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

Transcript

1 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) Να προσδιορίσετε την ενίσχυση τάσης Α / στην περιοχή των μεσαίων συχνοτήτων. Για τον προσδιορισμό της Α να χρησιμοποιήσετε το απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα του τρανζίστορ που επίσης δίνεται στο παρακάτω σχήμα. (α) Εφαρμόζουμε τον ο κανόνα Krchh στους βρόχους και του κυκλώματος στο συνεχές ρεύμα, όπου οι πυκνωτές λειτουργούν ως ανοιχτοκυκλώματα: Βρόχος : Βρόχος : V V I I V V I V V E E I β I I V V I I 6.mA V μa E E E Επομένως, το σημείο λειτουργίας είναι το: Q (6. ma,.8 V).8V

2 (β) Το ισοδύναμο κύκλωμα του ενισχυτή στο εναλλασσόμενο έχει ως εξής (οι πυκνωτές στις μεσαίες συχνότητες λειτουργούν ως βραχυκυκλώματα): b h e h e b _ // 0.909kΩ, // h e.49kω 0. h e b b, b h e h e A 40. ΘΕΜΑ ο ( μονάδες): Για τον ενισχυτή του παρακάτω σχήματος δίνονται: Α m 6 (μέτρο ενίσχυσης τάσης στις μεσαίες συχνότητες),. kω, 60 kω, 5 kω, kω, kω, 0 μf, 0.5 μf. Να προσδιορίσετε την κατώτερη και την ανώτερη συχνότητα αποκοπής και να χαράξετε την απόκριση συχνότητας μέτρου του ενισχυτή (μέτρο ενίσχυσης τάσης σε d συναρτήσει του lg ). Το τρανζίστορ είναι πολωμένο στην ενεργό περιοχή και έχει τις εξής παραμέτρους: r π.5 kω, π 0 pf, μ pf, g m 00 ms. Για τον προσδιορισμό της ανώτερης συχνότητας αποκοπής να χρησιμοποιήσετε το ισοδύναμο κύκλωμα του τρανζίστορ στις υψηλές συχνότητες, που επίσης δίνεται στο παρακάτω σχήμα. Δίνεται ότι: lg 6.4. eq π μ ( g ) // m

3 Για να προσδιορίσουμε την απόκριση συχνότητας μέτρου του ενισχυτή ακολουθούμε την τεχνική σταδιακής ανάλυσης κατά περιοχές συχνοτήτων. Στην περιοχή των μεσαίων συχνότητες, είναι δεδομένο το μέτρο της ενίσχυσης: Α m 6. Στην περιοχή των χαμηλών συχνοτήτων, επειδή συνυπάρχουν οι επιδράσεις των δύο εξωτερικοί πυκνωτές ζεύξης, προσδιορίζουμε την απόκριση συχνότητας θεωρώντας τη δράση καθενός από τους δύο πυκνωτές χωριστά και λαμβάνοντας στο τέλος τη συνδυασμένη δράση όλων των δύο πυκνωτών. Θεωρούμε αρχικά ότι επιδρά στο κύκλωμα μόνο ο πυκνωτής (ενώ ο λειτουργεί ως βραχυκύκλωμα) και στη συνέχεια ότι επιδρά μόνο ο πυκνωτής (ενώ ο λειτουργεί ως βραχυκύκλωμα) και σχεδιάζουμε το ισοδύναμο μοντέλο του ενισχυτή για τις δύο παραπάνω περιπτώσεις: // 7.65kΩ, // rπ.7 kω Στο πρώτο από τα παραπάνω ισοδύναμα, η σταθερά χρόνου (οπότε και η συχνότητα αποκοπής) προσδιορίζεται από το κύκλωμα εισόδου, το οποίο λειτουργεί ως υψηπερατό κύκλωμα: τ ( ) 44.7 m.56 Hz πτ Στο δεύτερο ισοδύναμο, η σταθερά χρόνου (οπότε και η συχνότητα αποκοπής) προσδιορίζεται από το κύκλωμα εξόδου, το οποίο επίσης λειτουργεί ως υψηπερατό κύκλωμα: τ ( ) m 59. Hz πτ Επειδή, > η κυρίαρχη συχνότητα στην περιοχή χαμηλών συχνοτήτων είναι η. Άρα η κατώτερη συχνότητα αποκοπής του ενισχυτή είναι: 59. Hz.

4 Στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων, η συχνότητα αποκοπής προσδιορίζεται με ανάλυση του τροποποιημένου κατά Mller ισοδύναμου μοντέλου του ενισχυτή που λαμβάνει υπόψη τις παρασιτικές χωρητικότητες του τρανζίστορ, θεωρώντας ως βραχυκυκλώματα τους εξωτερικούς πυκνωτές ζεύξης. // 0.5kΩ, eq ( g π m ) μ pf Το κύκλωμα εισόδου και το κύκλωμα εξόδου έχουν βαθυπερατή συμπεριφορά και οι αντίστοιχες σταθερές χρόνου και συχνότητες αποκοπής έχουν ως εξής: τ ( // )eq 70.5n khz πτ τ ο μ.5n 06.6 MHz πτ Επειδή, < η κυρίαρχη συχνότητα στην περιοχή υψηλών συχνοτήτων είναι η. Άρα η ανώτερη συχνότητα αποκοπής του ενισχυτή είναι: Η khz. Η συνάρτηση μεταφοράς του ενισχυτή προσεγγίζεται από την παρακάτω σχέση: A () j H Am j και η καμπύλη της απόκρισης συχνότητας του ενισχυτή (μέτρο ενίσχυσης τάσης σε d συναρτήσει του lg ) έχει ως εξής: 0 lg d, lg59.., lg A (d) 8 5 Hz 0 Hz 00 Hz khz 0 khz 00 khz MHz g 59. Hz H khz H

5 ΘΕΜΑ ο ( μονάδες): Δίνεται ενισχυτής με ενίσχυση χωρίς ανατροφοδότηση ίση με 5000 στον οποίο εφαρμόζεται αρνητική ανατροφοδότηση τέτοια ώστε το ένα εκατοστό του σήματος εξόδου να επιστρέφει στην είσοδο του. Να υπολογιστεί η τελική ενίσχυση του ενισχυτή με ανατροφοδότηση και εάν για κάποιο λόγο η ενίσχυση χωρίς ανατροφοδότηση γίνει διπλάσια να υπολογιστεί το ποσοστό αύξησης της ενίσχυσης με ανατροφοδότηση. Αφού εφαρμόζεται αρνητική ανατροφοδότηση τέτοια ώστε το ένα εκατοστό του σήματος εξόδου να επιστρέφει στην είσοδο του, τότε: β / και ισχύει η παρακάτω σχέση: A 5000 A A 98 β Α Εάν διπλασιαστεί η ενίσχυση χωρίς ανατροφοδότηση (Α), τότε: 0000 A 0000 A Παρατηρούμε ότι ενώ η ενίσχυση χωρίς ανατροφοδότηση διπλασιάστηκε (δηλ. το ποσοστό αύξησης της ενίσχυσης χωρίς ανατροφοδότηση είναι 00%), η ενίσχυση με ανατροφοδότηση αυξάνεται μόνο κατά περίπου %: Ποσοστό αύξησης Αύξηση Αρχική τιμή % % ΘΕΜΑ 4ο (.5 μονάδες): Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος που περιλαμβάνει ιδανικό τελεστικό ενισχυτή, η πηγή παράγει ημιτονικό σήμα (τάση) πλάτους V και συχνότητας kηz, ενώ η E αποτελεί πηγή συνεχούς τάσης V. Προσδιορίστε την τάση εξόδου ( ) σε σχέση με τη και χαράξτε στους ίδιους άξονες τις κυματομορφές των και. Δίνονται: kω. Με βάση την αρχή της επαλληλίας, σε κυκλώματα στα οποία υπάρχουν πολλά σήματα εισόδου (πηγές τάσης), το σήμα εξόδου μπορεί να προκύψει από το άθροισμα

6 των επιμέρους σημάτων εξόδου που προκύπτουν εάν κάθε φορά λάβουμε υπόψη μόνο μία πηγή και θεωρήσουμε τις υπόλοιπες βραχυκυκλώματα. Παρατηρούμε ότι όταν Ε 0, το κύκλωμα λειτουργεί ως ενισχυτής αρνητικής ενίσχυσης, οπότε: Ενώ όταν 0, το κύκλωμα λειτουργεί ως ενισχυτής θετικής ενίσχυσης, οπότε: E E V. Επομένως, η τάση εισόδου προκύπτει από το άθροισμα των επιμέρους σημάτων εξόδου:. Στο ίδιο αποτέλεσμα θα καταλήξουμε και εάν χρησιμοποιήσουμε τη μέθοδο ανάλυσης των κόμβων, δηλ. να εφαρμόσουμε τον ο κανόνα Krchh στον κόμβο του ακροδέκτη αντιστροφής, εξισώνοντας το άθροισμα των αγωγιμοτήτων (δηλ. των αντίστροφων αντιστάσεων) που ξεκινούν από τον κόμβο αυτό πολλαπλασιασμένο με την τάση του, με το άθροισμα των γινομένων των αγωγιμοτήτων αυτών με τις τάσεις των κόμβων στους οποίους καταλήγουν. Χρησιμοποιούμε την ιδιότητα αντιγραφής τάσεων στους ακροδέκτες του ιδανικού τελεστικού ενισχυτή: _ E και καταλήγουμε εύκολα στο ίδιο αποτέλεσμα με εκείνο που καταλήξαμε με εφαρμογή της μεθόδου επαλληλίας: E E Με βάση τα δεδομένα της άσκησης το σήμα εισόδου έχει πλάτος (μέγιστη τιμή) V και περίοδο: T / / khz m. Τα σήματα και φαίνονται στο παρακάτω διάγραμμα: V V V 0V - V 0m m m m 4m Χρόνος