής ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Διαφορικός ενισχυτής Ο διαφορικός ενισχυτής (differential amplifier) είναι από τα πλέον διαδεδομένα και χρήσιμα κυκλώματα στις ενισχυτικές διατάξεις. Είναι βασικό δομικό στοιχείο του τελεστικού

Διαβάστε περισσότερα

Εισαγωγή. Ακουστικό. Μικρόφωνο

Εισαγωγή. Ακουστικό. Μικρόφωνο Εισαγωγή Ο σκοπός του συστήµατος επικοινωνίας είναι να µεταδώσει πληροφορία (ransmission of informaion) από ένα σηµείο του χώρου, που λέγεται πηγή, σε ένα άλλο σηµείο, που είναι ο προορισµός χρήσης. Κατά

Διαβάστε περισσότερα

Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής

Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 1. Ένα τρανζίστορ διπλής επαφής είναι πολωµένο σωστά όταν: α. Η βάση είναι σε υψηλότερο δυναµικό από τον εκποµπό και σε χαµηλότερο από το συλλέκτη β. Η βάση είναι σε χαµηλότερο

Διαβάστε περισσότερα

ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ

ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4ο ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ Διπολικά τρανζίστορ Το διπολικό τρανζίστορ (bipolar ή BJT) είναι ένας κρύσταλλος τριών στρωμάτων με διαφορετικό επίπεδο εμπλουτισμού: τον εκπομπό Ε, τη βάση

Διαβάστε περισσότερα

Να σχεδιαστεί ένας ενισχυτής κοινού εκπομπού (σχ.1) με τα εξής χαρακτηριστικά: R 2.3 k,

Να σχεδιαστεί ένας ενισχυτής κοινού εκπομπού (σχ.1) με τα εξής χαρακτηριστικά: R 2.3 k, Να σχεδιαστεί ένας ενισχυτής κοινού εκπομπού (σχ) με τα εξής χαρακτηριστικά: 3 k, 50, k, S k και V 5 α) Nα υπολογιστούν οι τιμές των αντιστάσεων β) Να επιλεγούν οι χωρητικότητες C, CC έτσι ώστε ο ενισχυτής

Διαβάστε περισσότερα

4 η ενότητα ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ΠΟΛΛΩΝ ΒΑΘΜΙΔΩΝ

4 η ενότητα ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ΠΟΛΛΩΝ ΒΑΘΜΙΔΩΝ ρ. Λάμπρος Μπισδούνης Καθηγητής 4 η ενότητα ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ΠΟΛΛΩΝ ΒΑΘΜΙΔΩΝ T..I. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. Περιεχόμενα 4 ης ενότητας Στην τέταρτη ενότητα θα μελετήσουμε τους ενισχυτές

Διαβάστε περισσότερα

5 η ενότητα ΑΝΑΤΡΟΦΟΔΟΤΗΣΗ ΣΤΟΥΣ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ

5 η ενότητα ΑΝΑΤΡΟΦΟΔΟΤΗΣΗ ΣΤΟΥΣ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ρ. Λάμπρος Μπισδούνης Καθηγητής 5 η ενότητα ΑΝΑΤΡΟΦΟΔΟΤΗΣΗ ΣΤΟΥΣ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 1 Περιεχόμενα 5 ης ενότητας Στην πέμπτη ενότητα θα μελετήσουμε την ανατροφοδότηση

Διαβάστε περισσότερα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. Σχ.6.1. Απλή συνδεσµολογία καθρέπτη ρεύµατος.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. Σχ.6.1. Απλή συνδεσµολογία καθρέπτη ρεύµατος. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 6.1 ΚΑΘΡΕΠΤΕΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Σε ένα καθρέπτη ρεύµατος, το ρεύµα του κλάδου της εξόδου είναι πάντα ίσο µε το ρεύµα του κλάδου της εισόδου, αποτελεί δηλαδή το είδωλο του. Μία τέτοια διάταξη δείχνει

Διαβάστε περισσότερα

Το διπολικό τρανζίστορ

Το διπολικό τρανζίστορ 2 4 η ΕΝΟΤΗΤΑ Το διπολικό τρανζίστορ 11 ο 12 ο 13 ο 14 ο Εργαστήριο ΦΥΛΛΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 3 Άσκηση 11 η. 11.1 Στατικές χαρακτηριστικές κοινού εκπομπού του διπολικού τρανζίστορ. Στόχος: Μελέτη και χάραξη των χαρακτηριστικών

Διαβάστε περισσότερα

Τελεστικοί Ενισχυτές

Τελεστικοί Ενισχυτές Τελεστικοί Ενισχυτές Ενισχυτές-Γενικά: Οι ενισχυτές είναι δίθυρα δίκτυα στα οποία η τάση ή το ρεύμα εξόδου είναι ευθέως ανάλογη της τάσεως ή του ρεύματος εισόδου. Υπάρχουν τέσσερα διαφορετικά είδη ενισχυτών:

Διαβάστε περισσότερα

Ενισχυτικές Διατάξεις 1. Βαθµίδες εξόδου. Προκειµένου να αποδοθεί σηµαντική ισχύς στο φορτίο είναι απαραίτητη η χρήση ενισχυτών cascade.

Ενισχυτικές Διατάξεις 1. Βαθµίδες εξόδου. Προκειµένου να αποδοθεί σηµαντική ισχύς στο φορτίο είναι απαραίτητη η χρήση ενισχυτών cascade. Ενισχυτικές Διατάξεις 1 Βαθµίδες εξόδου Προκειµένου να αποδοθεί σηµαντική ισχύς στο φορτίο είναι απαραίτητη η χρήση ενισχυτών cascade. Η τελική βαθµίδα εξόδου είναι αυτή που αποδίδει την ισχύ στο φορτίο

Διαβάστε περισσότερα

Ενισχυτικές Διατάξεις 1. Τάξη Α. Αγει καθ ολη τη διάρκεια της περιόδου της v I. οπου. όταν

Ενισχυτικές Διατάξεις 1. Τάξη Α. Αγει καθ ολη τη διάρκεια της περιόδου της v I. οπου. όταν Ενισχυτικές Διατάξεις 1 Τάξη Α Αγει καθ ολη τη διάρκεια της περιόδου της v I οπου όταν Ενισχυτικές Διατάξεις 2 Ακόλουθος εκποµπού (CC) πολωµένος µε σταθερό ρεύµα Λόγω της χαµηλής αντίστασης εξόδου, ο ακόλουθος

Διαβάστε περισσότερα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Τελεστικός ενισχυτής

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Τελεστικός ενισχυτής ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Τελεστικός ενισχυτής Ο τελεστικός ενισχυτής, TE (operational ampliier, op-amp) είναι ένα από τα πιο χρήσιμα αναλογικά κυκλώματα. Κατασκευάζεται ως ολοκληρωμένο κύκλωμα (integrated circuit) και

Διαβάστε περισσότερα

Άσκηση 5. Τρανζίστορ Διπολικής Επαφής σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης

Άσκηση 5. Τρανζίστορ Διπολικής Επαφής σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 5 Τρανζίστορ Διπολικής Επαφής σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης Στόχος Ο στόχος της εργαστηριακής άσκησης είναι η μελέτη των

Διαβάστε περισσότερα

Τελεστικοί Ενισχυτές. Σπύρος Νικολαΐδης Αναπληρωτής Καθηγητής Τομέας Ηλεκτρονικής & ΗΥ Τμήμα Φυσικής

Τελεστικοί Ενισχυτές. Σπύρος Νικολαΐδης Αναπληρωτής Καθηγητής Τομέας Ηλεκτρονικής & ΗΥ Τμήμα Φυσικής Τελεστικοί Ενισχυτές Σπύρος Νικολαΐδης Αναπληρωτής Καθηγητής Τομέας Ηλεκτρονικής & ΗΥ Τμήμα Φυσικής Ο ιδανικός τελεστικός ενισχυτής Είσοδος αντιστροφής Ισοδύναμα Είσοδος μη αντιστροφής A( ) A d 2 1 2 1

Διαβάστε περισσότερα

ΘΕΜΑ 1 ο (3 μονάδες):

ΘΕΜΑ 1 ο (3 μονάδες): ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΠΑΤΡΑΣ 9/0/00 ΘΕΜΑ ο ( μονάδες): Για τον ενισχυτή του παρακάτω σχήματος δίνονται: 0, 0.7, kω, 0 kω, Ε kω, L kω, β fe 00, e kω. (α) Να προσδιορίσετε τις τιμές των αντιστάσεων,

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρονική. Ενότητα 7: Βασικές τοπολογίες ενισχυτών μιας βαθμίδας με διπολικά τρανζίστορ. Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

Ηλεκτρονική. Ενότητα 7: Βασικές τοπολογίες ενισχυτών μιας βαθμίδας με διπολικά τρανζίστορ. Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών Ηλεκτρονική Ενότητα 7: Βασικές τοπολογίες ενισχυτών μιας βαθμίδας με διπολικά τρανζίστορ Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών Περιεχόμενα ενότητας Ενισχυτής κοινού εκπομπού, ενισχυτής

Διαβάστε περισσότερα

ΘΕΜΑ 1 ο (3 μονάδες):

ΘΕΜΑ 1 ο (3 μονάδες): ΘΕΜΑ 1 ο ( μονάδες): Για τον ενισχυτή του παρακάτω σχήματος δίνονται: V 10V, V BE 0.7 V, Β 200 kω, 1 kω, 1 kω, β 100. (α) Να προσδιορίσετε το σημείο λειτουργίας Q (V E, I ) του τρανζίστορ. (1 μονάδα) (β)

Διαβάστε περισσότερα

Ενισχυτές με FET. Σπύρος Νικολαΐδης Καθηγητής Τομέας Ηλεκτρονικής & ΗΥ Τμήμα Φυσικής

Ενισχυτές με FET. Σπύρος Νικολαΐδης Καθηγητής Τομέας Ηλεκτρονικής & ΗΥ Τμήμα Φυσικής Ενισχυτές με FET Σπύρος Νικολαΐδης Καθηγητής Τομέας Ηλεκτρονικής & ΗΥ Τμήμα Φυσικής Ενισχυτές με FET Τα FET οδηγούνται με την τάση u GS ενώ τα BJT με το ρεύμα i B Μηχανισμός ενίσχυσης Για το FET η σχέση

Διαβάστε περισσότερα

ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΚΟΙΝΟΥ ΕΚΠΟΜΠΟΥ ΜΕΛΕΤΗ DC ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ Στο σχήμα φαίνεται ένα κύκλωμα κοινού εκπομπού από το βρόχο εισόδου Β-Ε ο νόμος του Kirchhoff δίνει: Τελικά έχουμε: I I BB B B E E BE B BB E IE

Διαβάστε περισσότερα

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΔΙΟΔΟΣ (Μάθημα 4 ο 5 ο 6 ο 7 ο ) 1/12 4 o εργαστήριο Ιδανική δίοδος n Συμβολισμός της διόδου n 2/12 4 o εργαστήριο Στατική χαρακτηριστική διόδου Άνοδος (+) Κάθοδος () Αν στην ιδανική

Διαβάστε περισσότερα

Άσκηση 10 Στοιχεία ηλεκτρονικής τεχνολογίας

Άσκηση 10 Στοιχεία ηλεκτρονικής τεχνολογίας Άσκηση 10 Στοιχεία ηλεκτρονικής τεχνολογίας ΔΙΟΔΟΣ Οι περισσότερες ηλεκτρονικές συσκευές όπως οι τηλεοράσεις, τα στερεοφωνικά συγκροτήματα και οι υπολογιστές χρειάζονται τάση dc για να λειτουργήσουν σωστά.

Διαβάστε περισσότερα

ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ;

ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ; ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ; Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές Κινητά τηλέφωνα Τηλεπικοινωνίες Δίκτυα Ο κόσμος της Ηλεκτρονικής Ιατρική Ενέργεια Βιομηχανία Διασκέδαση ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Τι περιέχουν οι ηλεκτρονικές

Διαβάστε περισσότερα

«Ενισχυτές ενός τρανζίστορ και πολλών τρανζίστορ»

«Ενισχυτές ενός τρανζίστορ και πολλών τρανζίστορ» ΗΥ335: Προχωρημένη Ηλεκτρονική «Ενισχυτές ενός τρανζίστορ και πολλών τρανζίστορ» Φώτης Πλέσσας fplessas@inf.uth.gr ΤΗMMΥ Σκοπός διάλεξης Παρουσίαση των σημαντικότερων τοπολογιών ενισχυτών με ένα και περισσότερα

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 5 ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΗΜΜΥ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ 1 Ι. ΠΑΠΑΝΑΝΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ

Διαβάστε περισσότερα

1993 (Saunders College 1991). P. R. Gray, P. J. Hurst, S. H. Lewis, and R. G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 4th ed.

1993 (Saunders College 1991). P. R. Gray, P. J. Hurst, S. H. Lewis, and R. G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 4th ed. Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας ΗΥ430: Εργαστήριο Αναλογικών Κυκλωμάτων Άνοιξη 2005 Εργαστηριακές Ασκήσεις Περιεχόμενα 1 Διπολικό και MOS τρανσίστορ................................... 2 2 Ενισχυτές με διπολικά

Διαβάστε περισσότερα

Πείραμα. Ο Διαφορικός Ενισχυτής. Εξοπλισμός. Διαδικασία

Πείραμα. Ο Διαφορικός Ενισχυτής. Εξοπλισμός. Διαδικασία Ο Διαφορικός Ενισχυτής Ο διαφορικός ενισχυτής είναι η βαθμίδα εισόδου άμεσης σύζευξης ενός τυπικού τελεστικού ενισχυτή. Η πιο κοινή μορφή ενός διαφορικού ενισχυτή είναι ένα κύκλωμα με είσοδο δύο άκρων

Διαβάστε περισσότερα

3 η ΕΝΟΤΗΤΑ. Το διπολικό τρανζίστορ

3 η ΕΝΟΤΗΤΑ. Το διπολικό τρανζίστορ 3 η ΕΝΟΤΗΤΑ Το διπολικό τρανζίστορ Άσκηση 8η. Στατικές χαρακτηριστικές κοινού εκπομπού του διπολικού τρανζίστορ. 1. Πραγματοποιήστε την συνδεσμολογία του κυκλώματος του Σχ. 1α (τρανζίστορ 2Ν2219). Σχήμα

Διαβάστε περισσότερα

ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΚΟΙΝΟΥ ΕΚΠΟΜΠΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑ 4

ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΚΟΙΝΟΥ ΕΚΠΟΜΠΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑ 4 Εφόσον το τρανζίστορ ενός ενισχυτή κοινού εκπομπού πολωθεί με το σημείο Q να βρίσκεται κοντά στο μέσο της DC γραμμής φορτίου, μπορεί να συνδεθεί ένα μικρό ac σήμα στη βάση. Με αυτόν τον τρόπο, παράγεται

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ θεωρία και ασκήσεις. Σπύρος Νικολαΐδης Αναπληρωτής Καθηγητής Τομέας Ηλεκτρονικής & ΗΥ Τμήμα Φυσικής

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ θεωρία και ασκήσεις. Σπύρος Νικολαΐδης Αναπληρωτής Καθηγητής Τομέας Ηλεκτρονικής & ΗΥ Τμήμα Φυσικής ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ θεωρία και ασκήσεις Σπύρος Νικολαΐδης Αναπληρωτής Καθηγητής Τομέας Ηλεκτρονικής & ΗΥ Τμήμα Φυσικής ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΙ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ Ένα ηλεκτρικό κύκλωμα αποτελείται από ένα σύνολο

Διαβάστε περισσότερα

ΗΥ335: Προχωρημένη Ηλεκτρονική. «Βαθμίδες Εξόδου» Φώτης Πλέσσας UTH ΤHMMY

ΗΥ335: Προχωρημένη Ηλεκτρονική. «Βαθμίδες Εξόδου» Φώτης Πλέσσας UTH ΤHMMY ΗΥ335: Προχωρημένη Ηλεκτρονική «Βαθμίδες Εξόδου» Φώτης Πλέσσας fplessas@inf.uth.gr ΤHMMY Σκοπός διάλεξης Γιατί χρησιμοποιούμε στάδια εξόδου Ακόλουθος εκπομπού Παρουσίαση των βασικών προδιαγραφών του Ψαλιδισμός

Διαβάστε περισσότερα

Άσκηση 1 ΛΥΣΗ. Το Q Στη χαρακτηριστική αντιστοιχεί σε ρεύµα βάσης 35 (Fig.2). Η πτώση τάσης πάνω στην : Στο Q έχω

Άσκηση 1 ΛΥΣΗ. Το Q Στη χαρακτηριστική αντιστοιχεί σε ρεύµα βάσης 35 (Fig.2). Η πτώση τάσης πάνω στην : Στο Q έχω ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ Άσκηση 1 To κύκλωµα του Fig.1 χρησιµοποιεί τρανζίστορ Ge (αγνοείστε τη Vbe) και οι χαρακτηριστικές του δίδονται στο Fig.2. Να υπολογίσετε τις αντιστάσεις εκποµπού και συλλέκτη, έτσι ώστε

Διαβάστε περισσότερα

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΑΘΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΑΙ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΑΘΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΑΙ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΑΘΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΑΙ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ Σκοπός : 1. Γνωριμία με το τρανζίστορ. Μελέτη πόλωσης του τρανζίστορ και ευθεία φορτίου. 2. Μελέτη τρανζίστορ σε λειτουργία

Διαβάστε περισσότερα

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. 1-3 Κέρδος Τάσης του ιαφορικού Ενισχυτή µε FET s 8

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. 1-3 Κέρδος Τάσης του ιαφορικού Ενισχυτή µε FET s 8 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 ΙΑΦΟΡΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ 1 1-1 Κέρδος Τάσης του ιαφορικού Ενισχυτή µε BJT s 1 και ιπλή Έξοδο Ανάλυση µε το Υβριδικό Ισοδύναµο του Τρανζίστορ 2 Ανάλυση µε βάση τις Ενισχύσεις των Βαθµίδων CE- 4

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΠΑΤΡΑΣ 21/01/2011 ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΠΑΤΡΑΣ 21/01/2011 ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΠΑΤΡΑΣ /0/0 ΘΕΜΑ ο (5 μονάδες) Για τον ενισχυτή του παρακάτω σχήματος δίνονται: 0 Ω, Ε kω, Β 00 kω, 4 kω, L kω, e 5 kω και 00 (α) Να προσδιορίσετε την ενίσχυση τάσης (A

Διαβάστε περισσότερα

Βασικά Στοιχεία Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Βασικά Στοιχεία Αναλογικών Ηλεκτρονικών Βασικά Στοιχεία Αναλογικών Ηλεκτρονικών Ηλεκτρονική ΗΥ231 Εισαγωγή στην Ηλεκτρονική Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ Σήµατα Ένα αυθαίρετο σήµα τάσης v s (t) 2 Φάσµα συχνοτήτων των σηµάτων

Διαβάστε περισσότερα

ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΤΑΞΗΣ Α ME TO MULTISIM

ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΤΑΞΗΣ Α ME TO MULTISIM ΜΑΘΗΜΑ : ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΤΑΞΗΣ Α ME TO MULTISIM Σκοπός: Η Εξέταση λειτουργίας του ενισχυτή κοινού εκπομπού και εντοπισμός βλαβών στο κύκλωμα με τη χρήση του προγράμματος προσομοίωσης

Διαβάστε περισσότερα

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Περιληπτικές σημειώσεις ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ

Διαβάστε περισσότερα

9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 1 9. ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΕΣ ΙΑΤΑΞΕΙΣ. Βασική λειτουργία ενισχυτικής διάταξης: να

9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 1 9. ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΕΣ ΙΑΤΑΞΕΙΣ. Βασική λειτουργία ενισχυτικής διάταξης: να 9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 1 9. ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΕΣ ΙΑΤΑΞΕΙΣ Βασική λειτουργία ενισχυτικής διάταξης: να ενισχύσει ένα σήµα (δηλ. να αυξήσει ονοµαστικά το µέγεθος της τάσης ή του ρεύµατος).

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΠΑΤΡΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ 17/06/2011 ΣΕΙΡΑ Β: 16:00 18:30 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΠΑΤΡΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ 17/06/2011 ΣΕΙΡΑ Β: 16:00 18:30 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ 7/0/0 ΣΕΙΡΑ Β: :00 8:0 ΘΕΜΑ ο (4 μονάδες) Ο ενισχυτής του διπλανού σχήματος περιλαμβάνει ένα τρανζίστορ τύπου npn (Q ) και ένα τρανζίστορ τύπου pnp (Q ), για τα οποία δίνονται:

Διαβάστε περισσότερα

Ερωτήσεις στην ενότητα: Γενικά Ηλεκτρονικά

Ερωτήσεις στην ενότητα: Γενικά Ηλεκτρονικά Ερωτήσεις στην ενότητα: Γενικά Ηλεκτρονικά -1- Η τιμή της dc παραμέτρου β ενός npn transistor έχει τιμή ίση με 100. Το transistor λειτουργεί στην ενεργή περιοχή με ρεύμα συλλέκτη 1mA. Το ρεύμα βάσης έχει

Διαβάστε περισσότερα

Κεφάλαιο Ένα: ιπολικά Transistor

Κεφάλαιο Ένα: ιπολικά Transistor Κεφάλαιο Ένα: 1.1 Εισαγωγή Το 1951 ο William Schockley εφεύρε το πρώτο transistor επαφής, µια ηµιαγωγική διάταξη η οποία µπορεί να ενισχύσει ηλεκτρονικά σήµατα, όπως ραδιοφωνικά και τηλεοπτικά σήµατα.

Διαβάστε περισσότερα

4. Τρανζίστορ επαφής. 4.1 Χαρακτηριστικά του τρανζίστορ

4. Τρανζίστορ επαφής. 4.1 Χαρακτηριστικά του τρανζίστορ 1 4. Τρανζίστορ επαφής 4.1 Χαρακτηριστικά του τρανζίστορ Το τρανζίστορ είναι ένας ημιαγωγός με προσμίξεις, που περιέχεται μεταξύ δύο ημιαγωγών από το ίδιο υλικο, αλλά με αντίθετου τύπου προσμίξεις. Έχουμε

Διαβάστε περισσότερα

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 1

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 1 Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 1 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3...2 ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ...2 3.1 Απόκριση συχνότητας ενισχυτών...2 3.1.1 Παραμόρφωση στους ενισχυτές...5 3.1.2 Πιστότητα των ενισχυτών...6 3.1.3

Διαβάστε περισσότερα

«Ενισχυτές με διπολικό transistor»

«Ενισχυτές με διπολικό transistor» ΗΥ335: Προχωρημένη Ηλεκτρονική «Ενισχυτές με διπολικό transistor» Φώτης Πλέσσας fplessas@inf.uth.gr ΤΗΜΜΥ Δομή Πόλωση Αρχές ενίσχυσης Μοντέλα και υλοποιήσεις μικρού σήματος για BJT ΤΗΜΜΥ 2 Σκοπός αυτής

Διαβάστε περισσότερα

του διπολικού τρανζίστορ

του διπολικού τρανζίστορ D λειτουργία - Πόλωση του διπολικού τρανζίστορ ρ Παραδείγματα D ανάλυσης Παράδειγμα : Να ευρεθεί το σημείο λειτουργίας Q. Δίνονται: β00 και 0.7. Υποθέτουμε λειτουργία στην ενεργό περιοχή. 4 a 4 0 7, 3,3

Διαβάστε περισσότερα

4. ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΜΕ ΑΜΕΣΗ ΣΥΖΕΥΞΗ

4. ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΜΕ ΑΜΕΣΗ ΣΥΖΕΥΞΗ ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΣΤΟΧΟΙ 4. ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΜΕ ΑΜΕΣΗ ΣΥΖΕΥΞΗ Ημερομηνία:.... /.... /...... Τμήμα:.... Ομάδα: η κατανόηση της αρχής λειτουργίας ενός ενισχυτή δύο βαθμίδων με άμεση σύζευξη η εύρεση της περιοχής

Διαβάστε περισσότερα

5 Ενισχυτές τρανζίστορ σε χαμηλές συχνότητες

5 Ενισχυτές τρανζίστορ σε χαμηλές συχνότητες 5 Ενισχυτές τρανζίστορ σε χαμηλές συχνότητες 5. Περιοχή γραμμικής ενισχυτικής λειτουργίας του τρανζίστορ Στην προηγούμενη ενότητα μελετήσαμε την πόλωση του τρανζίστορ σε ένα σταθερό σημείο λειτουργίας,

Διαβάστε περισσότερα

Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ETY-482) 1 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΤΑΣΗΣ-ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΑΙ ΕΥΘΕΙΑ ΦΟΡΤΟΥ

Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ETY-482) 1 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΤΑΣΗΣ-ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΑΙ ΕΥΘΕΙΑ ΦΟΡΤΟΥ Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ETY-482) 1 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΤΑΣΗΣ-ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΑΙ ΕΥΘΕΙΑ ΦΟΡΤΟΥ Σχήµα 1. Κύκλωµα DC πόλωσης ηλεκτρονικού στοιχείου Στο ηλεκτρονικό στοιχείο του σχήµατος

Διαβάστε περισσότερα

1. ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΙ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ

1. ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΙ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ 1. ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΙ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ Ο τελεστικός ενισχυτής αποτελεί την βασική δομική μονάδα των περισσοτέρων αναλογικών κυκλωμάτων. Στην ενότητα αυτή θα μελετήσουμε τις ιδιότητες του τελεστικού ενισχυτή, μερικά βασικά

Διαβάστε περισσότερα

Ταλαντωτές. Ηλεκτρονική Γ Τάξη Β εξάμηνο Μάρτιος 2011 Επ. Καθ. Ε. Καραγιάννη

Ταλαντωτές. Ηλεκτρονική Γ Τάξη Β εξάμηνο Μάρτιος 2011 Επ. Καθ. Ε. Καραγιάννη Ταλαντωτές Ηλεκτρονική Γ Τάξη Β εξάμηνο Μάρτιος Επ. Καθ. Ε. Καραγιάννη Ταλαντωτές ΑΝΑΔΡΑΣΗ Στοιχεία Ταλάντωσης Ενισχυτής OUT Ταλαντωτής είναι ένα κύκλωμα που παράγει ηλεκτρικό σήμα σταθερής συχνότητας

Διαβάστε περισσότερα

Ενισχυτικές Διατάξεις 1. Πόλωση BJT

Ενισχυτικές Διατάξεις 1. Πόλωση BJT Ενισχυτικές Διατάξεις 1 Πόλωση BJT Η πόλωση τρανζίστορ όπως την έχετε γνωρίσει, υποφέρει από δύο βασικά μειονεκτήματα: Υπερβολική χρήση πηγών dc. Το γεγονός αυτό είναι ιδιαίτερα έντονο σε κυκλώματα πολυβάθμιων

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρονική. Ενότητα 1: Εισαγωγή. Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

Ηλεκτρονική. Ενότητα 1: Εισαγωγή. Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών Ηλεκτρονική Ενότητα : Εισαγωγή Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών Περιεχόμενα ενότητας Ανασκόπηση των βασικών εννοιών, κανόνων και θεωρημάτων των γραμμικών δικτυωμάτων: κανόνες

Διαβάστε περισσότερα

ΛΥΣΕΙΣ ΕΞΕΤΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ «ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΙ» ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 26/01/2017

ΛΥΣΕΙΣ ΕΞΕΤΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ «ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΙ» ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 26/01/2017 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Λ ΜΠΙΣΔΟΥΝΗΣ ΛΥΣΕΙΣ ΕΞΕΤΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ «ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΙ» ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 6/0/07 ΘΕΜΑ ο ( μονάδες) Για τον ενισχυτή του παρακάτω σχήματος δίνονται:

Διαβάστε περισσότερα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ενισχυτές Ασθενών Σημάτων

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ενισχυτές Ασθενών Σημάτων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ενισχυτές Ασθενών Σημάτων Στον χώρο της ηλεκτρονικής οι ενισχυτές είναι ευρέως χρησιμοποιούμενες διατάξεις με τις οποίες μπορούμε να ενισχύσουμε ένα σήμα με σχετικά μικρό πλάτος (πχ. το σήμα

Διαβάστε περισσότερα

K14 Αναλογικά Ηλεκτρονικά 9: Διαφορικός Ενισχυτής Τελεστικός Ενισχυτής

K14 Αναλογικά Ηλεκτρονικά 9: Διαφορικός Ενισχυτής Τελεστικός Ενισχυτής K14 Αναλογικά Ηλεκτρονικά 9: Διαφορικός Ενισχυτής Τελεστικός Ενισχυτής Γιάννης Λιαπέρδος TEI Πελοποννήσου Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ Γενικά Περιεχόμενα 1 Γενικά 2 Διαφορικός

Διαβάστε περισσότερα

Εισαγωγή στη Σχεδίαση Κυκλωμάτων RF

Εισαγωγή στη Σχεδίαση Κυκλωμάτων RF Εισαγωγή στη Σχεδίαση Κυκλωμάτων RF Κεφάλαιο 6. NA Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 /3 Βασικές παράμετροι των NA: Receiver Front End Z =5Ω RF Filter - -8dB Z =5Ω

Διαβάστε περισσότερα

Πόλωση τάξης ΑΒ με χρήση διαιρέτη τάσης

Πόλωση τάξης ΑΒ με χρήση διαιρέτη τάσης Ενισχυτικές Διατάξεις 1 Πόλωση τάξης ΑΒ με χρήση διαιρέτη τάσης Το σημείο ηρεμίας επιλέγεται σε μία τιμή πάνω από την αποκοπή (διαφέρει ανάλογα με το τρανζίστορ). Άρα χρειάζεται και επιπλέον ρυθμιστική

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρονική. Ενότητα 6: Η AC λειτουργία του διπολικού τρανζίστορ. Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

Ηλεκτρονική. Ενότητα 6: Η AC λειτουργία του διπολικού τρανζίστορ. Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών Ηλεκτρονική Ενότητα 6: Η A λειτουργία του διπολικού τρανζίστορ Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών Περιεχόμενα ενότητας Το μοντέλο μικρού σήματος του τρανζίστορ. Οι παράμετροι μικρού

Διαβάστε περισσότερα

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι. Ασκήσεις. Χατζόπουλος Αλκιβιάδης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχ. Υπολογιστών Α.Π.Θ.

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι. Ασκήσεις. Χατζόπουλος Αλκιβιάδης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχ. Υπολογιστών Α.Π.Θ. Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι Ασκήσεις Χατζόπουλος Αλκιβιάδης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχ. Υπολογιστών Α.Π.Θ. Θεσσαλονίκη, Σεπτέμβριος 2015 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό

Διαβάστε περισσότερα

ΨΗΦΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ

ΨΗΦΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 1 ΨΗΦΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ A. Πίνακες αληθείας λογικών πυλών. Στη θετική λογική το λογικό 0 παριστάνεται µε ένα χαµηλό δυναµικό, V L, ενώ το λογικό 1

Διαβάστε περισσότερα

Χαρακτηρισμός (VCVS) (VCIS) Μετατροπέας ρεύματος σε τάση (ICVS)

Χαρακτηρισμός (VCVS) (VCIS) Μετατροπέας ρεύματος σε τάση (ICVS) 6. ΓΕΝΙΚΗ ΘΕΩΡΗΣΗ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ 6.. Ενισχυτές ανοικτού βροχου (χωρίς ανάδραση) Ανεξάρτητα από την τάξη (Α, Β, C), το είδος της σύζευξης (R-C, με μετασχηματιστή, άμεση κλπ.), υπάρχουν (με κριτήριο τη χρήση

Διαβάστε περισσότερα

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΥΣ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΥΣ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΥΣ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ Εισαγωγή Ιστορικά στοιχεία Οι πρώτοι τελεστικοί ενισχυτές χρησιμοποιήθηκαν κυρίως για την εκτέλεση μαθηματικών πράξεων, δηλαδή πρόσθεση, αφαίρεση, ολοκλήρωση και διαφόριση.

Διαβάστε περισσότερα

ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ

ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΙΙI ΤΟ ΙΠΟΛΙΚΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ 3.1 ιπολικό Τρανζίστορ 3.1.1 Εισαγωγή: Αντικείµενο της εργαστηριακής

Διαβάστε περισσότερα

Ενισχυτικές Διατάξεις 1. Ο Τελεστικός ενισχυτής 741

Ενισχυτικές Διατάξεις 1. Ο Τελεστικός ενισχυτής 741 Ενισχυτικές Διατάξεις 1 Ο Τελεστικός ενισχυτής 741 Ενισχυτικές Διατάξεις 2 Iστορική Αναδρομή 1964 Ο Bob Widlar σχεδιαζει το πρώτο ΤΕ: τον 702. Μόνο 9 transistors, απολαβή OL: 1000 Πολύ ακριβός : $300 per

Διαβάστε περισσότερα

Ακαδημαϊκό Έτος Εξάμηνο Εαρινό Α Εξεταστική Περίοδος Σημειώσεις : ανοικτές/κλειστές Διάρκεια εξέτασης: 2 ώρες. Ημ. εξέτασης:../../.

Ακαδημαϊκό Έτος Εξάμηνο Εαρινό Α Εξεταστική Περίοδος Σημειώσεις : ανοικτές/κλειστές Διάρκεια εξέτασης: 2 ώρες. Ημ. εξέτασης:../../. A(dB) ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΤΕΙ ΑΘΗΝΑΣ Μάθημα: Αναλογικά Ηλεκτρονικά Εισηγητής: Ηλίας Σταύρακας Θέμα 1 ο (μονάδες 3): Ακαδημαϊκό Έτος 201112 Εξάμηνο Εαρινό Α Εξεταστική Περίοδος Σημειώσεις :

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρονική ΙΙ 5 ο εξάμηνο

Ηλεκτρονική ΙΙ 5 ο εξάμηνο 5 ο εξάμηνο Αλκης Χατζόπουλος Καθηγητής Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχ. και Μηχ. Υπολογιστών Α.Π.Θ. Εργαστήριο Ηλεκτρονικής 1/33 Αλκης Χατζόπουλος - Eργαστήριο Ηλεκτρονικής Τμ.Η.Μ.Μ.Υ. Α.Π.Θ. 5 ο εξάμηνο 1. Διαφορικός

Διαβάστε περισσότερα

ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ

ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Πάτρα 0 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. Τ.Ε.Ι. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ Ενότητες του μαθήματος Η πιο συνηθισμένη επεξεργασία αναλογικών σημάτων είναι η ενίσχυση τους, που επιτυγχάνεται με

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρονική. Ενότητα 5: DC λειτουργία Πόλωση του διπολικού τρανζίστορ. Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

Ηλεκτρονική. Ενότητα 5: DC λειτουργία Πόλωση του διπολικού τρανζίστορ. Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών Ηλεκτρονική Ενότητα 5: D λειτουργία Πόλωση του διπολικού τρανζίστορ Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης reative

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : FET (Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου)

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : FET (Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου) ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : FET (Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου) 1 FET Δομή και λειτουργία Τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου είναι ηλεκτρονικά στοιχεία στα οποία οι φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος είναι ενός

Διαβάστε περισσότερα

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

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι. Ενότητα 4: Ενισχυτής κοινού εκπομπού. Επ. Καθηγητής Γαύρος Κωνσταντίνος ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι Ενότητα 4: Ενισχυτής κοινού εκπομπού Επ. Καθηγητής Γαύρος Κωνσταντίνος ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons.

Διαβάστε περισσότερα

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ: Ο τελεστικός ενισχυτής είναι ένα προκατασκευασμένο κύκλωμα μικρών διαστάσεων που συμπεριφέρεται ως ενισχυτής τάσης, και έχει πολύ μεγάλο κέρδος, πολλές φορές της τάξης του 10 4 και 10 6. Ο τελεστικός

Διαβάστε περισσότερα

3. ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΜΕ ΣΥΖΕΥΞΗ ΜΕΣΩ ΠΥΚΝΩΤΗ

3. ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΜΕ ΣΥΖΕΥΞΗ ΜΕΣΩ ΠΥΚΝΩΤΗ ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ. Ε. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΙ ΣΤΟΧΟΙ Ημερομηνία:.... /.... /...... Τμήμα:.... Ομάδα: 3. ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΜΕ ΣΥΖΕΥΞΗ ΜΕΣΩ ΠΥΚΝΩΤΗ η κατανόηση της αρχής λειτουργίας

Διαβάστε περισσότερα

Σχεδίαση Αναλογικών Κυκλωμάτων VLSI

Σχεδίαση Αναλογικών Κυκλωμάτων VLSI Σχεδίαση Αναλογικών Κυκλωμάτων VLSI «Τρανζίστορ και Απλά Κυκλώματα» (επανάληψη βασικών γνώσεων) Φώτης Πλέσσας fplessas@inf.uth.gr Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ 1 Δομή Παρουσίασης MOSFET

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΙ - ΧΑΛΚΙ ΑΣ. διπολικά τρανζίστορ διακρίνονται σε: 1. τρανζίστορ γερµανίου (Ge) και. 2. τρανζίστορ πυριτίου (Si ).

ΤΕΙ - ΧΑΛΚΙ ΑΣ. διπολικά τρανζίστορ διακρίνονται σε: 1. τρανζίστορ γερµανίου (Ge) και. 2. τρανζίστορ πυριτίου (Si ). 7. Εισαγωγή στο διπολικό τρανζίστορ-ι.σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 1 7. TΟ ΙΠΟΛΙΚΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ Ανάλογα µε το υλικό διπολικά τρανζίστορ διακρίνονται σε: 1. τρανζίστορ γερµανίου (Ge) και 2. τρανζίστορ πυριτίου

Διαβάστε περισσότερα

Κεφάλαιο 1 ο. Γ. Τσιατούχας. VLSI Technology and Computer Architecture Lab. Ενισχυτές 2

Κεφάλαιο 1 ο. Γ. Τσιατούχας. VLSI Technology and Computer Architecture Lab. Ενισχυτές 2 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Ενισχτές Κεφάλαιο ο Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Γ. Τσιατούχας VSI Technlgy and Cmputer rchtecture ab ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Διάρθρωση. Ενισχτές 2. Κέρδος τάσης, ρεύματος,

Διαβάστε περισσότερα

Ενισχυτές Μετρήσεων. 3.1 Ο διαφορικός Ενισχυτής

Ενισχυτές Μετρήσεων. 3.1 Ο διαφορικός Ενισχυτής 3 Ενισχυτές Μετρήσεων 3.1 Ο διαφορικός Ενισχυτής Πολλές φορές ένας ενισχυτής σχεδιάζεται ώστε να αποκρίνεται στη διαφορά µεταξύ δύο σηµάτων εισόδου. Ένας τέτοιος ενισχυτής ονοµάζεται ενισχυτής διαφοράς

Διαβάστε περισσότερα

Ιατρικά Ηλεκτρονικά. Δρ. Π. Ασβεστάς Τμήμα Μηχανικών Βιοϊατρικής Τεχνολογίας Τ.Ε

Ιατρικά Ηλεκτρονικά. Δρ. Π. Ασβεστάς Τμήμα Μηχανικών Βιοϊατρικής Τεχνολογίας Τ.Ε Ιατρικά Ηλεκτρονικά Δρ. Π. Ασβεστάς Τμήμα Μηχανικών Βιοϊατρικής Τεχνολογίας Τ.Ε Χρήσιμοι Σύνδεσμοι Σημειώσεις μαθήματος: http://medisp.bme.teiath.gr/eclass/courses/tio127/ https://eclass.teiath.gr/courses/tio101/

Διαβάστε περισσότερα

ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ PUSH-PULL

ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ PUSH-PULL ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ USH-ULL ΕΠΩΝΥΜΟ ΟΝΟΜΑ Α.Μ. ΤΜΗΜΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ:.... /..../ 0.. ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ:.... /..../ 0.. ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΣΤΟΧΟΙ η κατανόηση της

Διαβάστε περισσότερα

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙO ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙO ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙO ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 2 Δίοδοι-Επαφή pn 1. Ποιες είναι οι 3 κατηγορίες υλικών στην ηλεκτρονική; a) Στερεά, υγρά αέρια. b) Αγωγοί, μονωτές, ημιαγωγοί. c) Γη, αέρας, φωτιά. d) Ημιαγωγοί, μονωτές,

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΠΑΙΤΕ / Τμήμα Εκπαιδευτικών Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Εκπαιδευτικών Ηλεκτρονικών Μηχανικών

ΑΣΠΑΙΤΕ / Τμήμα Εκπαιδευτικών Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Εκπαιδευτικών Ηλεκτρονικών Μηχανικών 4. ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ (ΜΕ ΔΙΠΟΛΙΚΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ) 4.. Βασικές έννοιες 4... Γραμμές φορτίου (D και A) Για κάθε ενισχυτή, ορίζονται δύο () γραμμές (ευθείες) φορτίου, η D και η A. Από αυτές, η D γραμμή προκύπτει

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΠΑΤΡΑΣ 06/02/2009 ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΠΑΤΡΑΣ 06/02/2009 ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΘΕΜΑ ο (.5 μονάδες): Για τον ενισχυτή του παρακάτω σχήματος δίνονται: V 0V, V E 0.7 V, kω, 00 kω, kω, 0 kω, β h e 00, h e.5 kω. (α) Να προσδιορίσετε το σημείο λειτουργίας Q (I, V E ) του τρανζίστορ. (β)

Διαβάστε περισσότερα

2 η ενότητα ΤΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΣΤΙΣ ΥΨΗΛΕΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΕΣ

2 η ενότητα ΤΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΣΤΙΣ ΥΨΗΛΕΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΕΣ ρ. Λάμπρος Μπισδούνης Καθηγητής 2 η ενότητα ΤΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΣΤΙΣ ΥΨΗΛΕΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΕΣ T.E.I. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 1 Περιεχόμενα 2 ης ενότητας Στην δεύτερη ενότητα θα ασχοληθούμε

Διαβάστε περισσότερα

ΛΥΣΕΙΣ ΕΞΕΤΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ «ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΙ» ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 23/06/2016 ΜΟΝΟ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΕΠΙ ΠΤΥΧΙΩ ΦΟΙΤΗΤΕΣ

ΛΥΣΕΙΣ ΕΞΕΤΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ «ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΙ» ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 23/06/2016 ΜΟΝΟ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΕΠΙ ΠΤΥΧΙΩ ΦΟΙΤΗΤΕΣ ΛΥΣΕΙΣ ΕΞΕΤΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ «ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΙ» ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: /6/6 ΘΕΜΑ ο (5 μονάδες Για τον ενισχυτή του παρακάτω σχήματος δίνονται: =, = 6 kω, = kω και = = Ε = = kω, ενώ για το τρανζίστορ δίνονται: = 78, β

Διαβάστε περισσότερα

Άσκηση 11 Ο ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ua741 ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ

Άσκηση 11 Ο ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ua741 ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Άσκηση 11 Ο ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ua741 ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Αυτό έργο χορηγείται με άδεια Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike Greece 3.0. Ονοματεπώνυμο: Μητρόπουλος Σπύρος Α.Ε.Μ.: 3215

Διαβάστε περισσότερα

Ενισχυτής κοινής πηγής (common source amplifier)

Ενισχυτής κοινής πηγής (common source amplifier) Εισαγωγή στην Ηλεκτρονική Βασικά κυκλώµατα ενισχυτών µε transstr MOS Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ Transstr ως ενισχυτής Ενισχυτής κοινής πηγής (cmmn surce amplfer (κύκλωµα αντιστροφέα

Διαβάστε περισσότερα

Εργαστηριακές Ασκήσεις ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ

Εργαστηριακές Ασκήσεις ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Τ.Ε. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Εργαστηριακές Ασκήσεις ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ (μέσω προσομοίωσης) Γιάννης

Διαβάστε περισσότερα

Γιάννης Λιαπέρδος ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ. Κριτική Ανάγνωση: Αγγελική Αραπογιάννη. Επιμέλεια πολυμεσικού διαδραστικού υλικού: Γιώργος Θεοφάνους

Γιάννης Λιαπέρδος ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ. Κριτική Ανάγνωση: Αγγελική Αραπογιάννη. Επιμέλεια πολυμεσικού διαδραστικού υλικού: Γιώργος Θεοφάνους Γιάννης Λιαπέρδος ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Κριτική Ανάγνωση: Αγγελική Αραπογιάννη Επιμέλεια πολυμεσικού διαδραστικού υλικού: Γιώργος Θεοφάνους Copyright ΣΕΑΒ, 2015 Το παρόν έργο αδειοδοτείται υπό τους

Διαβάστε περισσότερα

3.1 Η δίοδος στο κύκλωμα. Στατική και δυναμική χαρακτηριστική

3.1 Η δίοδος στο κύκλωμα. Στατική και δυναμική χαρακτηριστική 1 3. Κυκλώματα διόδων 3.1 Η δίοδος στο κύκλωμα. Στατική και δυναμική χαρακτηριστική Στην πράξη η δίοδος προσεγγίζεται με τμηματική γραμμικοποίηση, όπως στο σχήμα 3-1, όπου η δυναμική αντίσταση της διόδου

Διαβάστε περισσότερα

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ: Όπως θα δούμε και παρακάτω το φίλτρο είναι ένα σύστημα του οποίου η απόκριση συχνότητας παίρνει σημαντικές τιμές μόνο για συγκεκριμένες ζώνες του άξονα συχνοτήτων, δηλαδή «κόβουν» κάποιες ανεπιθύμητες

Διαβάστε περισσότερα

2.9 ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΠΕΡΙΟΡΙΣΤΩΝ Τρανζίστορ Διπολικής Επαφής (BJT) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΔΙΠΟΛΙΚΗΣ ΕΠΑΦΗΣ (BJT)...131

2.9 ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΠΕΡΙΟΡΙΣΤΩΝ Τρανζίστορ Διπολικής Επαφής (BJT) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΔΙΠΟΛΙΚΗΣ ΕΠΑΦΗΣ (BJT)...131 Περιεχόμενα v ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΔΙΟΔΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ...1 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...1 1.2 ΥΛΙΚΑ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ: Ge, Si ΚΑΙ GaAs...2 1.3 ΟΜΟΙΟΠΟΛΙΚΟΙ ΔΕΣΜΟΙ ΚΑΙ ΕΝΔΟΓΕΝΗ ΥΛΙΚΑ...3 1.4 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΣΤΑΘΜΕΣ...6 1.5 ΕΞΩΓΕΝΗ

Διαβάστε περισσότερα

ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΜΕ ΣΥΖΕΥΞΗ ΜΕΣΩ ΠΥΚΝΩΤΗ

ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΜΕ ΣΥΖΕΥΞΗ ΜΕΣΩ ΠΥΚΝΩΤΗ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΜΕ ΣΥΖΕΥΞΗ ΜΕΣΩ ΠΥΚΝΩΤΗ ΕΠΩΝΥΜΟ ΟΝΟΜΑ Α.Μ. ΤΜΗΜΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ:.... /..../ 20.. ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ:.... /..../ 20.. ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΣΤΟΧΟΙ η κατανόηση

Διαβάστε περισσότερα

Εισαγωγή στους Ταλαντωτές Οι ταλαντωτές είναι από τα βασικότερα κυκλώματα στα ηλεκτρονικά. Χρησιμοποιούνται κατά κόρον στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα

Εισαγωγή στους Ταλαντωτές Οι ταλαντωτές είναι από τα βασικότερα κυκλώματα στα ηλεκτρονικά. Χρησιμοποιούνται κατά κόρον στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ Υλοποίηση και Εργαστηριακή Αναφορά Ring και Hartley Ταλαντωτών Φοιτητής: Ζωγραφόπουλος Γιάννης Επιβλέπων Καθηγητής: Πλέσσας Φώτιος

Διαβάστε περισσότερα

1 1+ Η εφαρµογή ανάδρασης υποβιβάζει την αντίσταση εξόδου στην τιµή

1 1+ Η εφαρµογή ανάδρασης υποβιβάζει την αντίσταση εξόδου στην τιµή V o g S o ( R r ), m Επειδή β, είναι Τ V,. Το κέρδος κλειστού βρόχου υπολογίζεται ως Vf, 0,957, Η αντίσταση εισόδου είναι ίση µε ΜΩ. Η αντίσταση εξόδου είναι z o 5 k 40k 4, 44kΩ Η εφαρµογή ανάδρασης υποβιβάζει

Διαβάστε περισσότερα

Χαρακτηρισμός (VCVS) (VCIS) Μετατροπέας ρεύματος σε τάση (ICVS)

Χαρακτηρισμός (VCVS) (VCIS) Μετατροπέας ρεύματος σε τάση (ICVS) 6. ΓΕΝΙΚΗ ΘΕΩΡΗΣΗ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ 6.. Ενισχυτές ανοικτού βροχου (χωρίς ανάδραση) Ανεξάρτητα από την τάξη (Α, Β, C), το είδος της σύζευξης (R-C, με μετασχηματιστή, άμεση κλπ.), υπάρχουν (με κριτήριο τη χρήση

Διαβάστε περισσότερα

8. ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ PUSH-PULL

8. ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ PUSH-PULL ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ. Ε. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΙ ΣΤΟΧΟΙ Ημερομηνία:.... /.... /...... Τμήμα:.... Ομάδα: 8. ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ USH-ULL η κατανόηση της αρχής λειτουργίας ενός

Διαβάστε περισσότερα

και συνδέει τον αριθμό των σπειρών του πρωτεύοντος και του

και συνδέει τον αριθμό των σπειρών του πρωτεύοντος και του Μετασχηματιστής με μεσαία λήψη Ένας μετασχηματιστής αποτελείται από δύο πηνία που έχουν τυλιχτεί επάνω στον ίδιο πυρήνα. Στο ένα πηνίο εφαρμόζεται μία εναλλασσόμενη τάση. Η τάση αυτή, δημιουργεί ένα μεταβαλλόμενο

Διαβάστε περισσότερα

Περιεχόμενα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Μοντέλα για Ενεργές Συσκευές Ολοκληρωμένου Κυκλώματος. 1.1 Εισαγωγή

Περιεχόμενα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Μοντέλα για Ενεργές Συσκευές Ολοκληρωμένου Κυκλώματος. 1.1 Εισαγωγή Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Μοντέλα για Ενεργές Συσκευές Ολοκληρωμένου Κυκλώματος 1.1 Εισαγωγή 1.2 Περιοχή Απογύμνωσης μιας Επαφής pn 1.2.1 Χωρητικότητα της Περιοχής Απογύμνωσης 1.2.2 Κατάρρευση Επαφής 1.3

Διαβάστε περισσότερα