Ενισχυτικές Διατάξεις 1. Πόλωση BJT

Transcript

1 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 ενισχυτών. Π.χ. Η BB ενός τρανζίστορ είναι πρακτικά αδύνατο να είναι αυτή που χρειάζεται το επόμενο ή μεθεπόμενο τρανζίστορ. Θερμική αστάθεια. Θυμηθείτε: db F %/, D B -2 m/ d Bo 100%/10 όπου d η σχετική μεταβολή, D η απόλυτη μεταβολή και Bo το ρεύμα διαρροής λόγω ασυνέχειας της επιφάνειας του ημιαγωγού (τυπικα 100pΑ εξαρτάται φυσικά από την διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες)

2 Ενισχυτικές Διατάξεις 2 Πρακτικά θέματα πόλωσης ενισχυτών Στα διακριτά κυκλώματα κάθε σχεδιαστής έχει την ευκαιρία να αναπτύξει το κύκλωμα δίχως ιδιαίτερους περιορισμούς (με βάση τις σχεδιαστικές κατευθύνσεις βέβαια). Δεν υπάρχουν εξ ορισμου περιορισμοί και υπάρχει η δυνατότητα χρήσης μεγάλης γκάμας υλικών (τιμές, ανοχές κ.λ.π). Ο βασικός περιορισμός στη διακριτή σχεδίαση είναι το μη ταίριασμα ομοειδών τρανζίστορ Μια βασική τοπολογία πόλωσης είναι η χρήση του διαιρέτη τάσης Για να αυξηθεί η θερμική σταθερότητα προστίθεται αντίσταση ανάδρασης μεταξύ εκπομπού γης. BB r s r s B B1 B2 B1 B B2 B B (a) B Bo ' B B Bo ' B D Bo B B b' B + Bo ' b' B v O O B2 /( B1 + B2 ) B (b) ntroduction to electronics analog circuits. Paperno

3 Ενισχυτικές Διατάξεις 3 S S S Πρακτικά θέματα πόλωσης ενισχυτών (συν.) b (1 b F )( B ) (1 b ) B B ( - b F (1 b ) BB - [ B B F F B BoB )( (1 b ) ] F 0 S S B 2 min min ) 1 b S bmin Δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πολύ μικρή B διότι η ισοδύναμη αντίσταση, όχι μόνο θα βραχυκυκλώσει κάποιο ποσό του ΙBO αλλά και ποσοστό του σήματος εισόδου Σε πρακτικές εφαρμογές όπου χρησιμοποιούμε τρανζίστορ με πεπερασμένο β δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πολύ μεγάλη. Η πτώση τάσης στα άκρα της μειώνει δραματικά το εύρος της τάσης εξόδου Προφανώς, θα ήταν ιδανικό το ρεύμα ΙΕ να «παράγεται» από μία πηγή ρεύματος ώστε να αποφύγουμε τις αντιστάσεις r s Bo +D Bo ~75k ~110A B k B1 11 B ~10A B 10 B ~100A B2 4.15k 10 v O ' B 0.5( - Omin ) B B 2 1 1k 1mA ~1mA ~1mA 10 B B O max 0.5( - Omin ) 4.15 O 4.15 ntroduction to electronics analog circuits. Paperno Omin B

4 Ενισχυτικές Διατάξεις 4 Πηγή ρεύματος - Εισαγωγή Το ρεύμα μιας ιδανικής πηγής ρεύματος είναι ανεξάρτητο από την τάση στα άκρα της (αφού η αντίσταση εξόδου είναι άπειρη) Στις ηλεκτρονικές πηγές ρεύματος το ρεύμα εξαρτάται από την τάση εξόδου (αφού η αντίσταση εξόδου είναι πεπερασμένη) urrent source (πηγή ρεύματος) urrent sink (καταβόθρα ρεύματος) Οι υλοποιήσεις πηγών ρεύματος με τρανζίστορ λειτουργούν στο ένα τεταρτημόριο διότι τα τρανζίστορ πρέπει να πολώνονται στην ενεργό περιοχή ή στην περιοχή κόρου ή στην περιοχή αποκοπής προκειμένου να διατηρείται η υψηλή αντίσταση εξόδου Microelectronics, Jaeger - Blalock

5 Ενισχυτικές Διατάξεις 5 Πηγές ρεύματος O B 2 B B o ref - B ref 2 D για το α) ή ref z για το β) o B2

6 Ενισχυτικές Διατάξεις 6 Καθρέπτης ρεύματος Βασική ιδέα Χρειαζόμαστε μια πηγή ρεύματος που να προσφέρει ρεύμα ανεξάρτητο από διακυμάνσεις θερμοκρασίας. Το ρεύμα αυτό (Ρεύμα αναφοράς - ΙF) θα ήταν ιδανικά να μπορούμε να το αναπαράγουμε είτε με μεγαλύτερη είτε με μικρότερη τιμή, διατηρώντας πάντα ως αναπόσπαστη ιδιότητα, τη σταθερότητα του (καθρέπτης) Έτσι θα εξαλείφαμε την ανάγκη για διαφορετικά υποσυστήματα πόλωσης σε ένα σύνθετο (ή ολοκληρωμένο ) κύκλωμα

7 Ενισχυτικές Διατάξεις 7 Καθρέπτης ρεύματος με BJT Θεωρούμε β αρκετά υψηλό ώστε B 0 To ρεύμα αναφοράς διέρχεται από το Q1 (συνδεδεμένο ως δίοδος) δημιουργεί B η B αυτή εφαρμόζεται και μεταξύ Β-Ε του Q2. Aν Q1~Q2 (ή πιο συγκεκριμένα αν το εμβαδό της περιοχής BJ του Q1 είναι ίσο με το εμβαδό της περιοχής BJ του Q2) τότε ΙS1S2 1 2 δηλαδή ΙΟF Για να συμβεί αυτό πρέπει o > +0.3 Αν m O/F και χρειαζόμαστε m 1 τότε φροντίζουμε ώστε το εμβαδό BJ1 να είναι m-πλάσιο του BJ2 Γενικά ισχύει Εναλλακτικά, αν το m είναι ακέραιος, τότε μπορούμε να θεωρήσουμε το Q2 ισοδύναμο με m το πλήθος τρανζίστορ, καθ ένα εκ των οποίων είναι συνδεδεμένο παράλληλα

8 Ενισχυτικές Διατάξεις 8 Καθρέπτης ρεύματος με BJT (συν) Για λεπτομερέστερη ανάλυση, θεωρούμε το β πεπερασμένο Για ταιριασμένα τρανζίστορ έχουμε ότι τα ρεύματα συλλεκτών είναι ίδια. Δεδομένου ότι ΙΟ, ο λόγος m υπολογίζεται ως : Παρατηρήστε ότι όταν β ο λόγος m 1. Στην πράξη όμως (π.χ β ~ 100) έχουμε ένα σφάλμα της τάξης του 2%. Το σφάλμα αυτό επίσης αυξάνεται όσο (για πεπερασμένο β) αυξάνεται το m ενώ η αντίσταση εξόδου είναι Γενικά ισχύει

9 Ενισχυτικές Διατάξεις 9 Αναπαραγωγή ρεύματος σε Αφού μπορέσαμε να παράγουμε ένα σταθερό ρεύμα, τι γίνεται όταν το χρειαζόμαστε σε παραπάνω από ένα σημεία του κυκλώματος αναπαραγωγή Ισχύει Προσοχή: Ι1Ι2 ΙΝ αλλά < ΙF. Όσο αυξάνω στάδια αυξάνεται σφάλμα

10 Ενισχυτικές Διατάξεις 10 Οδήγηση ρεύματος σε Βασική ιδέα αναπαραγωγή ποσοστού του ρεύματος αναφοράς Δυνατότητα για πολλαπλάσια ή υποπολλαπλάσια του ρεύματος αναφοράς r Stage i Stage j Stage k ~ / 2 ~ ~3 / urrent Mirror

11 Ενισχυτικές Διατάξεις 11 Οδήγηση ρεύματος σε Ι (συν.) 0.05mA 0.5mA

12 Ενισχυτικές Διατάξεις 12 Οδήγηση ρεύματος : Εφαρμογή Ολοκληρωμένη λύση για διαφορετικές ανάγκες πηγής ή καταβόθρας ρεύματος, μέσα σε ένα ολοκληρωμένο Παραγωγή σταθερών ρευμάτων διαφόρων τιμών To F καθορίζεται από την αντίσταση και τις τάσεις B των Q1 & Q2 (συνήθως 0.7). Δηλαδή Εδώ, αν όλα τα τρανζίστορ είναι ταιριασμένα

13 Ενισχυτικές Διατάξεις 13 Οδήγηση ρεύματος με διακριτά εξαρτήματα Πολλαπλασιασμός ρεύματος με χρήση διαφορετικών τιμών αντιστάσεων εκπομπού - ln o B2 B1 T ref Αν θέλω Ι ο /Ι ref 2 τότε θα είναι B2 - B1 18m Αν θέλω Ι ο /Ι ref 10 τότε θα είναι B2 - B1 60m B1 ref 1 B2 o 2

14 Ενισχυτικές Διατάξεις 14 Καθρέπτης ρεύματος BJT με αντιστάθμιση ρεύματος βάσης Σκοπός των βελτιωμένων κυκλωμάτων καθρεπτών ρεύματος είναι να ελαχιστοποιήσουμε το σφάλμα να έχουμε μειωμένη εξάρτηση από το β να ελαχιστοποιήσουμε τα ρεύματα βάσης Προσθήκη Q3 παρέχει ρεύματα βάσης Q1 & Q2 Το αποτέλεσμα είναι ότι το άθροισμα των ρευμάτων βάσης διαιρείται με (β3+1) χρειάζεται να «κλέψουμε» πολύ λιγότερο ρεύμα από το F. Θεωρώντας Q1~Q2 ίσα ρεύματα συλλέκτη. Το Q3 πρέπει να δώσει ρεύμα 2/β Χρησιμοποιώντας βb & +B έχω: Άρα το ρεύμα βάσης του Q3 πρέπει να είναι: Έτσι, το ρεύμα εξόδου είναι κατά φορές μικρότερο από το F Αυτό σημαίνει, ότι για π.χ. β100 θα έχω ένα λάθος της τάξης 0.02% (από Αντίσταση εξόδου παραμένει ίδια Αν δεν έχω F αλλά αντίσταση

15 Ενισχυτικές Διατάξεις 15 Καθρέπτης ρεύματος Wilson Η ανάλυση του διευκολύνεται ξεκινώντας από το του Q2. To ΙΒ που απαιτείται για να δημιουργηθεί το προαναφερθεν ρεύμα συλλέκτη είναι /β (το ίδιο φυσικά θα είναι και για το Q1) Αυτό σημαίνει ότι το ρεύμα που απαιτείται να δώσει το Q3 θα είναι. Άρα ρεύμα βάσης για το Q3 Συνεπώς το O είναι φορές μικρότερο του F. Αυτό σημαίνει ότι το σφάλμα θα είναι ίδιο με πριν ΑΛΛΑ: Η αντίσταση εξόδου

16 Ενισχυτικές Διατάξεις 16 Πηγή ρεύματος Widlar ΠΡΟΣΟΧΗ: είναι ΠΗΓΗ ρεύματος και ΌΧΙ ΚΑΘΡΕΠΤΗΣ ρεύματος ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ: θέλουμε χαμηλό ρεύμα (π.χ. 10μΑ) και έχουμε 1+5 and 2-5, οπότε η απαιτούμενη αντίσταση (για ΙF) θα είναι: B 1 F 930kΩ Σε Ι έχουμε χωρικό πρόβλημα για >1ΜΩ Προσθήκη αντίστασης στο Q2 Συνεπώς, για ταιριασμένα τρανζίστορ, τα ρεύματα συλλεκτών 1 και 2 ΔΕΝ μπορεί να είναι ίδια B 0.7 B1 B B O 1 2 B1 -B 2 O B 2 T ln T ln F S O S B1 - O B 2 T T ln ln F O O F T O ln F O ΔΗΛΑΔΗ ο λόγος ρευμάτων καθορίζεται από την ΤΙΜΗ της

17 Ενισχυτικές Διατάξεις 17 Πηγή ρεύματος Widlar (συν.) H αντίσταση εξόδου («κοιτώντας» από το συλλέκτη του Q2), προσδιορίζεται με τη βοήθεια του ισοδυνάμου Η αντίσταση εξόδου («κοιτώντας» μέσα από τη βάση του Q1) O1 r 1 r 1 o1 1 r 2 gm 1 O1 σε σειρά με rπ2 και αφού O1 <<r π2, η επίδραση της O1 μπορεί να παραληφθεί. Στην πράξη η βάση του Q2 είναι γειωμένη. Συνεπώς, η αντίσταση εξόδου από το συλλέκτη του Q2 είναι (με βάση το ισοδύναμο) x x O r o2 Συνήθως 1 1 r g 2 m2 1 ro 2 gm 2 ' οπότε r g O o2 1 m2 r o2 ' όπου r 2 ΑΡΑ η αντίσταση εξόδου της πηγής ρεύματος widlar είναι ' μεγαλύτερη κατά 1 φορές από του απλού 2 καθρέπτη ρεύματος

18 Ενισχυτικές Διατάξεις 18 Πόλωση με καθρέπτη ρεύματος Η ελάχιστη τάση εξόδου του καθρέπτη ρεύματος O(min), επηρεάζει τη μέγιστη διακύμανση της τάσης εξόδου του ενισχυτή, OUT. OUT O - (min) 2 2 (sat) Για καθρέπτη ρεύματος Wilson θα έχω O O (min) - B (sat) Συνεπώς, η O(min) απαιτείται να είναι μεγαλύτερη στον καθρέπτη Wilson απ ότι στον απλό ΠΡΟΣΟΧΗ: θυμηθείτε ότι αυξημένη O(min) πρακτικά σημαίνει μικρότερο εύρος διακύμανσης για την τάση εξόδου OUT, του ενισχυτή. Η παρατήρηση αυτή είναι σημαντική, όταν σχεδιάζουμε διατάξεις χαμηλής κατανάλωσης

19 Ενισχυτικές Διατάξεις Δίνεται ο απλός καθρέπτης ρεύματος διπολικών στοιχείων του Σχ. 6.8 για την περίπτωση που τα Q 1 και Q 2 είναι πανομοιότυπα και έχουν S A. (α) Υποθέτοντας ότι η παράμετρος β των τρανζίστορ είναι πού υψηλή, βρείτε το εύρος τιμών των B και O που αντιστοιχούν σε αύξηση του F από 10 μα σε 10 ma. Υποθέστε ότι το Q 2 παραμένει στην ενεργή κατάσταση και αγνοήστε το φαινόμενο arly. (β) Βρείτε το εύρος του 0 που αντιστοιχεί σε εύρος τιμών του F από 10 μa έως 10 ma, συνυπολογίζοντας το πεπερασμένο β. Υποθέστε ότι το β παραμένει σταθερό σε τιμή 100 για ένα εύρος τιμών ρεύματος 0,1 ma έως 5 ma, αλλά ότι σε ρεύμα 10mA, το β70. Καθορίστε το 0 που αντιστοιχεί σε F, 0.1mA, 1mA και 10mA. Παρατηρήστε ότι η διακύμανση του β ανάλογα με την τιμή ρεύματος προκαλεί αντίστοιχη διακύμανση στο λόγο μεταφοράς ρεύματος.

20 Ενισχυτικές Διατάξεις Δίνεται ο απλός καθρέπτης ρεύματος διπολικών στοιχείων του Σχ. 6.8 με τα Q 1 και Q 2 ταιριασμένα και το F 2mA. Αγνοώντας την επίδραση του πεπερασμένου β, βρείτε την μεταβολή στο O, τόσο σαν απόλυτη τιμή όσο και σαν ποσοστό, που αντιστοιχεί σε αλλαγή της O από 1 σε 10. Η τάση arly είναι Το κύκλωμα πηγής ρεύματος του Σχ Π6.33 χρησιμοποιεί ένα ζεύγος ταιριασμένων pnp τρανζίστορ που έχουν S A, β 50, και A 50. Ζητείται να σχεδιάσετε το κύκλωμα με τρόπο ώστε να παρέχει ρεύμα εξόδου O 1mA σε O 2. Ποιές τιμές των F και απαιτούνται; Ποιά είναι η μέγιστη επιτρεπτή τιμή της O για την οποία συνεχίζει να λειτουργεί σωστά η πηγή ρεύματος; Πόσο μεταβάλλεται το O σε αντιστοιχία με την αλλαγή της O από τη μέγιστη θετική τιμή σε 5.

21 Ενισχυτικές Διατάξεις Βρείτε τις τάσεις σε όλους τους κόμβους κα τα ρεύματα που διαρρέουν όλους τους κλάδους στο κύκλωμα του Σχ. Π6.34. Υποθέστε ότι B 0.7 και β

22 Ενισχυτικές Διατάξεις Για τον καθρέπτη ρεύματος με αντιστάθμιση ρεύματος βάσης που παρουσιάζεται στο ΣΧ. 6.59, έστω ότι τα τρία τρανζίστορ είναι ταιριασμένα και έχουν ρεύμα συλλέκτη 1mA σε B 0.7. Για ρεύμα F 100μΑ και υποθέτοντας β200, πόση θα είναι η τάση στον κόμβο χ; Εάν αυξηθεί το F σε 1mA, πόση είναι η μεταβολή στην x ; Πόσο ρεύμα O επιτυγχάνεται στις δύο περιπτώσεις; Δώστε την ποσοστιαία διαφορά μεταξύ της πραγματικής και της ιδανικής τιμής του Ο. Ποια είναι η ελάχιστη τάση στην έξοδο για την οποία το κύκλωμα διατηρεί τη λειτουργία του ως πηγή ρεύματος; Επεκτείνετε το κύκλωμα καθρέπτη ρεύματος του Σχ ώστε να έχει n εξόδους. Ποιός είναι ο λόγος μεταφοράς ρεύματος από την είσοδο προς κάθε έξοδο, O ; Εαν η F απόκλιση από τη μονάδα πρόκειται να κρατείται σε 0.1% ή λιγότερο, ποιός είνα ο μέγιστος δυνατός αριθμός εξόδων, για BJT τρανζίστορ με β100;

23 Ενισχυτικές Διατάξεις 23 Ενεργά Φορτία ΣΚΟΠΟΣ: διατήρηση της μέγιστης απολαβή ασθενούς σήματος για δεδομένη, με τοποθέτηση του Q στο μέσο της ευθείας φόρτου: O 0.5. i ' g' m Q' Q i c i c i c i ' Q' Q B ' B Ωμικό φορτίο (στατικό): καμία διαφορά τιμής μεταξύ στατικής & δυναμικής κατάστασης Ενεργό φορτίο (δυναμικό): διαφορά τιμής μεταξύ στατικής & δυναμικής κατάστασης. ' B B v B /2 /2 v Για να γίνει κατανοητή η διαφορά των παραπάνω, ας εξετάσουμε τη συμπεριφορά του βασικού με στατικό φορτίο, με O 0.5 BB A v - g - m T ( r o ) - r T o -g 2 m v O BB v h fe be h ie r i o be o /2 r o απολαβή r BB vτάσηs s για ασθενή M 0 h fe h fe r o v be 0 h ie h ie 0 v be δεδομένη είναι L και 0 η Α v O r o o /2 ΑΡΑ, στον βασικό, η σήματα εξαρτάται συντριπτικά από την cc. ΑΦΟΥ η cc είναι δεδομένη, - 2 T o 300 K o r v be 0 h ie 0 h fe v be r o o

24 Ενισχυτικές Διατάξεις 24 Ενεργά Φορτία (ΙΙ) Αν αυξήσω την c? ΔΕΝ πρόκειται να αυξηθεί η Α. Γιατί? παρατηρήστε ότι για να παραμείνει O 0.5, το πρέπει να μειωθεί. Όμως μείωση του μειώνει την και συνεπώς η Α δεν μεταβάλλεται. Προφανώς για να αυξήσουμε την απολαβή ασθενούς σήματος ΠΡΕΠΕΙ να διατηρήσουμε την ίδια ΧΩΡΙΣ να μειωθεί το. Αυτό είναι δυνατό ΜΟΝΟ στην περίπτωση που έχουμε μη-γραμμικό φορτίο (κόκκινη γραμμή) i ' g' m Q' Q i ' B B v B /2 /2 i c i c i c ' Q' BB Q B ' B v v O o /2 v O o /2 Η νέα Ε.Φ. έχει μικρότερη κλίση (μεγαλύτερη δυναμική αντίσταση) από την Ε.Φ. με στατικό φορτίο, στο ίδιο Q. BB r BB M 0 v h fe be h ie r i o be r o r o h fe v be 0 h ie h ie 0 h fe v be r o L 0 o r v be 0 h ie 0 h fe v be r o o

25 Ενισχυτικές Διατάξεις 25 Ενεργά Φορτία (ΙΙ) i i i c i c B Q Q ' g' m Q' ' Q' ' B i c ' B B v B /2 /2 v Αλλάζοντας το στατικό φορτίο με transistor ίδιο με το transistor του βασικού και παρέχοντας στο νέο transistor το ίδιο Q, ΜΠΟΡΟΥΜΕ να αυξήσουμε το δυναμικό φορτίο ΧΩΡΙΣ να μειώσουμε το and BB A v - g m ro 2 A - T 2 A BB v O o /2 r BB v O o /2 - A 2 T A 100 o 300 K m M 0 ΤΕΛΙΚΑ η απολαβή ασθενούς σήματος A αυξάνεται κατά μία τάξη μεγέθους v h fe be h ie r i o be r o r o h fe v be 0 h ie L 0 h ie 0 h fe v be r o o Περαιτέρω αύξηση δεν είναι δυνατή χωρίς αύξηση της A or r o των transistors. r v be 0 h ie 0 h fe v be r o o