Απόκριση συχνότητας ενισχυτή CE (I)

Transcript

1 Ενισχυτικές Διατάξεις Απόκριση συχνότητας ενισχυτή CE (I) Θεωρώντας ότι οι πυκνωτές σύζευξης & παράκαμψης λειτουργούν ως τέλεια βραχυκυκλώματα και ότι οι εσωτερικές χωρητικότητες ως ανοιχτοκυκλώματα, τότε: A hfer' L R h R R e s L H Σχ.5.7 Μικροηλεκτρονικα κυκλώματα Sedra/Sth Όμως: για χαμηλές συχνότητες Υψηπερατή συμπεριφορά. Οφείλεται στους πυκνωτές C, C o που δρουν ως πυκνωτές διαφόρισης (χωρητικότητες τάξης μf) για υψηλές συχνότητες βαθυπερατή συμπεριφορά. Οφείλεται στις παρασιτικές χωρητικότητες του τρανζίστορ κυρίως (χωρητικότητες τάξης pf). Συνεπώς η συμπεριφορά του ενισχυτή προσδιορίζεται: στις χαμηλές συχνότητες από τις σταθερές χρόνου των εξωτερικών πυκνωτών στις υψηλές συχνότητες από τις σταθερές χρόνου που σχηματίζουν οι παρασιτικές χωρητικότητες

2 Ενισχυτικές Διατάξεις 2 Απόκριση συχνότητας ενισχυτή CE (II) Η απόκριση συχνότητας του ενισχυτή είναι A(s) = A A L (s) A H (s) A L (s) εξάρτηση της ενίσχυσης από την συχνότητα στην περιοχή των χαμηλών συχνοτήτων Α H (s) εξάρτηση της ενίσχυσης από την συχνότητα στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων. Περιοχή μεσαίων συχνοτήτων (ζώνη διέλευσης ω L < ω < ω Η ).. Έχουμε A(s) = A, η ενίσχυση υπολογίζεται με ανάλυση του ισοδύναμου κυκλώματος μικρού σήματος του ενισχυτή (πυκνωτές ζεύξης βραχυκυκλώματα & παρασιτικές χωρητικότητες BJT αγνοούνται) περιοχή υψηλών συχνοτήτων. Έχουμε A(s) = A A H (s), η ενίσχυση προσδιορίζεται με ανάλυση του τροποποιημένου κατά Mller ισοδύναμου μοντέλου του ενισχυτή (πυκνωτές ζεύξης βραχυκυκλώματα & παρασιτικές χωρητικότητες BJT λαμβάνονται υπόψη) περιοχή χαμηλών συχνοτήτων. Έχουμε A(s) = A A L (s), η ενίσχυση προσδιορίζεται με ανάλυση του h- ή π- ισοδύναμου μοντέλου του ενισχυτή (πυκνωτές ζεύξης λαμβάνονται υπόψη & παρασιτικές χωρητικότητες BJT αγνοούνται)

3 Ενισχυτικές Διατάξεις 3 Απόκριση συχνότητας ενισχυτή CE (ΙII) Περιοχή Χαμηλών Συχνοτήτων Όταν υπάρχουν άνω του ενός πυκνωτές η απόκριση συχνότητας οφείλεται στη συνδυασμένη δράση όλων Για να την υπολογίσουμε, εξετάζουμε τη δράση του κάθε πυκνωτή ξεχωριστά, βραχυκυκλώνοντας τους υπόλοιπους Γίνεται χρήση του απλοποιημένου h- η π- ισοδυνάμου Σχ.3.4 Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. Σχ..8 Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ.

4 Ενισχυτικές Διατάξεις 4 Χαμηλές συχνότητες Επίδραση C Ισοδύναμο μοντέλο με επίδραση C h h e fe r g r R R // R B 2 R R // r B R R // R ' L c L Ενίσχυση στις μεσαίες συχνότητες A Σχ.3.7 Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. v g R R v R R ' o L s s g R R v g R v v ' ' L o L s R Rs Το κύκλωμα εισόδου δημιουργεί τη σταθερά χρόνου, το οποίο λειτουργεί ως υψηπέρατο ( R R ) C s A () s Vo () s s A V ( s) s s

5 Ενισχυτικές Διατάξεις 5 Χαμηλές συχνότητες Επίδραση C2 Ισοδύναμο μοντέλο με επίδραση C2 Σχ.3.8 Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. Το κύκλωμα εξόδου δημιουργεί τη σταθερά χρόνου, το οποίο λειτουργεί και εδώ ως υψηπέρατο A () s 2 A 2s s 2 ( R R ) C 2 c L 2

6 Ενισχυτικές Διατάξεις 6 Χαμηλές συχνότητες Ολική επίδραση Περιοχή χαμηλών συχνοτήτων η ενίσχυση προσδιορίζεται με χρήση του ισοδύναμου μοντέλου και εξωτερικούς πυκνωτές. Η ολική ενίσχυση είναι: A () s L A s2 s ( s) ( s) 2 Η παραπάνω συνάρτηση εμφανίζει δύο πόλους Ο αντιστοιχών σε μικρότερη σταθερά χρόνου αντιστοιχεί και στη μεγαλύτερη συχνότητα. Με χρήση της προσέγγισης επικρατούντος πόλου αγνοούμε εκείνον που αντιστοιχεί σε μικρότερη συχνότητα αποκοπής (ή μεγαλύτερη σταθερά χρόνου). Από πρακτικής άποψης λαμβάνουμε υπόψη τη συχνότητα αποκοπής που μας χειροτερεύει την απόκριση χαμηλών συχνοτήτων. Θεωρώντας ως επικρατών πόλο εκείνο που αντιστοιχεί στη σταθερά χρόνου τ 2, έχουμε A () s L A 2s s 2

7 Ενισχυτικές Διατάξεις 7 Υψηλές Συχνότητες (Ι) Τροποποιημένο κατά Mller π-ισοδύναμο μοντέλο Σχ.2.6 Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. g R v k kv ' L b' e b' e g R ' L C π : χωρητικότητα ορθά πολωμένης επαφής B-E C μ : χωρητικότητα ανάστροφα πολωμένης επαφής B-C R R // r ' L L o C C C g R ' eq ( L)

8 Ενισχυτικές Διατάξεις 8 Υψηλές συχνότητες (ΙI) H ενίσχυση προσδιορίζεται με ανάλυση του τροποποιημένου κατά Mller ισοδύναμου μοντέλου του ενισχυτή (πυκνωτές ζεύξης θεωρούνται βραχυκυκλώματα ενώ οι παρασιτικές Σχ.3. Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. χωρητικότητες BJT λαμβάνονται υπόψη) Ισοδύναμο με χρήση τροποποιημένου κατά Mller π-ισοδύναμου Τόσο το κύκλωμα εισόδου όσο και το κύκλωμα εξόδου παρουσιάζουν βαθυπερατή συμπεριφορά, συνεπώς : R C ( R // R ) C s eq A () s Η ενίσχυση στις υψηλές συχνότητες δίνεται από : 4 A s A () s Συνήθως η σταθερά χρόνου του κυκλώματος εισόδου είναι πολύ μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του κυκλώματος εξόδου, οπότε μπορεί να παραληφθεί η συχνότητα αποκοπής που δημιουργεί το κύκλωμα εξόδου και να λάβουμε προσεγγιστικά την 5 A () s A s o ( s)( s) o () s A ' L s

9 Ενισχυτικές Διατάξεις 9 Συνδυασμένη απόκριση συχνότητας Λαμβάνοντας υπόψη τη δράση των πυκνωτών & παρασιτικών χωρητικοτήτων, όπως περιγράφηκαν, έχουμε την κάτωθι σχέση που περιγράφει τη συνδυασμένη απόκριση του ενισχυτή A( s) A A ( s) A ( s) A L H s2s ( s )( s )( s )( s ) 2 o Με χρήση των προσεγγίσεων έχουμε A() s A 2s ( s)( s) 2 Άρα για τη συνδυασμένη απόκριση : Κάτω συχνότητα αποκοπής καθορίζεται από εξωτερικούς πυκνωτές και ιδιαίτερα από αυτόν που δημιουργεί τη μικρότερη σταθερά χρόνου Άνω συχνότητα αποκοπής καθορίζεται από παρασιτικές χωρητικότητες τρανζίστορ και ιδιαίτερα από τη σταθερά χρόνου που σχηματίζει το ισοδύναμο κύκλωμα εισόδου

10 Ενισχυτικές Διατάξεις 0 Συνδυασμένη απόκριση συχνότητας (ΙΙ) Σχ.3.5 Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. ω ω 2 ω ω ο Κατώτερη συχνότητα αποκοπής f L 2 L Ανώτερη συχνότητα αποκοπής H f H 2 συνδυασμένη απόκριση

11 Ενισχυτικές Διατάξεις Ερώτηση αυτοαξιολόγησης: Διεύρυνση ανώτερης συχνότητας Στις υψηλές συχνότητες, για τον ενισχυτή CE, είδαμε ότι ισχύει () s A ( s)( s) o Θεωρώντας ότι η σταθερά χρόνου του κυκλώματος εισόδου είναι μεγαλύτερη, καταλήξαμε ότι το κύκλωμα εισόδου καθορίζει την ανώτερη συχνότητα αποκοπής Εξετάζοντας το πρόβλημα υπό διαφορετική σκοπιά αυτό που διακρίνουμε είναι ότι, στις υψηλές συχνότητες, ο ενισχυτής παρουσιάζει δύο πόλους, εκ των οποίων αυτός που αντιστοιχεί στο κύκλωμα εισόδου καθορίζει και την ανώτερη συχνότητα αποκοπής. Υπάρχει η δυνατότητα να αντισταθμίσουμε τον επικρατούντα πόλο εάν εισάγουμε έναν μηδενισμό στην Α Η (s)?

12 Ενισχυτικές Διατάξεις 2 Παράδειγμα Με χρήση της τεχνικής σταδιακής ανάλυσης κατά περιοχές συχνοτήτων, να προσδιοριστεί η απόκριση συχνότητας μέτρου του ενισχυτή του σχήματος. Το τρανζίστορ είναι πολωμένο στην ενεργό περιοχή και δίδονται: r π =.25ΚΩ C π = 0pF C μ = 3pF g = 200S r x = 0 r o = r b c = Σχ.Α3.2 Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ.

13 Ενισχυτικές Διατάξεις 3 Παράδειγμα (II) R R // R 7.64K B 2 R R // r.7k B R' R // R 0.5K L L C Για τις μεσαίες συχνότητες έχω R v g R v o L s R Rs Σχ.Α3.2 Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. A RR L g 26.7 R R s Σχ.Α3.2 Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ.

14 Ενισχυτικές Διατάξεις 4 Παράδειγμα (III) Για τις χαμηλές συχνότητες έχω Επίδραση C Επίδραση C2 Σχ.3.7 Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. Σχ.3.8 Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. ( Rs R) C f 3.56Hz 2 2 ( RC RL) C2 f2 60Hz 2 2 Επειδή, f 2 >f κυρίαρχη συχνότητα στην περιοχή χαμηλών συχνοτήτων είναι η f 2. Άρα, f L = f 2 = 60Hz

15 Ενισχυτικές Διατάξεις 5 Παράδειγμα (IV) Για τις υψηλές συχνότητες έχω C eq C ( g R L )C 33pF Σχ.3. Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. ( R // R ) C 270ns s eq R C o L.5ns Επειδή τ > τ ο ο επικρατών πόλος είναι αυτός που καθορίζεται από το κύκλωμα εισόδου. f 2 588KHz Άρα στην περιοχή υψηλών συχνοτήτων η συχνότητα αποκοπής είναι f H = f = 588KHz

16 Ενισχυτικές Διατάξεις 6 Παράδειγμα (V) Η προσεγγιστική συνάρτηση μεταφοράς του ενισχυτή δίνεται από την : A () s v A A Ls ( )( ) ( Hs )( Ls ) H s s L Α =-26.7 τ H = 270ns τ L = s ή A () s v A f fl j j f H f Α =-26.7 f H = 588KHz f L = 60Hz

17 Ενισχυτικές Διατάξεις 7 Ερώτηση Αυτοαξιολόγησης Δείξτε ότι ο ενισχυτής CE με πυκνωτή παράκαμψης της RE έχει την παρακάτω ΣΜ

18 Ενισχυτικές Διατάξεις 8 Απόκριση ενισχυτή CB Ακολουθώντας την ίδια μεθοδολογία ανάλυσης που εφαρμόσαμε στον ενισχυτή CE (μελέτη επίδρασης κάθε χωρητικότητας ξεχωριστά) μπορούμε να εξάγουμε συμπεράσματα για τη απόκρισης συχνότητας του ενισχυτή CB. Θα καταλήξουμε ότι η ενίσχυση του δίνεται προσεγγιστικά ως: Σχ.3.22 Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ.

19 Ενισχυτικές Διατάξεις 9 Απόκριση ενισχυτή CB (συν.) Περιοχή Μεσαίων συχνοτήτων Σχ..24 Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ.

20 Ενισχυτικές Διατάξεις 20 Απόκριση ενισχυτή CB (συν.) Περιοχή Χαμηλών συχνοτήτων Για τις χαμηλές συχνότητες έχουμε να λάβουμε υπόψη δύο εξωτερικούς πυκνωτές Ακολουθώντας την ίδια μεθοδολογία με τον ενισχυτή CE, θα υπολογίσουμε την επίδραση του καθενός ξεχωριστά και στη συνέχεια θα συνθέσουμε την συνδυασμένη δράση τους Το ισοδύναμο μοντέλο που θα χρησιμοποιήσουμε θα είναι το π-ισοδύναμο για χαμηλό-μεσαιες συχνότητες Σχ.3.23 Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ.

21 Ενισχυτικές Διατάξεις 2 Απόκριση ενισχυτή CB (συν.) Περιοχή Χαμηλών συχνοτήτων Τόσο το κύκλωμα εισόδου όσο και το κύκλωμα εξόδου παρουσιάζουν υψηπερατή συμπεριφορά Για το κύκλωμα εισόδου (επίδραση C) έχουμε: Για το κύκλωμα εξόδου (επίδραση C2) έχουμε: Πρέπει να εξετάζουμε κατά περίπτωση τον επικρατούντα πόλο ( Rs R) C f 2 2 ( RC RL) C2 f2 2 Στην πράξη, σε ενισχυτές CB έχουμε C C2, και για τυπικές τιμές των αντιστάσεων Rs, Rc, R και RL έχουμε R R R R f f S C L 2 2 Που σημαίνει ότι το κύκλωμα εισόδου (με τον C) καθορίζει την κατώτερη συχνότητα αποκοπής f =f L 2

22 Ενισχυτικές Διατάξεις 22 Περιοχή υψηλών συχνοτήτων CB Περιοχή Υψηλών συχνοτήτων Επαναλαμβάνουμε την ίδια μεθοδολογία με CE (χρήση ισοδυνάμου με εισαγωγή παρασιτικών χωρητικοτήτων τρανζίστορ, αγνοούμε πυκνωτές σύζευξης) Mller??? Σχ.3.24 Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. Τόσο το κύκλωμα εισόδου όσο και το κύκλωμα εξόδου παρουσιάζουν βαθυπερατή συμπεριφορά Για το κύκλωμα εισόδου (επίδραση Cπ) έχουμε: Για το κύκλωμα εξόδου (επίδραση Cμ) έχουμε: ( Rs // R ) C f 2 R LC f 2 Στην πράξη, σε ενισχυτές CB, έχουμε τ<<τo, που σημαίνει ότι το κύκλωμα εξόδου καθορίζει την ανώτερη συχνότητα αποκοπής f ο =f H