ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 6.1 ΚΑΘΡΕΠΤΕΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Σε ένα καθρέπτη ρεύµατος, το ρεύµα του κλάδου της εξόδου είναι πάντα ίσο µε το ρεύµα του κλάδου της εισόδου, αποτελεί δηλαδή το είδωλο του. Μία τέτοια διάταξη δείχνει το σχ.6.1. Εδώ το τρανζίστορ T 1 είναι συνδεδεµένο σαν δίοδος (διοδική σύνδεση). Βασική προϋπόθεση για την επιτυχία του καθρέπτη είναι η απόλυτη οµοιότητα των δύο τρανζίστορ Τ 1 και Τ, πράγµα που µπορεί να εκπληρωθεί µε µεγάλη προσέγγιση στα ολοκληρωµένα κυκλώµατα. Η τεχνική κατασκευής των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων επιτρέπει την κατασκευή των δοµικών στοιχείων, δηλαδή των τρανζίστορ, των αντιστάσεων και των πυκνωτών, µε πολύ παραπλήσια χαρακτηριστικά. Έτσι, κατασκευάζονται όµοια τρανζίστορ, και όµοιες χωρητικότητες και αντιστάσεις, που η µεταξύ τους απόκλιση µπορεί να γίνει µικρότερη του 1 %. Σχ.6.1. Απλή συνδεσµολογία καθρέπτη ρεύµατος. Η τάση V BE είναι ίδια και για τα δύο τρανζίστορ, οπότε επειδή τα δύο τρανζίστορ είναι ίδια θα έχουµε το ίδιο ρεύµα στις βάσεις τους, άρα και στους συλλέκτες τους. (I C1 =I C ). Για τα ρεύµατα των δύο κλάδων προκύπτει I (1 1 = I + I B = I + ) (6.1) β Όσο πιο µεγάλο είναι το β των δύο τρανζίστορ, τόσο πιο µικρό το /β και εποµένως η προσέγγιση των ρευµάτων των δύο κλάδων.
6. ΚΑΘΡΕΠΤΗΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ WILSON Ο καθρέπτης ρεύµατος Wilson (σχ.6.) διαφέρει από τον απλό καθρέπτη µόνο στο τρίτο τρανζίστορ και χάρη σε αυτό επιτυγχάνει καλύτερη προσέγγιση µεταξύ των ρευµάτων εισόδου και εξόδου. Σχ.6.. Καθρέπτη ρεύµατος Wilson. Το ρεύµα του πρώτου κλάδου είναι I 1 = I C 1 + I B3 (6.) και το ρεύµα του δεύτερου κλάδου I = I C1 + I B I B3 (6.3) δηλαδή µεταξύ των ρευµάτων των δύο κλάδων υπάρχει ακόµη µεγαλύτερη προσέγγιση I = I1 + ( I B I B3 ). (6.4) Η συνδεσµολογία Wilson πλεονεκτεί έναντι της απλής και για έναν ακόµα λόγο. Στην απλή συνδεσµολογία, η τάση V CE του T 1 είναι ίση µε V BE, ενώ η V CE για το Τ µπορεί να έχει πολύ µεγαλύτερη τιµή. Σ' αυτήν την περίπτωση, παρ'όλο που έχουµε το ίδιο ρεύµα βάσης, λόγω της κλίσης της χαρακτηριστικής I CE - V CE που οφείλεται στο φαινόµενο Early, τα ρεύµατα των συλλεκτών θα παρουσιάζουν κάποια απόκλιση. Στη συνδεσµολογία Wilson διαπιστώνουµε ότι δεν υπάρχει µεγάλο πρόβληµα, δεδοµένου ότι το τρανζίστορ Τ λειτουργεί υπό τάση V CE = V BΕ, ενώ για το T 1 η τάση V CE1 είναι ίση µε V BE. Πρέπει ακόµα να προσθέσουµε ότι η εν λόγω διάταξη παρουσιάζει πιο µεγάλη αντίσταση εξόδου από την απλή διάταξη, πράγµα που είναι επιθυµητό για µια πηγή ρεύµατος.
6.3 ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ PUSH PULL Είναι συµµετρικοί ενισχυτές οι οποίοι χρησιµοποιούν δύο τρανζίστορ. Στο σχ.6.3 δίνεται ένας ενισχυτής push-pull µε µετασχηµατιστές εισόδου και εξόδου, που είναι πολωµένος να λειτουργήσει σε τάξη Α, δηλαδή το σηµείο λειτουργίας είναι στο µέσο της ευθείας φόρτου. Η πόλωση των δύο τρανζίστορ Τ 1, Τ είναι η ίδια και γίνεται µε το διαιρέτη τάσης R 1, R. Και οι δύο βάσεις των τρανζίστορ έρχονται, δια µέσου των τυλιγµάτων του µετασχηµατιστή εισόδου, που έχουν µικρή αντίσταση στο δυναµικό του σηµείου Β, ενώ τα τρανζίστορ τροφοδοτούνται από την V cc µέσω του µετασχηµατιστή εξόδου. Ο µετασχηµατιστής εισόδου βγάζει στην έξοδο του αντίρροπες τάσεις ως προς το κεντρικό σηµείο λήψης Β. ηλαδή θα είναι πάντοτε u AB = -U ΓΒ. Έτσι και τα AC ρεύµατα των δύο βάσεων θα είναι και αυτά ίσα και αντίθετα µεταξύ τους. Σχ.6.3. Κύκλωµα ενισχυτή Push Pull µε µετασχηµατιστές. Η λειτουργία ενισχυτών σε τάξη Β αφορά βασικά τους ενισχυτές push-pull. Εάν στο κύκλωµα του ενισχυτή του σχ. 6.3 το δυναµικό του Β είναι κοντά στα 0,6V ώστε τα τρανζίστορ να είναι σε αποκοπή, τότε ο ενισχυτής θα λειτούργησει σε τάξη Β. Το σηµείο Q τοποθετείται τώρα, για το κάθε τρανζίστορ, στο κάτω άκρο της ευθείας φόρτου (σχ. 6.4). 'Ετσι, κατά τη θετική ηµιπερίοδο του σήµατος άγει το τρανζίστορ Τ 1, ενώ το Τ είναι σε αποκοπή, δεδοµένου ότι στη βάση του υπάρχει αρνητικό δυναµικό. Κατά την αρνητική ηµιπερίοδο του σήµατος άγει το Τ, ενώ το Τ 1 βρίσκεται σε αποκοπή. Εποµένως, στο φορτίο θα περάσει η µία ηµιπερίοδος του ρεύµατος λόγω αγωγιµότητας του Τ 1 και η άλλη ηµιπερίοδος λόγω αγωγιµότητας του Τ, οπότε θα έχουµε στο φορτίο ολόκληρη την περίοδο του σήµατος. Το πλεονέκτηµα της λειτουργίας σε τάξη Β είναι ότι για µηδενικό σήµα εισόδου η κατανάλωση ισχύος από την πηγή τροφοδοσίας θα είναι µηδενική (τα τρανζίστορ βρίσκονται σε αποκοπή).
Σχ.6.4. Λειτουργία του ενισχυτή σε τάξη Β. Στους ενισχυτές push-pul1 έχουµε τη λεγόµενη παραµόρφωση διασταύρωσης (crossover). Αυτή οφείλεται στη µη γραµµική χαρακτηριστική εισόδου i B -u BE. Αν θεωρήσουµε τη χαρακτηριστική τάσης-ρεύµατος που αφορά και τα δύο τρανζίστορ του ενισχυτή, φτιάχνουµε τη σύνθετη χαράκτηριστική του σχ. 6.5, που αντιστοιχεί στο ένα τρανζίστορ για τη θετική ηµιπερίοδο του σήµατος και στο άλλο τρανζίστορ για την αρνητική ηµιπερίοδο. Φυσικά, για τρανζίστορ npn, οι άξονες i B1, i Β και υ ΒΕ1, υ ΒΕ, αφορούν θετiκές τιµές των µεγεθών αυτών. Για να αποφύγουµε την παραπάνω παραµόρφωση, πολώνουµε τους ενισχυτές µε τον διαιρέτη τάσης R 1, R ώστε τα τρανζίστορ µόλις να αρχίζουν να άγουν. Σχ.6.5. Παραµόρφωση διασταύρωσης λόγω της µη γραµµικής χαρακτηριστικής ρεύµατος-τάσης.
Πολλές φορές για να αποφύγουµε τη µεγάλη καµπυλότητα που παρουσιάζουν οι χαρακτηριστικές εισόδου στις µικρές τάσεις, πολώνουµε τον ενισχυτή σε τάξη ΑΒ, πράγµα που σηµαίνει ότι αφήνουµε να περάσει κάποιο σηµαντικό ρεύµα πόλωσης µέσα από τα τρανζίστορ. 6.4 ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ PUSH PULL ΜΕ ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ Μπορούµε να αποφύγουµε τη χρήση των µετασχηµατιστών εισόδου και εζόδου σε ένα ενισχυτή push-pull αν χρησιµοποιήσουµε συµπληρωµατικά τρανζίστορ. Ενας τέτοιος ενισχυτής δείχνεται στο σχ.6.6. Eiναι βασικά ένας ακολουθητής τάσης που µπορεί να ενισχύσει σε ισχύ και όχι σε τάση, ένα σήµα µε θετικές και αρνητικές εναλλαγές. Σχ.6.6. Ενισχυτής push-pull µε συµπληρωµατικά τρανζίστορ. Με το δικτύωµα των δύο ίσων αντιστάσεων R και των διόδων πολώνονται τα δύο τρανζίστορ σε τάξη Β. Προφανώς, το δυναµικό του σηµείου Α είναι στο µηδέν, διότι οι δύο αντιστάσεις θεωρούνται όµοιες, όπως και οι δύο δίοδοι και οι απόλυτες τιµές των τροφοδοσιών +V CC και -V CC. Οι δίοδοι τοποθετούνται για την εξάλειψη της νεκρής ζώνης τάσης ( x 0,7V=1,4V) που υπάρχει στα τρανζίστορ. Έτσι, η βάση του κάθε τρανζίστορ βρίσκεται σε δυναµικό (+V D,-V D ), τέτοιο ώστε τα τρανζίστορ µόλις αρχίζουν να άγουν. Αντί των διόδων µπορούσαν να τοποθετηθούν αντιστάσεις, αλλά προτιµώνται οι δίοδοι γιατί εξασφαλίζουν σταθερότητα πόλωσης έναντι των µεταβολών της θερµοκρασίας. Στο σχ.6.7 δείχνονται οι χαρακτηριστικές των δύο τρανζίστορ για τις οποίες υποθέτουµε ότι έχουν ένα δυναµικό κατωφλίου Vγ ίσο µε το δυναµικό V D των διόδων. Έτσι, τα σηµεία πόλωσης των δύο τρανζίστορ βρίσκονται στα Q 1 και Q αντίστοιχα. Με τη θετική ηµιπερίοδο του σήµατος εισόδου το δυναµικό u B1 της βάσης του Τ 1 αυξάνει, µε συνέπεια να αυξηθεί ελαφρά το u BE1 και εποµένως το T 1 να αρχίσει να άγει.
εχόµαστε ότι στον αγώγιµο κλάδο των δύο διόδων το άθροισµα της πτώσης τάσης στις διόδους παράµενει σταθερό, δηλαδή u D1 + u D = u BE1 + u BE = V D = σταθ. (6.5) Εάν λοιπόν το σηµείο λειτουργίας του Τ 1 από το Q 1 πάει στο Q 1, οπότε αυξάνει το u ΒE1, τότε µε βάση την παραπάνω σχέση, το δυναµικό υ ΒΕ θα ελαττωθεί κατ απόλυτη τιµή οπότε το σηµείο λειτουργίας από το Q θα πάει στο Q, που αντιστοιχεί σε πλήρη αποκοπή του Τ. Σχ.6.7. Όταν το ένα τρανζίστορ έρχεται σε αγωγιµότητα το άλλο τρανζίστορ έρχεται σε αποκοπή. Η λειτουργία του ενισχυτή είναι η ίδια µε τη λειτουρχια του ενισχυτή pushpul1 που εξετάσαµε προηγσυµένως. Κατά τη θετική εναλλαγή του σήµατος άγει το T 1, οπότε το σήµα υ i εφαρµόζεται ολόκληρο πάνω στην αντίσταση φορτίου R L. To Τ βρίσκεται σε αυτή τη φάση σε αποκοπή. Κατά την αρνητική εναλλαγή του u i άγει µόνο το Τ και το σήµα u i, εµφανίζεται πάνω στην R L. Έτσι, τόσο η θετική, όσο και η αρνητική εναλλαγή του σήµατος εισόδου εφαρµόζονται µέσω των αντίστοιχων ακολουθητών τάσης, πάνω στο φορτίο. Πόλωση Όπως έχουµε αναφέρει προηγουµένως, στην επεξήγηση της λειτουργίας, η πόλωση γίνεται µε τις δύο διόδους. Ο λόγος που προτιµάµε τις διόδους είναι η σταθερότητα της διαφοράς δυναµικού στα άκρα τους σε σχέση µε τις µεταβολές θερµοκρασίας. Άυτό προϋποθέτει ότι τα δύο τρανζίστορ και οι δύο δίοδοι είναι πανοµοιότυπα. Επειδή κάτι τέτοιο είναι εφικτό κυρίως σε ολοκληρωµένα κυκλώµατα, για να λύσουµε το πρόβληµα της διαφορετικής συµπεριφοράς, χρησιµοποιούµε µαζί µε τις διόδους, ή αντί αυτές, µία µεταβλητή αντίσταση στην οποία θα ρυθµίσουµε την επιθυµητή διαφορά δυναµικού στα άκρα της. Το σηµείο ηρεµίας Q (DC) βρίσκεται στο µέσο µεταξύ των τάσεων τροφοδοσίας (+V CC,-V CC ), δηλαδή V oq =0V. Το ρεύµα ηρεµίας (DC) που περνάει από το φορτίο είναι προφανώς I oq =0A. V oq = 0V και I oq = 0A (6.6) Στη περίπτωση που για τροφοδοσία χρησιµοποιούµε (+V CC,0V), τότε το µέσο είναι το V oq =V CC / και το ρεύµα ηρεµίας είναι I oq =V oq /R L =V CC /R L. V V CC oq VCC V oq = και I oq = =. (6.7) R R L L
AC Λειτουργία Κατά την λειτουργία, όσο το ac σήµα εισόδου ξεπερνάει τα 0,7 Volts, το τρανζίστορ ξεκινάει να άγει και περνάει πολύ γρήγορα από την περιοχή αποκοπής στην περιοχή κόρου. Τα δύο τρανζίστορ ακολουθούν την τάση εισόδου κατά τις ατίστοιχες ηµιπεριόδους. Παρακάτω φαίνεται η λειτουργία για ένα push-pull ενισχυτή µε τροφοδοσίες (+1V,0V) και σήµα εισόδου 4V p-p. Το σήµα εισόδου φαίνεται γύρω από τα 0V. Οι δύο δίοδοι πολώνουν τις βάσεις των δύο τρανζίστορ στα V B1 =6+0,7V=6,7V και V B =6-0,7V=5,3V. Έτσι η έξοδος είναι πολωµένη στα 6V DC και έχει ένα AC σήµα 4V p-p. Σχ.6.8. Push-Pull ενισχυτής σε λειτουργία. Οι µέγιστες AC τιµές που µπορεί να πάρει ο ενισχυτής για την τάση είναι V CC -V oq και για το ρεύµα είναι (V CC -V oq )/R L, διότι θεωρούµε ότι στην κατάσταση κόρου V CE =0,V 0V.