«Ενισχυτές με διπολικό transistor»

Transcript

1 ΗΥ335: Προχωρημένη Ηλεκτρονική «Ενισχυτές με διπολικό transistor» Φώτης Πλέσσας ΤΗΜΜΥ

2 Δομή Πόλωση Αρχές ενίσχυσης Μοντέλα και υλοποιήσεις μικρού σήματος για BJT ΤΗΜΜΥ 2

3 Σκοπός αυτής της διάλεξης Να δείξουμε πως τα transistors μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ενισχύσουν ένα σήμα. amplifier ΤΗΜΜΥ 3

4 Βασική Ιδέα Βήμα 1: Να φέρουμε το transistor σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο DC biasing Βήμα 2: Να οδηγήσουμε ένα μικρό σήμα στην είσοδο και να πάρουμε μια μεγαλύτερη έξοδο coupling 0.6V amplifier 7V ΤΗΜΜΥ 4

5 Πόλωση του τρανζίστορ Για να φέρουμε το transistor σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο DC πρέπει να θέσουμε την V CE και το I C VCC=10V RB RL IC Ας βρούμε τις R B και R L αν υποθέσουμε ότι θέλουμε τις παρακάτω συνθήκες: I C = 10 ma και V CE = 5 V Ξεκινάμε από το V BE 0.7 V. Τότε, I B = (10 V BE )/ R B = (10 0.7)/ R B IB VCE I C = βi B = 100 (10 0.7)/ R B = 10 ma VBE Transistor: β = 100 Επίσης, V CE = 10 R L I C οπότε, 5 = R L Άρα, R L = 0.5kΩ Άρα, R B = 94kΩ ΤΗΜΜΥ 5

6 Κακή πόλωση εξαρτώμενη από το β Ας υποθέσουμε ότι δοκιμάζουμε στο εργαστήριο να υλοποιήσουμε το κύκλωμα με R B = 94kΩ και R L = 0.5kΩ και να δούμε τα αποτελέσματα. VCC=10V εντελώς λάθος! Δεν παίρνουμε I C = 10mA και V CE = 5V RB VBE RL IB Transistor: β = 100 VCE IC Αυτό είναι ένα κακό κύκλωμα πόλωσης! Στηρίζεται στην ακρίβεια του β, αλλά το β μπορεί να διαφέρει μέχρι και ±50% σε σχέση με ότι αναφέρεται στο datasheet. ΤΗΜΜΥ 6

7 Μία ελαφρώς καλύτερη μέθοδος πόλωσης Στόχος είναι να βρούμε τις αντιστάσεις έτσι ώστε I C = 10mA και V CE = 5V VCC=10V RB1 RB2 RL IB VBE VCE IC Αν το I Β είναι μικρό μπορούμε να γράψουμε: R B2 B1 Αν υποθέσουμε ότι παίρνουμε I C = 10mA τότε R L = 0.5kΩ. Επίσης, μπορούμε να ξεκινήσουμε με R B1 = 940Ω and R B2 = 60Ω. Αυτές θα εξασφαλίσουν ότι το I B θα είναι πολύ μικρότερο από το ρεύμα που ρέει μέσω των R B1 and R B2. B1 R R B2 R R B Στην πράξη πρέπει να «τριμάρουμε» την R B1 ή την R B2 έτι ώστε η V CE να είναι ακριβώς 5V. ΤΗΜΜΥ 7

8 Μία πολύ καλύτερη μέθοδος πόλωσης emitter degeneration Στόχος και πάλι είναι να βρούμε τις αντιστάσεις έτσι ώστε I C = 10mA και V CE = 5V VCC=10V Θέτουμε την V E = 2V. Τότε, R E = 2V/10mA = 0.2kΩ. RB1 RB2 RL IB VE VCE RE IC Για να πάρουμε V CE = 5V η R L = 0.3kΩ. Επίσης έχουμε V B = V E 0.6. Οπότε, αν το I B είναι μικρό σε σχέση με το IR B1 και το IR B2, έχουμε: RB 1 74 R 26 B2 Έτσι, R B1 = 740Ω και R B1 = 260Ω. Σημείωση: το β δεν έχει χρησιμοποιηθεί στους υπολογισμούς!! ΤΗΜΜΥ 8

9 Σταθερή (καλή πόλωση) πόλωση VCC=10V Σύνοψη της μεθόδου πόλωσης με emitter degeneration (εκφυλισμός): Επιλέγουμε τα V E, I C και V CE. RB1 VB RB2 RL IB VE VCE IC RE R E R L Χρησιμοποιούμε την V BE 0.6 για να υπολογίσουμε την V B. Και στη συνέχεια την : Για να επιλέξουμε τις R B1 και R B2 έτσι ώστε το I B ναι είναι πολύ μικρότερο από το ρεύμα που ρέει στις R B1 και R B2. R R B1 B2 V 10 V B B ΤΗΜΜΥ 9

10 Ορολογία Οι παρακάτω όροι είναι ίδιοι: Biasing point Quiescent point Operating point (OP) DC point ΤΗΜΜΥ 10

11 Εναλλακτική ματιά της πόλωσης VCC IC RL RL VR VCC VCE IC Load line Slope=1/RL VBE IC VCE operating point VCE VCC ΤΗΜΜΥ 11

12 Τι ελέγχει το operating point; VCC IC IC Load line RL Slope=1/RL a bigger VBE VBE VCE operating point a smaller RL VCC VCE Συμπέρασμα: Η V BE ή το I B ελέγχουν το OP Η R L επίσης ελέγχει το OP ΤΗΜΜΥ 12

13 Τι συμβαίνει αν η VΒΕ μετακινείται πάνωκάτω; V CC I C Load line Slope=1/R L R IC L a bigger L VBE = 0.65 VBE VCE a smaller VBE = 0.6 VCC VCE Το OP επίσης μετακινείται πάνωκάτω μαζί με τη γραμμή φορτίου. Η V CE επίσης μετακινείται πάνωκάτω. Τυπικά, όταν η V BE μετακινείται ελαφρά, η V CE μετακινείται αρκετά! Αυτό ονομάζεται: ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΗΜΜΥ 13

14 Υπολογισμός του κέρδους τάσης V VCE Ερώτηση: ποιο είναι το ; V V IN BE VCC Από νόμο του Ohm: RL IC V CE = V CC I C R L V CE = R L I C VBE VCE Τι συσχετίζει το I C και το V BE ; Από την προηγούμενη διάλεξη: transconductance g m I V C BE Οπότε, V V CE BE g m R L ΤΗΜΜΥ 14

15 Ενισχυτής κοινού εκπομπού Αυτό που έχουμε μελετήσει λέγεται ενισχυτής κοινού εκπομπού. VCC RB1 RL IC Σύνοψη: Το κέρδος τάσης μικρού σήματος είναι = g m R L RB2 vbe vce Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να αυξήσουμε το κέρδος αυξάνοντας το g m ή/και την R L Η κυματομορφή εξόδου έχει αντίθετη φάση ΤΗΜΜΥ 15

16 Πώς οδηγούμε το σήμα στον ενισχυτή; VCC RL RB1 IC v in ~? v CE = V CE v CE ±20mV ~ RB2 VBE v in or v CE ΤΗΜΜΥ 16

17 Συμβολισμοί ~ v CE = V CE v CE = Total signal a B DC point A B Total signal(large signal) small signal ή ac signal Small signal ~ a B ή Δa B ή a b operating point ή DC value ή quiescent point ΤΗΜΜΥ 17

18 Λύση: Η προσθήκη του ίδιου DC level ακριβώς η ίδια πόλωση Είναι αδύνατο να βρεθεί μια πηγή τάσης ίδιας τιμής με την ακριβή τάση μεταξύ ΒΕ Η V BE μπορεί να είναι V που καθορίζεται από το δίκτυο R B1, R B2 και τα χαρακτηριστικά του transistor Πώς θα εφαρμόσουμε την ακριβή V BE ; ΤΗΜΜΥ 18

19 Η εκπληκτική πηγή τάσης: πυκνωτής VCC Η τάση στον πυκνωτή είναι ακριβώς ίση με V BE γιατί το DC ρεύμα πρέπει να είναι μηδέν RB1 RL 0A VCE VC RB2 VBE IC ΤΗΜΜΥ 19

20 Λύση: χρήση πυκνωτή σύζευξης H DC τάση είναι ακριβώς ίδια με την τάση πόλωσης V BE RB1 VCC RL IC Αυτός ονομάζεται πυκνωτής σύζευξης (coupling) ±20mV ~ RB2 vin vbe vce ΤΗΜΜΥ 20

21 Πλήρης ενισχυτής common emitter VCC RB1 RL IC vce ~ vo ~ RB2 vbe vin coupling capacitors (αρκετά μεγάλοι έτσι ώστε να γίνονται βραχυκυκλώματα στην συχνότητα του σήματος) ΤΗΜΜΥ 21

22 Μπορούμε να απλοποιήσουμε την ανάλυση; Ενδιαφερόμαστε κυρίως για τα ac σήματα. Η DC πόλωση δεν έχει σημασία! Μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα απλό κύκλωμα για να δούμε μόνο τα ac σήματα; ~ common emitter ~ amplifier vin vo ΤΗΜΜΥ 22

23 Μοντέλο μικρού σήματος Δύο βασικές ερωτήσεις: ~ common emitter?? ~ amplifier vin vo 1. Ποια είναι η αντίσταση που «φαίνεται» εδώ; 2. Ποιο είναι το ισοδύναμο Thévenin ή Norton που «φαίνεται» εδώ; ΤΗΜΜΥ 23

24 Μοντέλο μικρού σήματος του BJT: στόχοι Να βρεθούν τα: r in, R o, G m ή τα r in, R o, A m r in Gm v in R o r in R o A m v in Ισοδύναμο Norton Ισοδύναμο Thévenin ΤΗΜΜΥ 24

25 Υπολογισμός του μοντέλου μικρού σήματος Είσοδος: ib για μικρό σήμα: vbe όπου g m είναι η διαγωγιμότητα του BJT ΤΗΜΜΥ 25

26 Υπολογισμός του μοντέλου μικρού σήματος Έξοδος: VCC RL IC vce για μικρό σήμα: ~ g m v BE RL ~ vce όπου g m είναι η διαγωγιμότητα του BJT ΤΗΜΜΥ 26

27 Υπολογισμός του μοντέλου μικρού σήματος VCC Έξοδος: Συμπεριλαμβάνεται το Early effect ~ g m v BE ro RL ~ vce RL IC vce Όπου r o είναι η αντίσταση εξόδου/early του BJT. r o = V A /I C, V A είναι τυπικά περίπου 100V. Πρόχειρη εκτίμηση: r o =. ΤΗΜΜΥ 27

28 Αρχικό μοντέλο μικρού σήματος για το BJT MUST REMEMBER Παράμετροι μικρού σήματος του BJT: g m I C I C kt q VT r V ro I g m A C V T είναι η θερμική τάση 25mV V A είναι η τάση Early, τυπικά ~ 100V ΤΗΜΜΥ 28

29 Παράδειγμα: ενισχυτής κοινού εκπομπού Υποθέτουμε πως όλο οι πυκνωτές σύζευξης είναι αρκετά μεγάλοι ώστε να θεωρούνται βραχυκυκλώματα στη συχνότητα του σήματος VCC B H VCC είναι 0 στο ac C RL RB1 RL RB1 RB1 rπ ~ g m v BE ro vin RB2 vo vbe E E ΤΗΜΜΥ 29

30 Πλήρες μοντέλο για τον ενισχυτή κοινού εκπομπού Πλήρες μοντέλο: Συνολική αντίσταση εισόδου Rin RB 1 RB2 r Συνολική αντίσταση εξόδου Απλοποιημένο μοντέλο: v v o in R R Κέρδος τάσης g m o L r o RL ro gmrl ΤΗΜΜΥ 30

31 Εναλλακτικό μοντέλο για τον ενισχυτή κοινού εκπομπού Έξοδος με μορφή ισοδύναμου Thévenin: Συνολική αντίσταση εισόδου Rin RB 1 RB2 r Συνολική αντίσταση εξόδου R R o L r o v v o in Κέρδος τάσης g m RL ro gmrl ΤΗΜΜΥ 31

32 Περισσότερα για το ενισχυτή κοινού εκπομπού Λόγω της μεγάλης αντίσταση εξόδου (R L r o R L ), ο ενισχυτής κοινού εκπομπού είναι ένας κακός διαιρέτης τάσης. Αυτό σημαίνει ότι δεν είναι καλή ιδέα η χρήση αυτού του ενισχυτή για φορτία μικρότερα από την R L. Άρα δεν είναι κατάλληλος για να «δώσει» ρεύμα σε ένα φορτίο. 1kΩ, για παράδειγμα RL ro ~ vin RB1 RB1 rπ v BE vo Ουσιαστικά δεν υπάρχει έξοδος 10Ω ~ gm(rl ro) vbe ΤΗΜΜΥ 32

33 Κακή ιδέα λάθος χρήση του ενισχυτή κοινού εκπομπού Transconductance: gm IC / 25mV 2/ A / V g Αναμενόμενο κέρδος: m R L ( 0.2)(1k ) 200 Όμως το κύκλωμα εξόδου είναι: Το πραγματικό κέρδος είναι: x ΤΗΜΜΥ 33

34 Κατάλληλη χρήση του ενισχυτή κοινού εκπομπού Το φορτίο πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερο από την R L. Τώρα το κύκλωμα εξόδου είναι: Το πραγματικό κέρδος είναι: x 200 ΤΗΜΜΥ 34

35 Πως μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον ενισχυτή στην πράξη; Πως θα συνδέσουμε το φορτίο; RB1 10V 5mA 1kΩ RB2 vbe vin? speaker vo 10Ω ΤΗΜΜΥ 35

36 Ακόλουθος εκπομπού Συνθήκες πόλωσης: RB1 10V RB2 vin RE IC στα 10mA VCE στα 5V vo Τάση στη βάση 5.6V Τάση στον εκπομπό 5V Ρέυμα στον συλλέκτη 10mA R E = 500Ω R B1 /R B2 44/56 Έστω R B1 =440kΩ και R B2 =560kΩ V E = V B 0.6 οπότε για μικρό σήμα, V E = V B ή v o = v in Κέρδος = v o / v in = 1 ΤΗΜΜΥ 36

37 Μοντέλο μικρού σήματος για τον ακόλουθο εκπομπού 10V B C RB1 g m v RB1 RB2 BE E E RB2 vin vo RE RE vo rπ ~ ro ΤΗΜΜΥ 37

38 Μοντέλο μικρού σήματος για τον ακόλουθο εκπομπού vin RB1 RB2 i B C B rin E rπ ~ g m v BE E ro vo RE r in H αντίσταση εισόδου είναι: r r v i in B v i E B v BE v i B r (1 ) R E E i E v i BE B v i ve /(1 ) E B Η οποία είναι πολύ μεγάλη (καλό)!! ΤΗΜΜΥ 38

39 Η αντίσταση εξόδου είναι: που είναι πολύ μικρή (καλό)!! B C rπ ro im E E rout vm RE g m v BE ~ Μοντέλο μικρού σήματος για τον ακόλουθο εκπομπού BE m B E BE m m out v g i i v i v r m E E m E E E g r R v g r v i v m E m m E g R g g R m E g R 1 ΤΗΜΜΥ 39

40 Μοντέλο μικρού σήματος για τον ακόλουθο εκπομπού Ισοδύναμο Thevenin: πολύ μεγάλη R E (1/g m ) πολύ μικρή v in r π (1 β)r E v o 1 v in Μεγάλη αντίσταση εισόδου Μικρή αντίσταση εξόδου Κέρδος τάσης = 1 Δεν «τραβάει» ρεύμα από το προηγούμενο στάδιο Καλό για κάθε φορτίο ΤΗΜΜΥ 40

41 Ένας βελτιωμένος emitter follower 10V RB1 Η αντίσταση εισόδου είναι πολύ μεγάλη γιατί R E =. Η αντίσταση εξόδου είναι 1/g m. vin RB2 vo IE 1/gm Gain = 1. Το κύκλωμα αυτό ονομάζεται και στάδιο εξόδου CLASS A. ΤΗΜΜΥ 41

42 Ενισχυτής κοινού εκπομπού με ακόλουθο εκπομπού ως απομονωτή 10V RB1 RL emitter follower (μοναδιαίο κέρδος) vin RB2 vbe speaker IE 1 10Ω commonemitter amplifier (υψηλό κέρδος) gm vo ΤΗΜΜΥ 42

43 Επιπλέον σκέψεις Επηρεάζουν οι αντιστάσεις πόλωσης το κέρδος; Rbias RL Φαίνεται πως όχι, αφού το κέρδος = g m R L το οποίο δεν εξαρτάται από την R bias. vo vin Όπως μια πραγματική πηγή τάσης έχει πεπερασμένη εσωτερική αντίσταση. Αυτό θα επηρεάσει το κέρδος. ΤΗΜΜΥ 43

44 Πηγή εισόδου με πεπερασμένη αντίσταση Στην είσοδο υπάρχει ένας διαιρέτης τάσης v BE v RBIAS R R r r BIAS Οπότε το κέρδος μειώνεται σε v v o in s in RBIAS R R Υποθέτοντας ότι η r o είναι πολύ μεγάλη s r r BIAS g m R L ΤΗΜΜΥ 44

45 Παράδειγμα Κατά πόσο μειώνεται το κέρδος; 10V 94kΩ 5mA 1kΩ 50Ω 50Ω vin Rbias vbe rπ vo vin 600Ω 94k 600 = 596Ω g m = 5mA/25mV = 0.2A/V r π = β/g m = 100/0.2 = 500Ω Εξασθένηση στον διαιρέτη τάσης = R 50 R BIAS r r BIAS Έτσι, το κέρδος μειώνεται στο 0.845(g m R L ) = 169 ΤΗΜΜΥ 45

46 Επιπλέον σκέψεις Θυμηθείτε ότι το καλύτερο σχήμα πόλωσης πρέπει να είναι ανεξάρτητο του β 10V 5mA 1kΩ 84kΩ vo vin 16kΩ 200Ω Ένα καλό σχήμα είναι ο εκφυλισμός (degeneration) εκπομπού. Χρησιμοποιούμε την R E για να επιλέξουμε το ρεύμα πόλωσης. Εδώ, αφού η V B είναι περίπου 1.6V, που επιλέγεται με τον διαιρέτη τάσης στην βάση, η V E είναι περίπου 1V. Οπότε, I C V E /R E = 5mA (δεν χρειάζεται το β) Ερώτηση: Θα επηρεάσει αυτό το σχήμα πόλωσης το κέρδος; ΤΗΜΜΥ 46

47 Ενισχυτής κοινού εκπομπού με εκφυλισμό εκπομπού Άσκηση: Βρείτε το κέρδος μικτού σήματος αυτού του ενισχυτή. VCC RB1 RL vo vin RB2 RE Απάντηση: vo gm RL v in g gm RL RL 1 g R R m m R Το κέρδος είναι πολύ μικρότερο Έχουμε καλή πόλωση, αλλά φτωχό κέρδος! Μπορούμε να βελτιώσουμε το κέρδος; ΤΗΜΜΥ 47

48 Ενισχυτής κοινού εκπομπού με απόζευξη (bypass) εκπομπού VCC RB1 RL Προσθήκη του C E έτσι ώστε η ενεργή αντίσταση του εκπομπού να γίνει μηδέν στη συχνότητα του σήματος. vo vin RB2 RE CE Έτσι, αυτό το κύκλωμα έχει καλή πόλωση και το κέρδος είναι μεγάλο. Gain = g m R L Το οποίο δεν επηρεάζεται από την R E η οποία είναι βραχυκυκλωμένη στη συχνότητα του σήματος. Ο C E ονομάζεται πυκνωτής απόζευξης. ΤΗΜΜΥ 48

49 C B v BE g m v BE r o rπ E E V T είναι η θερμική τάση 25mV V A είναι η τάση Early 100 V Ανακεφαλαίωση Βασικό μοντέλο AC μικρού σήματος του BJT: C A o m T C C m I V r g r V I q kt I g ΤΗΜΜΥ 49

50 Ανακεφαλαίωση Μοντέλο AC μικρού σήματος του ενισχυτή κοινού εκπομπού: RL vin Rbias vbe rπ gmvbe ro RL vo Rbias vo vin Gain = g m R L Αντίσταση εισόδου: R bias r π (αρκετά μεγάλη επιθυμητό) Αντίσταση εξόδου: R L r o R L (μεγάλη ανεπιθύμητο) ΤΗΜΜΥ 50

51 Ανακεφαλαίωση Μοντέλο AC μικρού σήματος του ακόλουθου εκπομπού: rπ Rbias vbe gmvbe vin Rbias vin RE vo RE vo Gain = 1 Αντίσταση εισόδου: R bias [r π (1β)R E ] (αρκετά μεγάλη επιθυμητό) Αντίσταση εξόδου: R E (1/g m ) (μικρή επιθυμητό) ΤΗΜΜΥ 51