Amplificatorul cu emitor comun

Transcript

1 CAPITOLUL Amplificatorul cu emitor comun 0 82 k +15 V 7.5 k out 7.5 V 0 in 10 µ F 1.6 V 10 k 1 k µ F A. Amplificatorul cu sarcin` distribuit` (emitor comun degenerat) 154 B. Amplificatorul cu emitorul la mas` (emitor comun nedegenerat) 156 C. C[t de mare poate s` fie excursia de tensiune? 161 D. Proiectarea unui amplificator cu emitor comun 164 Problem` rezolvat` 169, probleme propuse 171 Lucrare experimental` 174

2 154 Electronic` - Manualul studentului Am v`zut c` repetoarele de tensiune (pe emitor sau pe surs`, dup` tipul cum tranzistorul este bipolar sau cu efect de c[mp) efectueaz` adaptarea [ntre impedan\a mare a generatorului de semnal ]i impedan\a mic` a sarcinii. Din p`cate, ele nu pot dec[t s` repete semnalul de la intrare, [n timp ce [n majoritatea aplica\iilor avem nevoie s` amplific`m varia\iile de tensiune. De exemplu, semnalul bioelectric generat de inim`, pe care dorim s`-l vizualiz`m, are amplitudini sub 1 mv iar pentru ca spotul osciloscopului s` devieze cu 1 cm este necesar` o varia\ie de tensiune pe pl`cile de deflexie de ordinul a 100 V. Ne-ar trebui, [n acest caz, o amplificare global` de cel pu\in ! Pentru c` ofer` a amplificare mare de tensiune, cel mai frecvent utilizat etaj cu un singur tranzistor bipolar este amplificatorul cu emitor comun. A. Amplificatorul cu sarcin` distribuit` (emitor comun degenerat) O variant` de amplificator cu emitor comun este prezentat` [n Fig Generatorul de semnal, cuplat capacitiv, produce varia\ii ale poten\ialului bazei iar ca semnal de ie]ire este considerat poten\ialul colectorului. Emitorul (de]i nu este legat la mas`) este comun ochiurilor de intrare ]i de ie]ire, ceea ce justific` numele de amplificator cu emitor comun. Pentru a-l distinge de o alt` variant`, se adaug` adesea "degenerat [n emitor" sau "cu rezisten\` [n emitor". {n literatura de limb` român` el mai este cunoscut ]i ca amplificator cu sarcin` distribuit`, deoarece curentul comandat trece at[t prin c[t ]i prin R E, ca ]i cum sarcina ar fi distribuit`. Atunci c[nd am studiat stabilitatea termic` a punctului de func\ionare ]i independen\a sa [n raport cu factorul de amplificare β al tranzistorului, am ar`tat c` pe rezisten\a R E din emitor trebuie s` cad` [n repaus cel pu\in 1-2 V. Acela]i curent str`bate ]i rezisten\a de colector ]i, cum pe ea c`derea de tensiune este de ordinul 2 iar tensiunea de alimentare nu dep`]e]te, de regul`, V, [n practic`, la etajul cu sarcin` distribuit` raportul R E 0 este cuprins aproximatv [ntre 1 ]i 25. Vom vedea imediat c` aceasta are consecin\e asupra amplific`rii maxime pe care o poate furniza acest amplificator. Func\ionarea sa poate fi [n\eleas` u]or dac` recunoa]tem o configura\ie de surs` de curent comandat`, care are ca sarcin` rezisten\a (vezi Capitolul 4, sec\iunea 4.1.G). Dup` cum ]tim, tensiunea baz`-emitor este practic constant`, poten\ialul emitorului urm`rind poten\ialul bazei, cu aproximativ 0.6 V mai jos. Astfel, varia\iile de tensiune ale bazei, produse de generatorul de semnal cuplat capacitiv, determin` varia\iile curentului de emitor ~ 0 C B 10 µ F R B1 82 k 1.6 V R B2 10 k 7.5 k 7.5 V R E 1 k V out +15 V Fig Amplificator cu emitor comun degenerat (cu sarcin` distribuit`). 0 0 IE V = B. (12.1) RE

3 Cap. 12. Amplificatorul cu emitor comun 155 Acestea sunt practic egale cu varia\iile curentului de colector. Din expresia poten\ialului colectorului, VC = Valim ICRC, deducem imediat c` la ie]irea amplificatorului avem VC R = C VB. (12.2) RE Amplificarea circuitului este, deci, R A = C R (12.3) E semnul - ar`t[nd c` varia\iile de la ie]ire sunt opuse ca sens celor de la intrare; circuitul este un amplificator inversor. Pentru amplificatorul cu sacin` distribuit`, amplificarea este negativ` ]i egal` [n modul cu raportul dintre rezisten\a de colector ]i cea din emitor; din considerentele prezentate mai sus, modulul amplific`rii nu poate fi prea mare (p[n` pe la 25). Faptul c` amplificarea depinde numai de valorile rezisten\elor este deosebit de important, deoarece rezisten\ele sunt disponibile [n game de toleran\` foarte str[ns` ]i pot fi ajustate, propriet`\i de neimaginat pentru factorul β al tranzistorului. Dac` utiliz`m pentru tranzistor modelul mai exact, cu r e, prezentat la Capitolul 10, sec\iunea 10.1.B, rezisten\a dinamic` r e, apare [n serie cu R E, a]a cum se poate vedea [n Fig Noua expresie a amplific`rii se ob\ine ca R A = C RE + re RC 1 = ; (12.4) RE 1+ re RE cum re RE = 25 mv VE este mult mai mic dec[t unitatea, al doilea factor din expresia (12.4) are valoarea aproximativ` b1 25 mv V E g. Deoarece din necesit`\i de stabilitate termic` tensiunea pierdut` pe rezisten\a din emitor trebuie s` fie de cel pu\in 1-2 V, modulul amplific`rii "corectate", dat` de rela\ia (12.4) este cu 1-2 % mai mic dec[t cel prezis de formula simpl` A= RC RE. Dac` nu cunoa]tem valorile rezisten\elor cu o precizie mai bun` de +/- 5 % (]i, [n cele mai multe cazuri, nu le cunoa]tem dec[t cu +/- 10 %), nu merit` s` mai \inem seama de rezisten\a dinamic` r e, consider[nd-o nul`. Impedan\a de intrare [n baza tranzistorului se calculeaz` prin aceea]i metod` utilizat` la repetorul pe emitor; deoarece curentul de baz` este de β ori mai mic dec[t cel de emitor, combina\ia serie RE + re RE este v`zut` ca fiind de β ori mai mare Zin B = VB IB β RE. (12.5) in I B V B I C "emitor intern" V B r e I E R E = 0 V C I C out Fig Calculul amplific`rii utiliz[nd modelul cu r e al tranzistorului.

4 156 Electronic` - Manualul studentului Prezen\a divizorului rezistiv mic]oreaz` [ns` impedan\a de intrare [n amplificator. Am v`zut c`, din necesit`\i de stabilitate termic` ]i desensibilizare a punctului de func\ionare [n raport cu [mpr`]tierea lui β, rezisten\a echivalent` a divizorului se alege cam o zecime din βr E. Astfel, divizorul rezistiv face ca impedan\a de intrare [n amplificator, Z in, s` fie de aproximativ 10 ori mai mic` dec[t valoarea Z inb. Putem considera c` impedan\a de intrare a amplificatorului cu sarcin` distribuit` este practic egal` cu rezisten\a echivalent` a divizorului de polarizare. Impedan\a de intrare a amplificatorului cu sarcin` distribuit` nu este afectat` de prezen\a rezisten\ei de colector; valoarea impedan\ei de intrare este dictat` practic de rezisten\a echivalent` a divizorului de polarizare. Dup` cum ]tim, [n regiunea activ` colectorul tranzistorului se comport` ca o surs` de curent aproape ideal`. Din acest motiv, privind [nspre nodul colectorului vedem rezisten\a [n paralel cu impedan\a sursei de curent, care are valori mult mai mari dec[t. Astfel, impedan\a de ie]ire a etajului este dictat` de rezisten\a din colector Z out = RC. (12.6) Impedan\a de ie]ire pentru amplificatorul cu sarcin` distribuit` este egal` practic cu valoarea rezisten\ei de colector, de ordinul 1-10 kω. Dac` la ie]ire se cupleaz` capacitiv rezisten\a de sarcin` R s, putem calcula noua amplificare prin dou` metode. {n prima, trebuie s` [nlocuim [n formula amplific`rii pe cu rezisten\a echivalent` a grup`rii paralel (, R s ). A doua alternativ` este s` \inem seama de impedan\a de ie]ire ]i s` corect`m amplificarea cu un factor datorat divizorului de tensiune format de R s ]i Z out (Fig. 12.3). Prin oricare din metode ob\inem R A = C RE Rs Rs + RC. (12.7) - R E V in ~ Z out = V out R s Fig Calculul amplific`rii [n cazul unei sarcini cuplate capacitiv [n colector. A]a cum spuneam, cu acest tip de etaj nu se pot ob\ine amplific`ri mai mari dec[t dac` m`rim exagerat tensiunea de alimentare sau sacrific`m stabilitatea termic`. {n aceast` situa\ie, se prefer` utilizarea unei alte variante de amplificator cu emitor comun, care este descris` [n continuare.. B. Amplificatorul cu emitorul la mas` (emitor comun nedegenerat) {n multe aplica\ii avem nevoie de amplific`ri mari, pe care amplificatorul cu sarcin` distribuit` nu poate s` le ofere. Dac` am lega, pur ]i simplu, emitorul la mas`, ca [n Fig a), R E ar deveni zero ]i am ob\ine, conform rela\iei A = RC ( RE + re) o amplificare maxim`. De]i prezent [n mai toate textele de electronic`, acest circuit trebuie evitat. Am ar`tat [n Cap. 8, c[nd am studiat diferitele circuite de polarizare, c` [n acest caz curentul de colector este foarte sensibil la modific`rile factorului β ]i ale temperaturii. Pentru

5 Cap. 12. Amplificatorul cu emitor comun 157 eliminarea acestor inconveniente, prezen\a unui rezistor [n emitor, pe care s` cad` [n repaus o tensiune de 1-2 V, este obligatorie. C B 0 10 µ F ~ R B1 82 k 1.6 V R B2 10 k 7.5 k 7.5 V R E 1 k +15 V 0 V out 0 C E 470 µ F acest tip de circuit trebuie evitat! a) b) Fig Amplificatoare cu emitorul la mas`, [n curent continuu (a) ]i [n curent alternativ (b). Solu\ia este s` p`str`m rezisten\a R E vizibil` [n curent continuu (varia\iile de temperatur` sunt extrem de lente [n compara\ie cu semnalele care trebuie amplificate) dar s` o scurtcircuit`m la frecven\ele la care lucreaz` amplificatorul (Fig b). {n jargon se spune c` rezisten\a R E a fost "decuplat` [n alternativ" cu ajutorul condensatorului. Aceasta [nseamn` c` [n curent alternativ ea dispare, fiind [nlocuit` cu un scurtcircuit. Circuitul ob\inut este un amplificator cu emitorul la mas` ([n curent alternativ). {n calculul amplific`rii ]i impedan\elor trebuie s` apar` impedan\ele pe care le "v`d" varia\iile a]a c`, [n rela\ia A= RC ( RE + re), [n locul lui R E trebuie s` punem zero, deoarece aceast` rezisten\` este scurtcircuitat` pentru varia\ii. Ob\inem atunci amplificarea R R I R I A C C Q C Q = = gmrc = = re VT 25 mv (12.8) unde I Q este curentul de repaus al tranzistorului, [n jurul c`ruia se efectueaz` aceste varia\ii. Aceast` rela\ie este adev`rat` la frecven\ele la care reactan\a condensatorului C E este mult mai mic` dec[t rezisten\a dinamic` r e f 1 >> 2πrC e E (12.9) Privind cu aten\ie rela\ia (12.8) recunoa]tem la num`r`tor tensiunea de repaus pe rezisten\a din colector, V repaus ; avem astfel rela\ia foarte util`

6 158 Electronic` - Manualul studentului A V R repaus C = 25 mv. (12.10) {n absen\a altei rezisten\e de sarcin`, amplificarea pentru amplificatorul cu emitorul la mas` este egal` [n valoare absolut` cu raportul [ntre tensiunea de repaus pe rezisten\a din colector ]i tensiunea termic` de 25 mv. Dac`, [n plus, polarizarea s-a f`cut astfel [nc[t poten\ialul colectorului s` fie la jum`tatea tensiunii de alimentare, ajungem la concluzia c` amplificarea este dictat` numai de tensiunea de alimentare V A = alim = 20 Valim (in volti) 225 mv. (12.11) Dac` poten\ialul de repaus al colectorului este la jum`tatea tensiunii de alimentare ]i nu exist` alt` sarcin` cuplat capacitiv, amplificarea pentru amplificatorul cu emitorul la mas` este egal` [n valoare absolut` cu 20 [nmul\it cu tensiunea de alimentare exprimat` [n vol\i. Cu o tensiunea de alimentare de 10 V ob\inem o amplificare de 200, pe c[nd cu o tensiune de alimentare de 40 V putem amplifica de 800 de ori varia\iile de la intrare. {n deducerea formulelor pentru amplificare am considerat c` tranzistorul se comport` [n colector ca o surs` ideal` de curent. {n realitate, datorit` efectului Early, sursa de curent echivalent` are o rezisten\` dinamic` egal` cu rce = VEA IQ, unde V EA este tensiunea Early, cu valori [n jur de 100 V. Aceast` rezisten\` apare [n paralel cu rezisten\a din colector, ca [n Fig a), ]i, [n formula amplific`rii A= gmrc, trebuie s` [nlocuim pe cu valoarea corectat` RCce r RC + rce 1 = RC 1+ RC rce RCb1 RC rceg. (12.12) impedan\a v`zuta de sursa ideal` de curent (constant) (constant) I C r ce= V EA I Q I C r ce= V EA I Q tranzistorul tranzistorul a) b) Fig Impedan\a pe care debiteaz` sursa ideal` de curent comandat` a colectorului (a) ]i utilizarea unei sarcini active (b).

7 Cap. 12. Amplificatorul cu emitor comun 159 Dar raportul celor dou` rezisten\e, mult mai mic dec[t unu, poate fi exprimat simplu prin valorile regimului de repaus RC rce VR I V Crepaus Q RCrepaus = = (12.13) IQ VEA VEA ]i este de ordinul a 5-10 %. {n consecin\`, dac` dorim o expresie mai exact` a amplific`rii, nu avem dec[t s` sc`dem 5-10 % din valoarea rezisten\ei, [nainte de a folosi formulele pentru amplificare.. Oricum, aceast` corec\ie este de ordinul de m`rime al toleran\ei cu care cunoa]tem, de cele mai multe ori, valorile rezisten\elor. O valoare mai exact` a amplific`rii se ob\ine \in[nd seama de efectul Early, prin utilizarea [n calcule a unei valori pentru rezisten\a mic]orat` cu 5-10 % fa\a de valoarea real` (raportul VR repaus VEA ). Privind [nc` o dat` la Fig a) ]i g[ndindu-ne c` numai rezistentele dinamice intervin [n calculul amplific`rii, s-ar putea s` g`sim o cale prin care putem cre]te ]i mai mult amplificarea etajului cu emitorul la mas`: [nlocuirea rezisten\ei din colector cu o surs` de curent constant (desenul b al figurii), care s` furnizeze exact valoarea necesar` pentru curentul de colector, dar care are o rezisten\a dinamic` foarte mare (peste 1 MΩ putem ajunge u]or cu o surs` realizat` cu un tranzistor bipolar). Combina\ia ei paralel cu r ce este echivalent` practic cu r ce (care este de cel pu\in 10 ori mai mic`) ]i, astfel, amplificarea ajunge la valori de ordinul VEA VT {n jargon se spune c` etajul are acum o sarcin` activ` (sursa de curent ce a [nlocuit rezisten\a ). Nimic nu se ob\ine [ns` f`r` sacrificii: impedan\a de ie]ire a etajului a crescut de la c[tiva kω c[t avea, la rce = VEA IQ, care ajunge pe la 100 kω; nu mai putem conecta la ie]ire dec[t o sarcin` cu rezisten\a de cel pu\in 1 MΩ. {n plus, mai exist` o dificultate: am legat [n serie dou` surse de curent ]i [ntre ele apare un conflict dac` nu sunt reglate exact la aceea]i valoare. {n timp, valorile ajustate cu grij` se modific` ]i una din surse ajunge [n regim de satura\ie [ncet[nd s` func\ioneze. Pentru a evita acest lucru, circuitul trebuie complicat cu alte etaje care s` realizeze permanent echilibrarea surselor, aduc[nd la ordine sursa de curent rebel`. Din acest motiv, cre]terea amplific`rii prin utilizarea unei sarcini active este utilizat` aproape exclusiv [n circuitele integrate, unde se poate face risip` de tranzistoare ]i rezistoare f`r` ca pre\ul s` fie afectat sensibil. S` ne [ntoarcem pu\in la expresia (12.8) a amplific`rii A= RCIQVT ; [ncep[nd de acolo, pentru a ob\ine rela\ii u]or de aplicat [n practic`, am [nlocuit tensiunea termic` VT = kbt e cu valoarea ei la temperatura camerei, care este de aproximativ 25 mv. Din aceast` cauz` nu am sesizat primul pre\ pe care trebuie s`-l pl`tim pentru amplificarea mare ob\inut`: amplificarea etajului cu emitorul la mas` depinde de temperatur`; la o [nc`lzire cu 30 de grade, amplificarea scade cu aproximativ 10 %. C Scurtcircuitarea [n curent alternativ a rezisten\ei R E are un efect puternic ]i asupra impedan\ei de intrare. Pun[nd R E = 0 [n expresia (12.5), ob\inem impedan\a de intrare [n baza tranzistorului Zin B = βre = β 25 mv IQ ; (12.14)

8 160 Electronic` - Manualul studentului cu un β de 100, avem 2.5 kω la 1 ma dar numai 250 Ω la 10 ma. Impedan\a de intrare a etajului este [nc` ]i mai mic`, datorit` rezisten\ei echivalente a divizorului de polarizare; aceast` rezisten\` a divizorului este [ns` mai mare dec[t Z in B astfel c` ea nu reu]e]te s` reduc` la jum`tate impedan\a de intrare. {n consecin\`, impedan\a de intrare a etajului este pe undeva [ntre βr e 2 ]i βr e. Cum calculul este numai estimativ deoarece nu cunoa]tem pe β dec[t foarte aproximativ, putem afirma c` impedan\a de intrare a amplificatorului cu emitorul la mas` este modest` (sute de Ω - kω ), fiind aproximativ egal` cu β 25 mv I Q. Impedan\a de intrare este, deci, mic` ]i, ceea ce este poate ]i mai grav, prost predictibil`, deoarece este aproximativ propor\ional` cu β ; cum acest factor are o [mpr`]tiere tehnologic` mare, putem numai s` estim`m grosier aceast` impedan\` de intrare. Acesta este al doilea pre\ pe care trebuie s`-l pl`tim pentru valoarea mare a amplificarii; vom vedea c` mai exist` [nc` unul, legat de m`rimea excursiei semnalului de ie]ire. Impedan\a de ie]ire a amplificatorului continu` s` fie egal` cu valoarea rezisten\ei din colector. Dac` suntem foarte preten\io]i, putem sc`dea din aceasta 5-10 %, datorate efectului Early. C[nd o alt` sarcin` R s este cuplat` capacitiv [n colector, noua valoare a amplific`rii se poate ob\ine, ca ]i la etajul precedent, prin considerarea divizorului format de R s ]i Z out. R 1 C E C B 10 µ F R B1 82 k 1.6 V 5 k 10 V +15 V V out C E 100 µ F R 2 CE R 1 R 2 ~ Z in R B2 10 k R E1 1 k R E2 1 k 100 µf a) b) c) d) Fig Decuplarea par\ial` a rezisten\ei din emitor (a ]i b) ]i circuite care permit ajustarea amplific`rii f`r` modificarea punctului static de func\ionare (c ]i d). C[nd nu dorim s` ob\inem valoarea A= 20 Valim (in volti) pentru amplificare, ci una mai mic`,, putem utiliza [n emitor unul din circuitele din Fig a) ]i b). {n curent continuu (regimul de polarizare) emitorul vede o rezisten\` R EDC egal` cu R1+ R2 pentru circuitul a) ]i cu R 1 [n cazul circuitului b). La curent alternativ [ns`, [ntre emitor ]i mas` apare o impedan\` R EAC, care determin` amplificarea etajului. Valoarea acestei impedan\e este R 1 pentru circuitul a) ]i RR REAC = 1 2 R1+ R2 (12.15)

9 Cap. 12. Amplificatorul cu emitor comun 161 pentru circuitul b). Dac` urm`rim o proiectare mai comod`, alegem circuitul a), deoarece R EAC este pur ]i simplu egal` cu R 1. Circuitul din desenul b) permite, [n schimb, ajustarea amplific`rii f`r` modificarea punctului static. Desenul c) prezint` reprezint` complet` a unui astfel de amplificator; o alt` variant` ce ofer` acelea]i avantaje este prezentat` [n desenul d). C. C[t de mare poate s` fie excursia de tensiune? Emitorul legat la mas` ([n curent alternativ) S` presupunem c` dorim amplificare c[t mai mare ]i [n circuitul din Fig c) am scurtcircuitat emitorul la mas` [n curent alternativ. La varia\ii foarte mici [n jurul curentului de repaus de 1 ma, amplificarea circuitului este de RC re =5 kω 25 Ω = 200. Ce se [nt[mpl` dac` semnalul de intrare are amplitudini mult mai mari? Poten\ialul emitorului este \inut constant de c`tre condensator a]a c` varia\iile tensiunii de intrare se reg`sesc [n totalitate ca varia\ii ale tensiunii baz`-emitor. 2.0 N I C (ma) M Q repaus V C (V) 10 timpul V BE (mv) 15 V C timpul Fig Amplificatorul cu emitorul la mas` distorsioneaz` semnalele cu amplitudini mari. Dar noi cunoa]tem forma caracteristicii de transfer IC = f( VBE), este o exponen\ial` IC = Ise V BE V T. O reprezent`m grafic, trec[nd pe axa absciselor valorile varia\iilor V BE m`surate de la regimul de repaus (Fig. 12.7). S` aplic`m la intrare o tensiune triunghiular`, cu amplitudinea de aproximativ 18 mv. Dup` cum ]tim, o varia\ie de aceast` m`rime a tensiunii baz`-emitor provoac` o modificare cu un factor de 2 a curentului de colector. Astfel, punctul de func\ionare, care era [n repaus [n Q, se deplaseaz` [ntre punctele extreme M ]i N, unde curentul de colector devine 0.5 ma ]i, respectiv 2 ma. Evolu\ia corespunz`toare a poten\ialului V C al colectorului eviden\iaz` o distorsionare major` a formei de und`,

10 162 Electronic` - Manualul studentului semialternan\a superioar` av[nd o amplitudine 5 V, de dou` ori mai mare dec[t cea inferioar`, care are numai 2.5 V. Distorsiunile care apar sunt distorsiuni de neliniaritate ]i se datoreaz` formei caracteristicii de transfer a tranzistorului. Ele au ap`rut [naintea celor de limitare, provocate de intrarea tranzistorului [n blocare sau satura\ie. Neliniaritatea caracteristicii de transfer poate fi exprimat` ]i prin modificarea pantei, care este transconductan\a tranzistorului, ea fiind pentru circuitul nostru propor\ional` cu amplificarea la semnal mic. A]a cum se vede [n Fig. 12.8, dac` facem trei experimente diferite, provoc[nd varia\ii mici [n jurul fiec`ruia dintre punctele M, Q ]i N, amplific`rile ob\inute vor fi diferite. {n timp ce [n jurul punctulului de repaus Q amplificarea este egal` [n modul cu 200, ea ajunge la 400 pentru varia\iile [n jurul punctului N dar coboar` la 100 [n cazul varia\iilor [n jurul punctului M. 2.0 N I C (ma) 1.0 Q V C (V) M V BE (mv) 15 Fig Amplificarea la semnal mic depinde puternic de punctul de func\ionare. Putem consdera c` un nivel acceptabil de distorsiuni se ob\ine dac` amplificarea de semnal mic variaz` numai cu +/- 10 % de-a lungul [ntregii excursii a punctului de func\ionare; aceasta se poate [nt[mpla numai dac` r e variaz` [n total cu numai 20 % [ntre valorile extreme ale curentului de colector. Rezult`, de aici, c` varia\iile curentului de colector trebuie s` [ndeplineasc` condi\ia IC IQ 10% ; (12.16) Astfel, excursia tensiunii de ie]ire trebuie s` aib` amplitudinea sub o zecime din c`derea de tensiune [n repaus pe. Cum aceasta din urm` are valori uzuale de 5-10 V distorsiunile produse de amplificatorul cu emitorul la mas` sunt acceptabile numai dac` excursia de tensiune de la ie]ire nu dep`]e]te 1-2 V vv.

11 Cap. 12. Amplificatorul cu emitor comun 163 Ce [nseamn` aceasta pentru tensiunea de intrare? Din expresia caracteristicii de transfer deducem c`, indiferent de amplificare, V BE 5 mv vv. Cum poten\ialul emitorului este constant, aceasta este excursia maxim` acceptabil` a tensiunii de intrare. {n cazul amplificatorului cu emitorul la mas`, pentru ca amplificarea s` nu se modifice cu mai mult de +/- 10 %, tensiunea de intrare trebuie s` aib` amplitudinea mai mic` dec[t 5 mv vv, indiferent de valoarea amplific`rii. {n concluzie, amplificatorul cu emitorul la mas` poate fi utilizat numai pentru amplificarea semnalelor mici, [n caz contrar el produc[nd distorsiuni inacceptbil de mari. Acesta este al treilea pre\, pe l[ng` dependen\a de temperatur` a amplific`rii ]i impedan\a mic` de intrare, pe care trebuie s`-l pl`tim pentru amplificarea mare pe care am ob\inut-o. La semnal mare, nu numai amplificarea se modific`. Revenind la exemplul nostru ]i presupun[nd un factor β=100 pentru tranzistor, impedan\a v`zut` privind [nspre baz`, Z in B, are 5.0 kω [n punctul M, 2.5 k Ω [n repaus (punctul Q) ]i numai 1.25 kω [n punctul N. Aceste varia\ii se resimt puternic [n impedan\a de intrare a amplificatorului; cu o rezisten\` echivalent` a divizorului de polarizare de 20 kω, impedan\a de intrare Z in evolueaz` de la 4 kω la 1.2 kω. La semnal mare, amplificatorul cu emitorul la mas` apare, pentru generatorul de semnal care [l excit`, ca o sarcin` neliniar` (care nu respect` legea lui Ohm). {n exemplul nostru, dac` generatorul de semnal nu are impedan\a intern` mult mai mic` dec[t 1 kω, varia\iile impedan\ei de intrare vor produce varia\ii ale amplitudinii la intrare ]i, [n consecin\`, distorsiuni suplimentare. Din fericire, aceste modific`ri ale amplitudinii au un sens opus celor determinate de schimbarea amplific`rii. Astfel, pe ansamblu, ele reduc distorsiunile produse de amplificator. Rezisten\a din emitor decuplat` par\ial S` presupunem acum c` nu mai suntem at[t de lacomi ]i ne mul\umim cu o amplificare de 50 [n locul celei de 200. Utiliz[nd formula amplific`rii A = RC ( RE AC + re ), deducem c` rezisten\a v`zut` [n alternativ de c`tre emitor trebuie s` aib` valoarea 75 Ω ([mpreun` cu r e = 25 Ω face 100 Ω). La o excursie a poten\ialului de colector de 5 V vv, curentul de colector se modific` de la 0.75 ma la 1.25 ma, ]i r e variaz` de la 20 Ω la 33 Ω dar, datorit` prezen\ei termenului R EAC la numitor, amplificarea de semnal mic nu se modific` [n acela]i raport, cresc[nd doar de la 46 la 53, adic` sufer` o varia\ie total` de 14 % Avem, deci, o varia\ie total` a amplific`rii de 14 % [n cazul unei excursie de tensiune la ie]ire de 5 V vv, provocat` de un semnal de intrare de 100 mv vv ; cu emitorul legat la mas`, ar fi trebuit s` mic]or`m excursia de la ie]ire la 0.75 V vv (3.75 mv vv la intrare) pentru ca amplificarea s` aib` o varia\ie total` de aceeas]i m`rime ]i s` ob\inem acela]i nivel de distorsiuni. {n concluzie, mic]orarea amplific`rii de la 200 la 50 ne permite s` prelucr`m f`r` distorsiuni semnificative semnale de intrare mult mai mari ]i s` ob\inem excursii mari ale semnalului de ie]ire. Liniaritatea amplificatorului a fost [mbun`t`\it`. Exager[nd [n aceast` direc\ie, putem ajunge la un amplificator cu amplificare unitar` dar cu liniaritate excelent`; am reg`sit repetorul de tensiune. Vom vedea mai t[rziu c` aceste modific`ri ale performan\elor se datoreaz` reac\iei negative pe care o introduce impedan\a vizibil` [n emitor.

12 164 Electronic` - Manualul studentului {n Fig am reprezentat grafic dependen\a lui A [n func\ie de curentul de colector, pentru mai multe valori ale lui RE AC re repaus. Se observ` c`, pe m`sur` ce sc`dem amplificarea etajului prin m`rirea valorii lui R EAC, amplificarea devine mai pu\in sensibil` la varia\ia curentului de colector ]i distorsiunile vor fi mai mici. Graficul poate fi utilizat la proiectarea amplificatoarelor cu emitor comun, pentru alegerea lui R EAC atunci c[nd ni se impune excursia de tensiune de la ie]ire ]i nivelul distorsiunilor. A Arepaus R E AC r e repaus = R E AC r e repaus = I C I Q Fig M`rirea lui R EAC mic]oreaz` sensibilitatea amplific`rii la varia\ia curentului de colector. Pentru a putea ob\ine excursii de tensiune mari la ie]ire cu distorsiuni acceptabile, amplificarea trebuie mic]orat`; acest lucru se realizeaz` prin impedan\a care este v`zut` [n curent alternativ de c`tre emitorul tranzistorului. D. Proiectarea unui amplificator cu emitor comun Av[nd fixat` tensiunea de alimentare, primul pas [l constituie alegerea curentului de repaus I Q. O valoare exagerat de mic` duce la sc`derea factorului β al tranzistorului, pe c[nd una prea mare va m`ri nejustificat disipa\ia de putere pe tranzistor. Mai trebuie \inut seama ]i de faptul c` I Q va impune valoarea (2 I Q ) a rezisten\ei din colector, care va fi impedan\a de ie]ire a amplificatorului. {n cazul amplificatoarelor de mic` putere, o alegere de 1-10 ma este rezonabil`. Poten\ialul colectorului trebuie s` fie pe la jum`tatea tensiunii de alimentare, chiar dac` excursia de tensiune de la ie]ire nu va dep`]i 1 V vv, deoarece punctul de func\ionare mai este afectat de [mpr`]tierea lui β ]i de varia\iile de temperatur` ]i este bine s` avem "distan\e" de rezerv` fat` de regimurile de blocare ]i satura\ie. Astfel, RC V = alim 2 1. (12.17) IQ 2 V {n regim de repaus, pentru o stabilitate termic` satisf`c`toare, poten\ialul emitorului trebuie s` fie de 1- V E = 1 2 V; (12.18) rezult` imediat valoarea rezisten\ei R EDC pe care trebuie s` o vad` emitorul [n curent continuu

13 Cap. 12. Amplificatorul cu emitor comun 165 REDC= VE IQ. (12.19) Poten\ialul de repaus al bazei se va g`si cu 0.6 V mai sus V B = V +0.6 V. (12.20) E Putem proiecta acum divizorul rezistiv de polarizare a bazei. Raportul celor dou` rezisten\e va trebui s` fie RB1 RB2 V V = alim B VB (12.21) iar rezisten\a lor echivalent` R R R B1 B2 EDC β. (12.22) RB1+ RB2 10 Cum R B2 fiind mai mic`, va dicta practic rezisten\a echivalent` ]i cum putem miza pe un factor β de cel pu\in 100, putem lua, practic R B 2 10 RE DC. (12.23) Cu aceasta, proiectarea circuitului de polarizare este [ncheiat`. Mai r`m[ne s` stabilim amplificarea. Dac` dorim s` ob\inem amplificarea maxim` posibil`, egal` aproximativ cu 20 [nmul\it cu tensiunea de alimentare exprimat` [n vol\i, emitorul trebuie scurtcircuitat la mas` cu un condensator. Dac` nu dorim s` ob\inem amplificarea maxim` ci una mai mic`, din rela\ia A = RC REAC+ re (12.24) ob\inem impedan\a R EAC pe care trebuie s` o vad` emitorul [n curent alternativ REAC R = C re. (12.25) A C in R B1 V out Circuitul din emitor va ar`ta ca cel din Fig {n cazul [n care m`rimea amplific`rii trebuie reglat` "la cald", vom utiliza [n emitor un circuit ca cel din desenele c) sau d) ale Fig La frecven\a minim` de lucru reactan\a condensatorului C E trebuie s` fie mult mai mic` dec[t re + RE AC R B2 R E DC { R E AC C E Fig

14 166 Electronic` - Manualul studentului CE 1 >> 2π f min ( re + RE AC ). (12.26) Valoarea condensatorului de intrare se stabile]te pun[nd condi\ia ca la frecven\a minim` de lucru reactan\a sa s` fie mult mai mic` dec[t impedan\a de intrare a amplificatorului (care este rezistiv`). Aceast` impedan\` se calculeaz` \in[nd seama c` la intrare apare reziste\a echivalent` a divizorului [n paralel cu β ( REAC+ re). {ntreaga procedur` de proiectare, simplificat`, poate fi urm`rit` pe desenul din Fig Alegem curentul de repaus I Q 7. Z in = R B1 R B2 β ( r e + R E AC ) 1 lu`m C in >> 2π f min Z in 4. R B2 10 R E DC R B1 R B2 = V B - 1 cu V B = V E +0.6 V R B1 C in R B2 R E DC { R E AC 3. Cu V E de 1-2 V, R E DC = C E V E I Q V out 2. Luam = 2 I Q 5. Alegem R E AC pentru a stabili amplificarea R E AC = A - r e 6. Alegem C E C E >> 1 2π f min ( r e + R E AC ) Fig Procedura simplificat` de proiectare pentru amplificatorul cu emitor comun.

15 Cap. 12. Amplificatorul cu emitor comun 167 Enun\uri frecvent utilizate (at[t de frecvent [nc[t merit` s` le memora\i) - La amplificatorul cu emitor comun, intrarea este [n baza tranzistorului iar ie]irea se face din colectorul acestuia; oferind amplificare de tensiune mare cu o impedan\a de intrare rezonabil`, el este cel mai utilizat etaj de amplificare cu un singur tranzistor. -Pentru amplificatorul cu sarcin` distribuit` (emitor comun degenerat), amplificarea este negativ` ]i egal` [n modul cu raportul rezisten\elor de colector ]i, respectiv, emitor; amplificatorul este unul inversor; -Cu tensiuni de alimentare de V, aceast` amplificare are valori p[n` spre 25. -Impedan\a de intrare a amplificatorului cu sarcin` distribuit` are aceea]i expresie ca a repetorului pe emitor, fiind stabilit` practic de divizorul rezistiv de polarizare. - Impedan\a de ie]ire a amplificatorului cu sarcin` distribuit` este practic egal` cu valoarea rezisten\ei din colector. -Scurtcircuitarea [n alternativ a rezisten\ei din emitor transform` etajul [ntr-un amplificator cu emitorul la mas`, p`str[ndu-i stabilitatea termic`. - {n absen\a altei sarcini, modulul amplific`rii pentru amplificatorul cu emitorul la mas` este egal cu RC re, fiind propor\ional cu valoarea curentului de repaus. - Amplificarea etajului cu emitorul la mas` este invers propor\ional` cu temperatura ([n K); la o [nc`lzire cu 30 o C, modulul amplific`rii scade cu aproximativ 10 %. - Acela]i modul al amplific`rii mai poate fi exprimat ca raportul [ntre c`derea de tensiune [n repaus pe rezisten\a din colector ]i tensiunea termic`, cu valoarea de 25 mv la temperatura camerei, A = V repaus 25 mv. - Dac` poten\ialul de repaus al colectorului a fost stabilit la jum`tatea tensiunii de alimentare, modulul amplific`rii este egal cu 20 [nmul\it cu tensiunea de alimentare, exprimat` [n vol\i. -{n cazul [n care dorim o valoare mai exact` a amplific`rii, putem \ine seama de efectul Early, utiliznd [n calcule o valoare a rezisten\ei din colector cu 5-10 % mai mic` dec[t cea real`. -Pentru amplificatorul cu emitorul la mas`, impedan\a de intrare privind [n baza tranzistorului este modest`, fiind dat` de Zin =β re ; impedan\a de intrare a etajului este [nc` ]i mai mic`, datorit` divizorului rezistiv, ajung[nd la valori de sute de Ω - kω. -Amplificatorul cu emitorul la mas` este un amplificator de semnal mic (sub 5 mv vv la intrare, sub 1-2 V vv la ie]ire); dac` semnalul este mai mare, el va fi distorsionat semnificativ de c`tre amplificator. - Dac` rezisten\a din emitor este scurtcircuitat` doar par\ial cu condensator, modulul amplific`rii devine A = RC ( re + RE AC ), unde R EAC este impedan\a v`zut` [n curent alternativ de c`tre emitor. - C[nd amplificarea este sc`zut` prin aceasta metod`, se reduce ]i nivelul distorsiunilor ]i cre]te impedan\a de intrare [n baza tranzistorului. La A 50 amplificatorul poate fi utilizat cu distorsiuni acceptabile ]i la un semnal de intrare de 100 mv vv.

16 168 Electronic` - Manualul studentului Termeni noi -amplificator cu sarcin` distribuit` amplificator cu emitor comun care are montat` o rezisten\` [n circuitul de emitor; curentul de colector (care este m`rimea controlat`) str`bate am[ndou` rezisten\ele ca ]i cum am avea o sarcin` distribuit`; -degenerare [n emitor prezen\a unei rezisten\e [n circuitul emitorului care, astfel, nu mai este legat la mas` (amplificator cu emitor comun cu rezisten\` [n emitor); -decuplarea [n alternativ a unei scurtcircuitarea rezisten\ei cu un condensator care are reactan\a rezisten\e neglijabil` la frecven\ele de lucru; -distorsiuni de limitare deformarea semnalului de la ie]irea amplificatorului datorit` intr`rii tranzistorului [n satura\ie sau blocare; -distorsiuni de neliniaritate deformarea semnalului de la ie]irea amplificatorului datorit` comport`rii neliniare a trazistorului (varia\iei transconductan\ei cu valoarea curentului de colector);

17 Cap. 12. Amplificatorul cu emitor comun 169 Problem` rezolvat` S` se proiecteze un amplificator cu emitor comun, av[nd impedan\a de ie]ire de 1 kω, care s` fie alimentat de la +12 V ]i s` ofere o amplificare egal` [n modul cu 50. Amplificatorul trebuie s` func\ioneze la frecven\e mai mari de 100 Hz iar tranzistorul utilizat are factorul β peste 100. C in R B1 V out Rezolvare Desen`m, mai [nt[i o schem` de la care s` pornim. (Fig a). Impedan\a de ie]ire va fi egal` cu rezisten\a din colector. Alegem a]adar, R B2 R E AC = 1 kω; C E pe ea trebuie s` cad` [n repaus aproximativ 2 = 6 V. Cum va mai trebui s` pierdem tensiune ]i pe rezisten\a de emitor, alegem un curent de repaus de R E DC - R E AC Fig a) I Q = 5 ma stabilind la 7 V poten\ialul emitorului. Deoarece poten\ialul de repaus al emitorului trebuie s` fie 1-2 V, alegem V E = 2 V R = 400 Ω. E DC Urmeaz` alegerea divizorului rezistiv. Lu`m R 10R R =3.9 kω, B2 E DC B2 o valoare din seria E12 cu toleran\a +/- 10% (vezi Anexa 1 din primul volum). Cum VB = VE +0.6 V = 2.6 V RB1 = RB2 14 kω 26. ]i alegem valoarea standardizat` R B1 = 15 kω. La 5 ma, rezisten\a intrinsec` a emitorului este r e = 25 mv 5 ma = 5 Ω. Deoarece amplificarea trebuie s` fie 50, emitorul va trebui s` vad` [n curent alternativ REAC RC 1000 Ω = re = 5= 15 Ω. A 50 Vom realiza circuitul de emitor cu dou` rezisten\e, cea care va fi scurtcircuitat` cu condensator av[nd [n jur de 400 Ω -15 Ω; alegem valoarea standardizat` de 390 Ω.

18 170 Electronic` - Manualul studentului Pentru condensatorul C E stabilim la f min = 100 Hz o reactan\` mult mai mic` dec[t 20 Ω, s` zicem 2 Ω. Rezult` 1 C E 800 µ F 2π 100 Hz 2 Ω ]i alegem valoarea standardizat` C E = 1000 µ F. Impedan\a de intrare se calculeaz` prin legarea [n paralel a lui R B1 cu R B2 ]i cu β( REAC+ re) adic`, 3.9 kω cu 15 kω ]i cu 20 kω, respectiv. Ultimele dou` dau ceva aproape de 8 kω care,, [mpreun` cu R B1, ajung pe la 3 kω. {n consecin\`, 1 C in 053. µ F 2π 100 Hz 3 kω ]i alegem, pentru siguran\`, C in = 1 µ F. Cu toate valorile trecute, schema circuitului arat` acum ca [n Fig b). C in 1.0 µ F 5 ma +12 V R 1 k B1 15 k V out + 7 V + 2 V R B2 R E AC 3.9 k 15 Ω 390 Ω C E 1000 µ F Fig b).

19 Cap. 12. Amplificatorul cu emitor comun 171 Probleme propuse P Pentru circuitul din Fig , +20 V a) calcula\i punctul de func\ionare; 6.2 k 150 k b) determina\i valoarea amplific`rii; V out c) estima\i impedan\a de intrare (β 200) 1.0 µ F 3.3 µ F d) c[t este impedan\a de ie]ire? P Amplificatorul cu sarcin` distribuit` din problema precedent` este utilizat pentru amplificarea unui semnal de 22 k amplitudine mare. 2.2 k a) Calcula\i valorile extreme pe care le poate lua poten\ialul colectorului (tranzistorul [n regim de blocare ]i, respectiv, satura\ie). Aten\ie, poten\ialul emitorului nu este Fig constant. b) in[nd seama de valoarea de repaus a poten\ialului colectorului, calcula\i amplitudinea maxim` a semnalului la ie]ire, cu condi\ia ca tranzistorul s` nu ajung` [n satura\ie sau blocare. c) Care este amplitudiea semnalului de intrare, [n condi\iile de la punctul precedent? P Cu acela]i tranzistor ]i cu aceea]i surs` de alimentare ca [n problema P 12.1, proiecta\i un circuit similar, care s` aib` un curent de repaus de 2 ma ]i o amplificare egal` cu 5 ([n valoare absolut`). P Circuitul din Fig are RC = RE ]i furnizeaz` simultan dou` semnale de ie]ire. Compara\i +20 V a) amplitudinile celor dou` semnale de ie]ire; 6.2 k b) fazele celor dou` semnale de ie]ire; 150 k Cele dou` ie]iri difer` mult prin valoarea impedan\ei. Calcula\i V out 1 aceste impedan\e de ie]ire, consider[nd nul` impedan\a 1.0 µ F generatorului de semnal, ]i formula\i o concluzie asupra sarcinilor ce pot fi conectate la aceste ie]iri. V out 2 P Explica\i func\ionarea circuitului din Fig ]i 47 k 6.2 k justifica\i prezen\a celui de-al doilea tranzistor (\ine\i seama de problema precedent`) P {n circuitul din Fig condensatoarele au reactan\e neglijabile. Fig a) Calcula\i amplificarea, atunci c[nd [n colector nu este cuplat` nici o sarcin` suplimentar`. b) {mbun`t`\i\i precizia rezultatului precdent, \in[nd seama de Efectul Early. P a) Estima\i amplificarea circuitului din Fig , atunci c[nd [n colector nu este cuplat` nici o sarcin` suplimentar` (condensatoarele pot fi considerate cu reactan\` nul`) b) {mbun`t`\i\i estimarea precdent`, \in[nd seama de Efectul Early. c) La c[t coboar` amplificarea dac` [n colector se cupleaz` capacitiv o sarcin` R S = 22. kω? 1.0 µ F 150 k 47 k 6.2 k T 1 V out k Fig T 2 12 k +20 V V out 1

20 172 Electronic` - Manualul studentului out +25 V 1 ma 4.7 k in 10 V in out Fig Fig P La amplificatorul cu emitorul la mas` (nedegenerat), efectul Early produce o mic]orare a amplific`rii [n gol (f`r` alt` sarcin` dec[t ) cu 5-10 %. Crede\i c` acela]i lucru se [nt[mpl` ]i la amplificatorul cu sarcin` distribuit` (emitor comun degenerat)? Indica\ie: Rezisten\a dinamic` v`zut` privind [nspre colector depinde dup` cum, la varia\ia lui V C, tensiunea-baz` emitor este men\inut` constant` sau curentul de emitor r`m[ne constant (revede\i Cap. 4). P Ave\i un semnal de tensiune alternativ cu amplitudinea 1 mv vv ]i trebuie s`-l amplifica\i p[n` la valoarea de 10 V vv. Pentru aceasta, ave\i la dispozi\ie un amplificator cu emitorul la mas` cu amplificarea de 250 ]i un alt etaj cu emitorul comun av[nd amplificarea de 40. Cupla\i [n cascad` cele dou` amplificatoare ]i neglija\i, [n prim` aproxima\ie, pierderile datorit` impedan\ei de intrare finite a celui de-al doilea etaj. a) C[t va fi amplificarea global`? Este ea suficient` pentru tema primit`? b) Aceea]i amplificare o pute\i ob\ine indiferent de ordinea [n care cupla\i etajele. M`rimea distorsiunilor nu va fi, [ns`, aceea]i. Care este ordinea de cuplare care produce distorsiuni mai mici? c) Cele dou` etaje, av[nd ie]irile [n colector, au aproximativ aceea]i impedan\` de ie]ire. Care este ordinea de cuplare astfel [nc[t impedan\a de intrare a celui de-al doilea s` "[ncarce" c[t mai pu\in ie]irea primului? P Proiecta\i amplificatorul cu emitorul la mas` din problema precdent`, care s` v` furnizeze o amplificare egal` cu 250. Frecven\a minim` de lucru va fi 100 Hz. P Proiecta\i acum ]i cel`lalt amplificator, cu amplificarea de 40, alimentat de la aceea]i surs` ca cel de la problema precedent`. P {n amplificatorul cu emitor comun din Fig , destinat s` lucreze la semnal mic, circuitul din emitor a fost modificat prin [nlocuirea uneia dintre rezisten\e cu un tranzistor JFET. a) Stabili\i [n ce regim func\ioneaz` tranzistorul cu efect de c[mp (\ine\i seama de m`rimea tensiunii dren`-surs`). b) Tranzistorul JFET are tensiunea de blocare V P = 2 V ]i parametrul I DSS = 5 ma. {ntre ce valori se modific` amplificarea, la varia\ia tensiunii de comand` a por\ii V contr? (dac` nu ]ti\i [ntre ce valori poate fi modificat` aceast` tensiune, revede\i Capitolul 7) c) Propune\i o aplica\ie a acestui circuit [n lan\ul de amplificare al unui reportofon. in V contr ( 0) 1 M 1 M Fig k 10 V 100 µ F 1 k +15 V out

21 Cap. 12. Amplificatorul cu emitor comun V 150 k 10 k 68 k 5 k V out in 1.0 µ F 1.0 µ F sarcina 2.2k 47 k 50 Ω 22 k 75 Ω 4 k 2 k 1000 µ F 1000 µ F Fig P {n Fig ave\i dou` amplificatoare cu emitor comun legate [n cascad`, primul fiind excitat cu un generator cu impedan\a intern` neglijabil` iar la ie]irea celui de-al doilea fiind legat` capacitiv o rezisten\` de sarcin`. a) Calcula\i amplificarea de tensiune a celui de-al doilea etaj (cu sarcina cuplat`). b) Estima\i impedan\a de intrare a celui de-al doilea etaj (β=200). c) Calcula\i amplificarea primului etaj, [n gol, f`r` ca etajul al doilea s` fie conectat. d) Utiliz[nd rezultatele de la punctele b) ]i c) calcula\i amplificarea primului etaj cu etajul al doilea conectat ca sarcin`. e) Calcula\i amplificarea global` [n condi\iile de la punctul precedent. P Relua\i problema precedent`, consider[nd c` tranzistoarele au factorul β=100. Compara\i amplific`rile cu cele deduse anterior ]i formula\i o concluzie asupra predictibilit`\ii amplific`rii globale. Merit`, [n aceste condi\ii, s` calcul`m [n aproxima\ii mai exacte amplificarea unor astfel de etaje?

22 174 Electronic` - Manualul studentului Lucrare experimental` Ave\i pe plan]et` circuitul din Fig Desena\i-v` pe caiet schema acestuia ]i apoi alimenta\i plan]eta cu o tensiune continu` de aproximativ 15 V. C 1 10 µ F R B1 120 k 7.5 k C 4 C2 22 µ F out 22 µ F +15 V in R B2 20 k R E 1.5 k C µ F R s 3.3 k Fig Experimentul 1. Determinarea punctului static de func\ionare {ncerca\i, mai [nt[i, s` calcula\i punctul de func\ionare din valorile componentelor. Neglij[nd curentul bazei, calcula\i poten\ialul acesteia. De aici rezult` imediat poten\ialul emitorului; legea lui Ohm furnizeaz` curentul de emitor, practic egal cu cel de colector. {n sf[r]it, determina\i tensiunea pierdut` pe rezisten\a ]i poten\ialul colectorului. Decide\i dac` amplificatorul a fost proiectat corect ]i nota\i-v` concluzia Determina\i acum experimental punctul de func\ionare; m`sura\i, cu un voltmetru de curent continuu, tensiunea de alimentare ]i poten\ialele fa\` de mas` ale colectorului ]i emitorului. C[t de aproape sunt aceste valori de cele calculate? Calcula\i apoi valoarea de repaus a curentului de colector ]i, cu aceasta, calcula\i rezisten\a dinamic` r e. Experimentul 2. Amplificatorul cu sarcin` distribuit` [n condi\ii de semnal mic a) Amplificarea Cunoa]te\i valorile rezisten\elor din colector ]i emitor, precum ]i rezisten\a dinamic` r e. Calcula\i amplificarea de tensiunea care se ob\ine la ie]irea din colector A = RC. RE + re Relua\i apoi acest calcul, neglij[nd rezisten\a dinamic` r e. Determina\i c[t de mare este eroarea relativ` produs` de aceast` aproxima\ie. Compara\i-o cu precizia de +/- 10 % cu care cunoa]tem de obicei valorile rezisten\elor ]i trage\i o concluzie. Conecta\i apoi la intrarea amplificatorului un generator de semnal sinusoidal. Regla\i frecven\a pe la 1 khz iar amplitudinea la 100 mv (m`surat` cu osciloscopul). M`sura\i amplitudinea semnalului din emitor ]i formula\i o concluzie. Determina\i acum amplitudinea semnalului din colector ]i calcula\i amplificarea etajului. Compara\i aceast` valoare ob\inut` experimental cu cea calculat` din valorile rezisten\elor. C[t de mare ([n procente) este diferen\a [ntre aceste valori?

23 Cap. 12. Amplificatorul cu emitor comun 175 b) Impedan\a de intrare }ti\i valorile pentru R E ]i rezisten\a dinamic` r e ]i pute\i conta pe un factor β de cel pu\in 200. Calcula\i impedan\a de intrare v`zut` privind [nspre baza tranzistorului ]i apoi rezisten\a echivalent` a divizorului care polarizeaz` baza tranzistorului. Aceste impedan\e apar in paralel la intrarea amplificatorului. Care din ele determin` practic impedan\a de intrare Z in ]i c[t estima\i c` va fi aceasta? Ve\i determina acum experimental impedan\a de R' intrare. Pentru aceasta, va trebui s` utiliza\i un truc, intercal[nd 10 k [ntre generatorul de semnal ]i intrarea amplificatorului o in rezisten\` R de valoare cunoscut`, ca [n Fig Cum v g ~ Z aceast` rezisten\` este parcurs` de acela]i curent ca ]i Z in, in v in c`derile de tensiune pe rezisten\e sunt propor\ionale cu valorile amplificator acestor rezisten\e. De aici, deduce\i expresia lui Z in [n func\ie de R, v g ]i v in. M`sura\i cu osciloscopul amplitudinile semnalelor v g ]i v in ]i calcula\i impedan\a de intrare. Fig Compara\i valoarea ob\inut` cu cea estimat` anterior din valorile componentelor circuitului. C[t de mare este diferen\a? De unde crede\i c` provine ea? c) Impedan\a de ie]ire Ie]irea amplificatorului este la nodul colectorului. C[t ar trebui s` fie impedan\a de ie]ire? Vom determina experimental aceasta impedan\` de ie]ire m`sur[nd amplitudinea semnalului [n dou` situa\ii diferite: f`r` alt` sarcin` dec[t rezisten\a de colector (ie]irea [n gol) ]i cu o rezisten\` de sarcin` cunoscut`, cuplat` capacitiv pentru a nu modifica punctul de func\ionare (Fig ). La cuplarea sarcinii, tensiunea echivalent` Thevenin (cea de mers [n gol) v out gol se distribuie at[t pe impedan\a de ie]ire Z out c[t ]i pe rezisten\a de sarcin` R s ; [n consecin\`, tensiunea la ie]ire v out s va fi mai mic` vout s = Rs R Z v out gol. s + in 7.5 k C2 22 µ F out +15 V 7.5 k C2 22 µ F out +15 V v out gol v out s R E 1.5 k R E 1.5 k R s 3.3 k a) b) Fig

24 176 Electronic` - Manualul studentului Deduce\i, din rela\ia precdent`, expresia impedan\ei de ie]ire. Determina\i apoi experimental cele dou` tensiuni v out gol ]i v out s ]i calcula\i impedan\a de ie]ire a amplificatorului. Compara\i aceast` valoare ob\inut` experimental cu cea determinat` din structura circuitului. Uneori, la amplificatorul cu sarcin` distribuit` se utilizeaz` ]i ie]irea din emitor. Relua\i procedura anterioar` ]i determina\i experimental impedan\a de ie]ire din emitorului tranzistorului. Cum este aceasta [n compara\ie cu impedan\a de ie]ire din colector? Experimentul 3. Amplificatorul cu sarcin` distribuit` [n condi\ii de semnal mare A\i determinat la Experimentul 1 punctul static de func\ionare. Calcula\i acum valorile extreme pe care le poate atinge poten\ialul colectorului (tranzistorul blocat ]i, respectiv, saturat). Atentie, poten\ialul emitorului nu este constant. Cel mai u]or este s` reprezenta\i pe acela]i grafic dependen\ele liniare ale poten\ialelor V C ]i V E [n func\ie de valoarea curentului de colector. Desena\i o diagram` pe care s` apar` cele dou` valori extreme determinate la paragraful precedent, [mpreun` cu nivelul de repaus al poten\ialului colectorului. Cu aceast` diagram`, determina\i amplitudinea maxim` pe care o poate avea semnalul de ie]ire, f`r` s` aduc` tranzistorul [n limitare (blocare sau satura\ie). Verifica\i acum experimental rezultatul ob\inut, m`rind amplitudinea de la generatorul de semnal ]i urm`rind permanent pe osciloscop evolu\ia poten\ialului de colector (aten\ie, intrarea osciloscopului trebuie cuplat` [n curent continuu). Desena\i pe caiet formele de und` distorsionate datorit` atingerii regimului de limitare. Deoarece caracteristica de transfer IC = f( VBE) a tranzistorului este neliniar`, amplificatorul distorsioneaz` semnalul ]i [nainte de atingerea regimului de limitare Cum pe o form` de und` sinusoidal` asemenea distorsiuni se observ` mai greu (ochiul nu este exersat s` recunoasc` dependen\a sinusoidal`), ve\i excita amplificatorul cu un generator de semnal triunghiular, care este gata realizat pe plan]eta pe care lucra\i (Fig.12.23). M`ri\i c[t mai mult amplitudinea semnalului, f`r` s` aduce\i [ns` amplificatorul [n limitare. Urm`ri\i por\iunile rectilinii ale formei de und` ]i [ncerca\i s` vede\i dac` amplificatorul le distorsioneaz`, curb[ndu-le. Formula\i o concluzie. Estima\i ]i cu ce precizie relativ` pute\i spune c` semnalul nu este dstorsionat. +15 V reglaj amplitudine generator de semnal triunghiular in C 1 10 µ F R B1 120 k R B2 20 k R E 1.5 k 7.5 k C 4 C2 C µ F 22 µ F out 22 µ F R s 3.3 k Fig

25 Cap. 12. Amplificatorul cu emitor comun 177 Experimentul 4. Amplificatorul cu emitorul la mas` [n curent alternativ ([n condi\ii de semnal mic) Pentru amplificatorul cu sarcin` distribuit`, amplificarea, fiind egal` cu raportul RC RE (]i, deci, cu raportul tensiunilor pe aceste rezisten\e) nu poate fi prea mare. Dac` dorim o amplificare de valoare mare, emitorul trebuie legat la mas` [n curent alternativ, prin intermediul unui condensator de valoare suficient de mare. Realiza\i ]i dumneavoastr` acest lucru pe plan]et`, conect[nd condensatorul C 3 [n paralel cu rezisten\a din emitor ([n jargon s-ar spune c` a\i decuplat rezisten\a [n curent alternativ). Excita\i amplificatorul de la un generator de semnal sinusoidal cu frecven\a pe la 1 khz. Stabili\i amplitudinea [n a]a fel [nc[t semnalul [n colectorul tranzistorului, vizualizat cu osciloscopul, s` aib` o amplitudine [n jur de 1 V vv. Convinge\i-v` c`, de]i poten\ialele bazei ]i colectorului variaz` [n timp datorit` semnalului aplicat, poten\ialul emitorului este men\inut constant de c`tre condensatorul C 3. a) Amplificarea Ave\i la dispozi\ie mai multe moduri de a calcula amplficarea acestui etaj. Cunoa]te\i valoarea rezisten\ei dinamice r e ]i a rezisten\ei ; calcula\i modulul amplific`rii A = RC re. }ti\i, de asemenea, c`derea de tensiune [n repaus pe rezisten\a ; ]i din aceast` informa\ie pute\i calcula amplificarea A = V repaus 25 mv. Explicati de ce aceste dou` valori nu concord` exact. Care din ele are ]anse s` fie mai apropiat` de realitate? Determina\i acum experimental valoarea amplific`rii. Pentru a determina mai precis amplificarea, m`sura\i tensiunile de intrare ]i de ie]ire cu un voltmetru electronic (dac` acesta are mai multe func\ii, verifica\i s` fie trecut pe tensiuni de curent alternativ). Compara\i valoarea m`surat` a amplific`rii cu cea estimat` din punctul staic de func\ionare A = V repaus 25 mv. C[t de mare este eroarea relativ`? Poate fi ea justificat` numai prin imprecizia cu care cunoa]tem V repaus ]i tensiunea termic`? Face\i acum o estimare mai exact` a amplific`rii, lu[nd [n considera\ie efectul Early; porni\i de la valoarea A = V repaus 25 mv ]i sc`de\i 10 %. Compara\i noua estimare cu valoarea m`surat`. C[t este acum eroarea relativ`? Compara\i-o cu imprecizia cu care a\i m`surat V repaus ]i cu imprecizia lui V T 25 mv, care este de 0.3 % pe grad. b) Impedan\a de intrare {ncerca\i mai [nt[i s` estima\i valoarea acestei impedan\e din valorile componentelor. Rezisten\a echivalent` a divizorului rezistiv a r`mas aceea]i, dar s-a modificat Z in B, deoarece [n emitor apare acum [n alternativ numai rezisten\a dinamc` r e. Pentru determinarea experimental` a impedan\ei de intrare, ve\i utiliza din nou trucul din Fig : intercalarea unei rezisten\e [ntre generatorul de semnal ]i intrarea amplificatorului. {nainte de a m`sura tensiunile v g ]i v in, reface\i reglarea amplitudinii generatorului pentru a ob\ine la ie]ire un semnal de aproximativ 1 V vv. Comparati estimarea cu valoarea m`surat`. De unde crede\i c` provine, [n principal, diferen\a? A\i determinat impedan\a de intrare at[t pentru etajul cu sarcn` distribuit` c[t ]i pentru cel cu emitorul la mas`. Compara\i valorile ob\inute ]i formula\i o concluzie.