Θεωρητική Ανάλυση: Ενισχυτής Κοινού Εκπομπού 1. Κατασκευάστε έναν ενισχυτή κοινού εκπομπού, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα με κέρδος τάσης -10, ο οποίος να τροφοδοτείται από τάση VCC=+12V και να εμφανίζει αντίσταση εξόδου ίση με 1k. i. Ποιες πρέπει να είναι οι τιμές των RC, RΕ; ii. Ποιο είναι το μέγιστο δυνατό peak-to-peak voltage swing; iii. Ποιες είναι οι τάσεις ηρεμίας στον συλλέκτη και τον εκπομπό του ενισχυτή(vc0, VE0); 2. Συνεχίζοντας με το παραπάνω κύκλωμα i. Πόσο θα είναι το ρεύμα ηρεμίας τους συλλέκτη ΙC0; Αν το β=150, τότε πόσο αναμένεται να είναι το IB0 και πόσο θα είναι το ελάχιστο ρεύμα που θα διαρρέει την αντίσταση RB2; ii. Πόσο επιθυμούμε να είναι η τάση VB0; Από τα επόμενα ζεύγη τιμών, ποιο είναι η καλύτερη επιλογή για τις αντιστάσεις RB1 και RB2 ; (130k και 150k), (91k και 10k), (30k και 3.3k), (11k και 1.3k) iii. Πόση είναι η αντίσταση εισόδου του ενισχυτή; 3. Συνεχίζοντας με το παραπάνω κύκλωμα i. Ποια θα είναι η χαμηλή -3dB συχνότητα αποκοπής της εισόδου του ενισχυτή αν Cin = 0.1uF; 1 of 7
ii. Ποια θα είναι η χαμηλή -3dB συχνότητα αποκοπής της εξόδου του ενισχυτή αν Cout = 0.01uF και Zload=100k; 4. Σχεδιάστε το ολοκληρωμένο σχηματικό του κυκλώματος ενισχυτή, με τις τιμές που αποφασίσατε για το κάθε επιμέρους στοιχείου. 5. Για τον παρακάτω ενισχυτή, ο οποίος μας δίνει μεγάλο κέρδος τάσης, υποθέστε πως RC=1k και VCC=+5V. Αν το κέρδος τους ενισχυτή είναι Α=-100 και το τρανζίστορ έχει β=200. Τι τιμή πρέπει να έχει η αντίσταση RB1; Ποιες θα είναι οι τιμές των IC0 και VC0; Προσομοίωση με χρήση Λογισμικού ADS: Ενισχυτής Κοινού Εκπομπού Σχεδιάστε τον ενισχυτή κοινού εκπομπού που μελετήσατε στα υπό-ερωτήματα 1-4 της Θεωρητικής Ανάλυσης. Χρησιμοποιήστε στην ανάλυσή σας το μοντέλο 2N2222A για το τρανζίστορ και τροφοδοτείστε το με VCC=12V και VEE=0V. 1. Χωρίς να τοποθετήσετε σήμα εισόδου στον ενισχυτή σας, απεικονίστε τις τάσεις πόλωσης VC0, VE0 και VB0. Συμφωνούν με αυτές που είχατε υπολογίσει στη θεωρητική ανάλυση; 2. Τοποθετήστε ένα σήμα εισόδου στο κύκλωμα σας και μετρήστε το κέρδος του ενισχυτή σας στα 15kHz. Αυξήστε το πλάτος της τάσης εισόδου για να βρείτε το μέγιστο πλάτος peak-to-peak που μπορεί να φτάσει η έξοδός σας. Παρουσιάστε γραφικές όπου διαφαίνεται το μέγιστο πλάτος που καταφέρνει να πάρει η έξοδός σας. 3. Μετρήστε την απόκριση συχνότητας του ενισχυτή σας στο εύρος 500Hz 2MHz και βρείτε την πάνω -3dB συχνότητα αποκοπής. Πόσο είναι το κέρδος του ενισχυτή σας στο 1MHz; 2 of 7
Ενισχυτής Κοινού Εκπομπού με στάδιο εξόδου ακόλουθο εκπομπού Ένας ακόλουθος εκπομπού έχει κέρδος τάσης +1 και μικρή αντίσταση εξόδου. Προσθέτοντας το παραπάνω στάδιο εξόδου στην έξοδο του ενισχυτή κοινού εκπομπού μας καταφέρνουμε να μειώσουμε την αντίσταση εξόδου του και να βελτιώσουμε την απόκρισή του στις υψηλές συχνότητες. Το τροποποιημένο κύκλωμα φαίνεται παρακάτω. Σχετικά με την πόλωση και των 2 σταδίων του ενισχυτή σας. Διατηρήστε την πόλωση του ενισχυτή κοινού εκπομπού(q1) όπως ήταν και στο αρχικό κύκλωμα με το ένα τρανζίστορ. Το ρεύμα πόλωσης της βάσης του ακόλουθου εκπομπού(q2) καθορίζεται από το ρεύμα του συλλέκτη του τρανζίστορ Q1. Το ρεύμα πόλωσης της βάσης του Q2 αναμένεται να είναι πολύ μικρότερο από το ρεύμα συλλέκτη του Q1 για να μην επηρεάζει το κέρδος. Οπότε η τάση στη βάση του Q2 θα είναι όση και η τάση στον συλλέκτη του Q1 (περίπου 6.75V όπως υπαγορεύει και η DC ανάλυση που κάνατε στο κύκλωμα προηγουμένως). Η τάση στον εκπομπό του Q2, πρέπει να είναι 0.7V χαμηλότερη, δηλαδή 6V. Το ρεύμα εκπομπού του Q2 καθορίζεται από την αντίσταση RE. Επιλέγοντας μία αντίσταση RE=3k θα εξασφαλίσουμε ένα ρεύμα πόλωσης 2mA. Με δεδομένο πως το β=150, πόσο ρεύμα θα «τραβήξει» η βάση του Q2 από τον συλλέκτη του Q1; Είναι σωστή αρχική μας υπόθεση πως αυτό το ρεύμα έχει μικρή επίδραση στην πόλωση του τρανζίστορ Q1; Πόση θα θέλαμε να είναι η αντίσταση εισόδου του σταδίου του ακόλουθου εκπομπού; Προσομοιώστε και εξετάστε τη λειτουργία αυτού του ενισχυτή 2 σταδίων. Επαναλάβετε το πείραμά σας και μετρήστε την απόκριση συχνότητας στο εύρος 500Hz 2MHz. Ποιο είναι το κέρδος του ενισχυτή στο 1MHz; Συγκρίνετε και σχολιάστε την απόδοση του ενισχυτή 2 σταδίων με αυτή του αρχικού(κοινού εκπομπού ενός σταδίου). 3 of 7
Για τα παραπάνω βήματα της προσομοίωσής σας παρουσιάστε γραφικά τα αποτελέσματά σας και σχολιάστε τυχόν αποκλίσεις από τις τιμές(τάσεων και ρευμάτων) που αναμένατε. Ενισχυτής Κοινού Εκπομπού με υψηλό κέρδος τάσης Κατασκευάστε τον ενισχυτή που παρουσιάστηκε στο υπό-ερώτημα 5 της Θεωρητικής Ανάλυσης. Προσέξτε πως για αυτό το κύκλωμα χρησιμοποιούμε με VCC=+5V. Μετρήστε την τάση VC0 και ρυθμίστε την τιμή της αντίστασης RC για να επιτύχετε τις επιθυμητές τιμές όπως τις υπολογίσατε παραπάνω. Υπολογίστε το νέο κέρδος τάσης με βάση την VC0 που τελικά επιλέξατε. Παρουσιάστε γραφικά το DC σημείο πόλωσης του ενισχυτή σας καθώς επίσης και την επίδραση της τιμής της RC στα ρεύματα και τις τάσεις πόλωσης. Το κέρδος αυτού του ενισχυτή είναι αρκετά μεγάλο( 100), αλλά το μέγιστο εύρος τάσης είναι περίπου 4V peak-to-peak. Φροντίστε πως το σήμα εισόδου που τροφοδοτείτε στο κύκλωμά σας είναι αρκετά μικρό ώστε η έξοδός σας να μην κορεστεί. Μετρήστε το κέρδος του ενισχυτή στα 10kHz και υπολογίστε την κάτω -3dB συχνότητα αποκοπής του. Στη συνέχεια αυξήστε το πλάτος της εισόδου σας μέχρι να φτάσετε στη μέγιστή peak-topeak τάση εξόδου. Εμφανίζει η κυματομορφή εξόδου παραμορφώσεις ακόμη και όταν δεν έχετε φτάσει σε αυτή τη μέγιστη τιμή; Τι ευθύνεται για αυτή τη συμπεριφορά; Για τα παραπάνω βήματα της προσομοίωσής σας παρουσιάστε γραφικά τα αποτελέσματά σας και σχολιάστε τυχόν αποκλίσεις από τις τιμές(τάσεων και ρευμάτων) που αναμένατε. 4 of 7
Εργαστηριακή Άσκηση: Ενισχυτής Κοινού Εκπομπού Εργαστήριο Αναλογικών Κυκλωμάτων ΗΥ536 Κατασκευάστε τον ενισχυτή κοινού εκπομπού που μελετήσατε στα υπό-ερωτήματα 1-4 της Θεωρητικής Ανάλυσης. Κατά την σύνδεση του τρανζίστορ προσέξτε να τοποθετήσετε σωστά τους ακροδέκτες της βάσης, του εκπομπού και του συλλέκτη όπως περιγράφεται στο datasheet του. Για την υλοποίηση σας χρησιμοποιήστε το τρανζίστορ 2Ν2222Α και τροφοδοτείστε το κύκλωμά σας με VCC=12V και VEE=0V. 1. Χωρίς να τοποθετήσετε σήμα εισόδου στον ενισχυτή σας, μετρήστε τις τάσεις πόλωσης VC0, VE0 και VB0. Συμφωνούν με αυτές που είχατε υπολογίσει; 2. Τοποθετήστε ένα σήμα εισόδου στο κύκλωμα σας και μετρήστε το κέρδος του ενισχυτή σας στα 15kHz. Αυξήστε το πλάτος της τάσης εισόδου για να βρείτε το μέγιστο πλάτος peak-to-peak που μπορεί να φτάσει η έξοδός σας. Συμφωνεί με αυτό που είχατε υπολογίσει και προσομοιώσει; 3. Το κύκλωμα του ενισχυτή που υλοποιήσατε έχει αντίσταση εξόδου Rout = RC = 1kΩ. Όταν αυτό το κύκλωμα χρησιμοποιείται σε εφαρμογές με μεγάλη συχνότητα λειτουργίας η εσωτερική χωρητικότητα των BNC καλωδίων( 100pF) μαζί με την αντίσταση εξόδου του ενισχυτή σας, Rout, θα σχηματίσει ένα χαμηλο-περατό φίλτρο, το οποίο θα περιορίσει την απόκρισή στις υψηλές συχνότητες. Επαληθεύστε την παραπάνω υπόθεση μετρώντας την απόκριση συχνότητας του ενισχυτή σας στο εύρος 500Hz 2MHz και βρείτε την πάνω -3dB συχνότητα αποκοπής. Πόσο είναι το κέρδος του ενισχυτή σας στο 1MHz; Ένας τρόπος για να αποφύγουμε τον παραπάνω περιορισμό, είναι να μειώσουμε την αντίσταση εξόδου του ενισχυτή μας. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί τοποθετώντας ένα στάδιο εξόδου, ακόλουθου εκπομπού, στην έξοδό μας. Τι περιορισμούς μας εισάγει αυτό; Ενισχυτής Κοινού Εκπομπού με στάδιο εξόδου ακόλουθο εκπομπού Ένας ακόλουθος εκπομπού έχει κέρδος τάσης +1 και μικρή αντίσταση εξόδου, γεγονός που τον κάνει ιδανικό για να χρησιμοποιηθεί σαν στάδιο εξόδου. Προσθέτοντας το παραπάνω στάδιο εξόδου στην έξοδο του ενισχυτή κοινού εκπομπού μας καταφέρνουμε να μειώσουμε την αντίσταση εξόδου του και να βελτιώσουμε την απόκρισή του στις υψηλές συχνότητες. Διατηρείστε την πόλωση αυτού του ενισχυτή 2 σταδίων όπως αυτή περιγράφεται στην ενότητα της προσομοίωσης με το ADS. 5 of 7
Μετρήστε και επαληθεύστε πως η τάση στη βάση του Q2 θα είναι όση και η τάση στον συλλέκτη του Q1(περίπου 6.75V), η τάση στον εκπομπό του Q2 θα είναι 6V καθώς επίσης και πως το ρεύμα εκπομπού του Q2 καθορίζεται από την αντίσταση RE. Αυξομειώστε την τιμή της RE μέχρι να επιτύχετε ένα ρεύμα πόλωσης 2mA. Συμπίπτει η τιμή της με αυτή που χρησιμοποιήσατε στην προσομοίωση παραπάνω; Με δεδομένο πως το β=150, μετρήστε το ρεύμα που θα «τραβήξει» η βάση του Q2 από τον συλλέκτη του Q1. Είναι όσο περιμένατε; Σχολιάστε την επίδραση του ρεύματος στη πόλωση του Q1 καθώς και τις αποκλίσεις από τις προσομοιώσεις που υλοποιήσατε. Φτιάξτε και εξετάστε τη λειτουργία αυτού του ενισχυτή 2 σταδίων. Επαναλάβετε το πείραμά σας και μετρήστε την απόκριση συχνότητας στο εύρος 500Hz 2MHz. Ποιο είναι το κέρδος του ενισχυτή στο 1MHz; Συγκρίνετε και σχολιάστε την απόδοση του ενισχυτή 2 σταδίων με αυτή του αρχικού(κοινού εκπομπού ενός σταδίου). Ενισχυτής Κοινού Εκπομπού με υψηλό κέρδος τάσης Κατασκευάστε τον ενισχυτή που παρουσιάστηκε στο υπό-ερώτημα 5 της Θεωρητικής Ανάλυσης. Μετρήστε την τάση VC0 και ρυθμίστε την τιμή της αντίστασης RC για να επιτύχετε τις επιθυμητές τιμές όπως τις υπολογίσατε παραπάνω. Υπολογίστε το νέο κέρδος τάσης με βάση την VC0 που τελικά επιλέξατε. Φροντίστε ώστε το σήμα εισόδου που τροφοδοτείτε στο κύκλωμά σας είναι αρκετά μικρό ώστε η έξοδός σας να μην κορεστεί. Μετρήστε το κέρδος του ενισχυτή στα 10kHz και υπολογίστε την κάτω -3dB συχνότητα αποκοπής του. Στη συνέχεια αυξήστε το πλάτος της εισόδου σας μέχρι να φτάσετε στη μέγιστή peak-topeak τάση εξόδου. Εμφανίζει η κυματομορφή εξόδου παραμορφώσεις ακόμη και όταν δεν έχετε φτάσει σε αυτή τη μέγιστη τιμή; Τι ευθύνεται για αυτή τη συμπεριφορά; Σχολιάστε όποια διαφορά παρατηρείτε σε σχέση με τα αποτελέσματα των προσομοιώσεών σας. 6 of 7
(Για δική σας διευκόλυνση τα αποτελέσματα των μετρήσεών σας μπορείτε να τα συμπληρώσετε παρακάτω) Παράρτημα: Καλή επιτυχία! 7 of 7