Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Τμήμα Ηλεκτρολογίας ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Θέμα: Μελέτη συχνοτικής απόκρισης ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Μαστοράκης Ιωάννης Τσιμπίσης Σωτήρης Υπεύθυνος : Μαγκαφάς Λυκούργος Καθηγητής Καβάλα Οκτώβριος 2011
Περιεχόμενα Περίληψη Σελ.4 Abstract Σελ.5 Κεφάλαιο 1 ο Διπολικά τρανζίστορ 1.1 Εισαγωγή Σελ.6 1.2Δομή Σελ.7 1.2.1 Επαφές εκπομπού και συλλέκτη Σελ.7 1.2.2Το τρανζίστορ χωρίς πόλωση Σελ.7 1.2.3 Κυκλωματικά σύμβολα Σελ.9 1.3 Ορθή-ανάστροφη πόλωση 1.3.1 Το τρανζίστορ με πόλωση Σελ.10 1.3.2 Προκαταρκτική ερμηνεία Σελ.11 1.4 Συνδεσμολογία κοινού εκπομπού 1.4.1 Εισαγωγή Σελ.13 1.4.2 Λειτουργία του CΕ Σελ.14 1.4.3 DC βήτα Σελ.14 1.5 Χαρακτηριστικές τρανζίστορ κοινού εκπομπού 1.5.1 Εισαγωγή... Σελ.15 1.5.2 Περιοχές λειτουργίας. Σελ.16 1.6 Βλάβες... Σελ.18 Κεφάλαιο 2 ο Ενισχυτές 2.1 Γενικά Σελ.20 2.2 Ενισχυτής κοινού εκπομπού Σελ.21 2.3 Μελέτη dc λειτουργίας ενισχυτή Σελ.22 2.4 Μελέτη AC λειτουργίας του ενισχυτή Σελ.24 2.5 Ανάλυση του ενισχυτή κοινού εκπομπού 2.5.1 DC Γραμμή φορτίου Σελ.25 2.5.2 Κέρδος τάσης Σελ.26 2.5.3 Αντιστροφή φάσης Σελ.27 Κεφάλαιο 3 ο Ενισχυτικές βαθμίδες σε σύνδεση cascade(καταρράκτη) 3.1 Εισαγωγή Σελ.28 3.2 Πολλαπλασιασμός των κερδών τάσης Σελ.28 3.3 Σύζευξη RC Σελ.29 3.4 Σύζευξη μετασχηματιστή (Transfer Coupled Amplifier) Σελ.32 3.5 Σύζευξη απευθείας (Direct Coupled amplifier) Σελ.34 3.6 Σύζευξη με Αντίσταση 35 Σελ.36 Κεφάλαιο 4 ο Συχνοτική μελέτη των ενισχυτών 4.1 Συχνοτική απόκριση (Frequency response) Σελ.38 4.2 Εύρος ζώνης συχνοτήτων Σελ.39 4.3 Συχνότητες αποκοπής. Σελ.40 4.4 Συχνότητες αποκοπής στους ενισχυτές κοινού εκπομπού 4.4.1Υπολογισμός των κάτω συχνοτήτων αποκοπής στους ενισχυτές κοινού εκπομπού Σελ.41 4.4.2 Επιλογή της συχνότητας αποκοπής Σελ.43 Κεφάλαιο 5 ο Πειραματικό Μέρος 1 ο Πείραμα Ενισχυτής με ζεύξη RC (RC coupled amplifier) Σελ.44 2
2 ο Πείραμα Ενισχυτής με ζεύξη μετασχηματιστή.(transformer Coupled Amplifier) Σελ.52 3 ο Πείραμα Ενισχυτής με απευθείας ζεύξη (Direct Coupled Amplifier) Σελ.57 Συμπεράσματα Σελ.62 Βιβλιογραφία Σελ.64 3
Περίληψη Ο σκοπός της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι η μελέτη της συχνοτικής απόκρισης ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Συγκεκριμένα τα κυκλώματα που μελετήθηκαν ήτανε διατάξεις διβαθμιαίων ενισχυτών με σύνδεση καταρράκτη, που υλοποιήθηκαν με τρανζίστορ ΝΡΝ στο εργαστήριο των ηλεκτρονικών. Στο θεωρητικό μέρος της παρούσας εργασίας δίνονται οι βασικές αρχές των τρανζίστορ ΝΡΝ,του ενισχυτή κοινού εκπομπού και κάποιες βασικές έννοιες τις οποίες θα συναντήσουμε στο πειραματικό μέρος της εργασίας όπως εύρος ζώνης συχνοτήτων, bandwidth, συχνότητες αποκοπής. Μελετήσαμε τρία κυκλώματα διβαθμιαίων ενισχυτών: Ενισχυτής με ζεύξη RC (RC coupled amplifier) Ενισχυτής με ζεύξη μετασχηματιστή ( Transformer coupled amplifier) Ενισχυτής με απευθείας ζεύξη (Direct coupled amplifier) Στο εργαστήριο πραγματοποιήσαμε τα τρία παραπάνω κυκλώματα τα οποία τα μελετήσαμε ως προ την απολαβή τους σε συνάρτηση με την συχνότητα και τον τύπο της ζεύξης των κυκλωμάτων. 4
Abstract The purpose of this dissertation is to study the frequency response of electronic circuits. Specifically, the circuits studied were provisions twostage amplifiers implemented with transistor NPN in the laboratory of electronics. In the first part of this work is the theory and the basic operation principals of the NPN transistors, common emitter amplifier and some of the basics concepts which we will meet in the experimental part of this dissertation such as bandwidth and cut-off frequencies and frequency response curves. We have studied three coupling types of the two-stage amplifiers circuits: RC coupled amplifier Transformer coupled amplifier Direct coupled amplifier In the lab we had these three circuits which studied according to its gain as a function of frequency and type of coupling circuits. 5
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο Διπολικά τρανζίστορ. 1.1 Εισαγωγή Ο Shockley διατύπωσε την θεωρία του τρανζίστορ επαφής το 1949. Το πρώτο τρανζίστορ κατασκευάστηκε το 1951. Ο Shockley πήρε αργότερα, για την μνημειώδη του ανακάλυψη, το βραβείο Nobel.Η επίδραση του τρανζίστορ στην ηλεκτρονική υπήρξε τεράστια. Εκτός από την τεράστια βιομηχανία ημιαγωγών, το τρανζίστορ οδήγησε σε πολλές σχετικές ανακαλύψεις, όπως τα ολοκληρωμένα κυκλώματα, η οπτοηλεκτρονικές διατάξεις και οι μικροϋπολογιστές. Οι περισσότερες ηλεκτρονικές συσκευές σχεδιάζονται σήμερα με ημιαγωγά στοιχεία. Από νωρίς το τρανζίστορ αντικατέστησε στις περισσότερες εφαρμογές την λυχνία κενού. Μας επιτρέπει να κάνουμε πράγματα που ήταν δύσκολο ή αδύνατο να γίνουν με τις λυχνίες. Αυτό είναι ιδιαίτερα εμφανές στη βιομηχανία των υπολογιστών. Οι ιστορικοί συμφωνούν ότι το τρανζίστορ δεν αναμόρφωσε τη βιομηχανία των υπολογιστών, αλλά την δημιούργησε. Εικ.1 Ρεπλίκα του πρώτου τρανζίστορ που κατασκευάστηκε από τα εργαστήρια της Bell 6
1.2 Δομή Το τρανζίστορ είναι ένας κρύσταλλος με τρεις εμπλουτισμένες περιοχές, όπως το ΝΡΝ τρανζίστορ του Σχ.1-1. Ο εκπομπός είναι μία έντονα εμπλουτισμένη περιοχή. Ο προορισμός του είναι να εκπέμπει ή να εισάγει ηλεκτρόνια στη βάση. Η βάση είναι μια λιγότερο εμπλουτισμένη και πολύ λεπτή περιοχή. Το πάχος της βάσης επιτρέπει στα περισσότερα ηλεκτρόνια, που εκπέμπονται από τον εκπομπό, να φτάνουν στο συλλέκτη. Το επίπεδο εμπλουτισμού του συλλέκτη βρίσκεται ανάμεσα σε αυτό του εκπομπού και της βάσης. Η περιοχή του συλλέκτη είναι η μεγαλύτερη από τις τρείς περιοχές του τρανζίστορ, επειδή πρέπει να καταναλώνει περισσότερη ισχύ από τον εκπομπό ή τη βάση. Σε ένα τρανζίστορ ΝΡΝ φορείς πλειονότητας στον εκπομπό και το συλλέκτη είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. 1.2.1 Επαφές εκπομπού και συλλέκτη Το τρανζίστορ του Σχ.1-1 έχει δύο επαφές. Μια ανάμεσα στον εκπομπό και τη βάση και μια άλλη ανάμεσα στη βάση και το συλλέκτη. Έτσι, το τρανζίστορ μοιάζει με δύο διόδους, που συνδέονται πλάτη με πλάτη. Ονομάζουμε την επαφή, που βρίσκεται αριστερά επαφή εκπομπού βάσης ή απλά επαφή εκπομπού. Η επαφή, που βρίσκεται δεξιά, είναι η επαφή συλλέκτη-βάσης ή η επαφή συλλέκτη. Στο Σχ.1-1 παρουσιάζεται μία άλλη δυνατότητα, το τρανζίστορ ΡΝΡ. Το τρανζίστορ ΡΝΡ είναι το συμπληρωματικό του τρανζίστορ ΝΡΝ, επειδή οι φορείς πλειονότητας στον εκπομπό και στο συλλέκτη είναι οι οπές. Αυτό σημαίνει, ότι κατά την λειτουργία ενός τρανζίστορ ΡΝΡ, τα ρεύματα και οι τάσεις έχουν αντίθετες φορές, σε σχέση με τα αντίστοιχα μεγέθη ενός τρανζίστορ ΝΡN. Σχ.1-1 Τρανζίστορ ΝΡΝ(αριστερά )-Τρανζίστορ ΡΝΡ(δεξιά) 1.2.2 Το τρανζίστορ χωρίς πόλωση Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του εκπομπού ενός τρανζίστορ ΝΡΝ διαχέονται προς την επαφή εκπομπού και εισέρχονται στη βάση. Εκεί, προκαλούν τη δημιουργία μιας περιοχής φορτίων χώρου, όπως φαίνεται στο Σχ.1-2 α (ΕΒ περιοχή φορτίων χώρων). Ομοίως τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του συλλέκτη διαχέονται προς την επαφή του συλλέκτη και δημιουργούν την περιοχή φορτίων χώρων CB. Και στις δύο περιοχές φορτίων χώρου το φράγμα δυναμικού είναι 0,7 V,για τρανζίστορ πυριτίου στους 7
25 ο C (0,3 V για τρανζίστορ γερμανίου). Όπως και με τις διόδους, δίνουμε έμφαση στα τρανζίστορ πυριτίου, επειδή χρησιμοποιούνται περισσότερο από τα τρανζίστορ γερμανίου. Τα τρανζίστορ πυριτίου έχουν μεγαλύτερους απόλυτους περιορισμούς τάσης και ρεύματος, ενώ είναι λιγότερο ευαίσθητα στη θερμοκρασία.στην μελέτη που ακολουθεί τα τρανζίστορ θα ναι πυριτίου, εκτός αν δηλώνεται διαφορετικά. Επειδή οι τρείς περιοχές του τρανζίστορ έχουν διαφορετικά επίπεδα εμπλουτισμού, οι περιοχές φορτίων χώρου δεν έχουν το ίδιο εύρος. Όσο περισσότερο είναι εμπλουτισμένοι μία περιοχή φορτίων χώρου, τόσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση των ιόντων κοντά στην επαφή. Αυτό σημαίνει ότι η περιοχή φορτίων χώρου διεισδύει ελάχιστα στην περιοχή του εκπομπού (μεγάλος εμπλουτισμός), αλλά πολύ βαθιά μέσα στην περιοχή της βάσης(μικρός εμπλουτισμός). Η περιοχή φορτίων χώρου της επαφής του συλλέκτη διεισδύει αρκετά στην περιοχή της βάσης και του συλλέκτη. Στο Σχ.1-2 β διακρίνεται το διαφορετικό εύρος. Η περιοχή φορτίων χώρου το εκπομπού είναι μικρή, ενώ η περιοχή φορτίων χώρου του συλλέκτη είναι μεγάλη. Σημειώνουμε ότι οι περιοχές φορτίων χώρου είναι σκιασμένες για να υπενθυμίζουν την έλλειψη φορέων πλειονότητας. Σχ.1-2 Περιοχές φορτίων χώρου 8
1.2.3 Κυκλωματικά σύμβολα Στο Σχ.1-3 δίνεται το κυκλωματικό σύμβολο ενός τρανζίστορ ΝΡΝ. Το βέλος που υπάρχει στον εκπομπό, δείχνει την συμβατική φορά του ρεύματος. Με άλλα λόγια, τα ηλεκτρόνια κινούνται προς τον εκπομπό. Ομοίως, στο Σχ.1-3 δίνεται το κυκλωματικό σύμβολο του τρανζίστορ ΡΝΡ. Σε αυτήν την περίπτωση το βέλος έχει φορά προς τον εκπομπό και δείχνει τη συμβατική φορά του ρεύματος. Έτσι τα ηλεκτρόνια απομακρύνονται από τον εκπομπό. Σχ.1-3 Κυκλωματικά σύμβολα. (Αριστερά) ΝΡΝ, (δεξιά) ΡΝΡ 9
1.3 ΟΡΘΗ-ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ ΠΟΛΩΣΗ 1.3.1 Το τρανζίστορ με πόλωση Στο Σχ.1-4 a δίνεται ένα τρανζίστορ ΝΡΝ με γειωμένη την βάση. Επειδή το ηλεκτρόδιο της βάσης είναι κοινό στους βρόχους του εκπομπού και του συλλέκτη,το κύκλωμα αυτό λέγεται συνδεσμολογία κοινής βάσης (CB). Μερικές φορές προτιμάται ο όρος συνδεσμολογία με γειωμένη βάση. Στο Σχ1-4 b οι dc πηγές τάσης πολώνουν ανάστροφα τις επαφές εκπομπού και συλλέκτη. Έτσι οι επαφές αυτές δεν διαρρέονται από ρεύμα. Στο Σχ1-4 β παρουσιάζεται μια άλλη δυνατότητα. Αυτήν την φορά οι dc πηγές τάσης πολώνουν ορθά τις επαφές εκπομπού και συλλέκτη. Έτσι, κάθε επαφή διαρρέετε από ένα μεγάλο ρεύμα. Στα Σχ1-4 c δε συμβαίνει τίποτε το ασυνήθιστο. Είτε δεν έχουμε ρεύμα (και οι δύο επαφές είναι πολωμένες ανάστροφα) είτε έχουμε μεγάλα ρεύματα (και ο δύο επαφές είναι πολωμένες ορθά). Σπάνια το τρανζίστορ πολώνετε με αυτούς τους τρόπους. Σχ.1-4 Πόλωση του τρανζίστορ.(a)και οι δύο επαφές πολωμένες ανάστροφα.(b)και οι δύο επαφές πολωμένες ορθά.(c)επαφή εκπομπού πολωμένη ορθά και συλλέκτη ανάστροφα 10
Αν πολώσουμε ορθά την επαφή εκπομπού και ανάστροφα την επαφή συλλέκτη, όπως φαίνεται στο Σχ.1-4 c, τότε συμβαίνει κάτι το ασυνήθιστο. Η αρχική μας αντίδραση είναι να δεχθούμε ότι έχουμε ένα μεγάλο ρεύμα στην επαφή εκπομπού και ένα πολύ μικρό στην επαφή του συλλέκτη. Όμως δεν συμβαίνει αυτό! Έχουμε ένα μεγάλο ρεύμα στον εκπομπό, αλλά και ένα επίσης μεγάλο ρεύμα στο συλλέκτη. Αυτό το απρόσμενο αποτέλεσμα προσδίδει στο τρανζίστορ την σπουδαιότητα που έχει. 1.3.2 Προκαταρκτική ερμηνεία Την στιγμή που στην επαφή εκπομπού εφαρμόζεται η ορθή πόλωση,τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του εκπομπού δεν έχουν ακόμη περάσει στη περιοχή της βάσης (Σχ1-5 ). Αν η εφαρμοζόμενη τάση ξεπερνάει λίγο τα 0,7 V, τότε στη βάση εισέρχονται πολλά ηλεκτρόνια (Σχ1-5). Τώρα τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, που βρίσκονται στην περιοχή της βάσης, μπορούν να κινηθούν κατά δύο διεύθυνσης: κάτω προς τον ακροδέκτη της βάσης ή προς την επαφή του συλλέκτη. Το ρεύμα προς τα κάτω λέγεται ρεύμα ανασύζευξης, επειδή τα ελεύθερα ηλεκτρόνια πρέπει να πέσουν μέσα στις οπές, πριν την εμφάνιση τους στον εξωτερικό αγωγό της βάσης. Το ρεύμα ανασύζευξης είναι μικρό, επειδή η βάση είναι ελαφρά εμπλουτισμένη και έχει λίγες οπές. ` Σχ.1-5 Ροή ηλεκτρονίων στο τρανζίστορ 11
Επειδή η βάση είναι λίγο εμπλουτισμένη, τα περισσότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια διαχέοντα προς τον συλλέκτη, όπως φαίνεται στο Σχ1-5. Έτσι, μέσα στον συλλέκτη τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται προς τον εξωτερικό αγωγό και το θετικό πόλο της πηγής τάσης. Να, λοιπόν η τελική εικόνα που έχουμε. Στο Σχ1-5 βλέπουμε μια μόνιμη ροή ηλεκτρονίων από τον αρνητικό πόλο της πηγής τάσης προς τον εκπομπό. Η ορθή πόλωση της επαφής εκπομπού αναγκάζει αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια να κινηθούν προς την περιοχή της βάσης. Η λεπτή και λίγο εμπλουτισμένη βάση παρέχει σε όλα σχεδόν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια αρκετό χρόνο ζωής, ώστε να διαχυθούν προς την επαφή του συλλέκτη, πριν ανασυζευχθούν με οπές της βάσης. Μετά, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια ρέουν έξω από τον συλλέκτη, προς το θετικό πόλο της πηγής τάσης του συλλέκτη. Στα περισσότερα τρανζίστορ περισσότερο από το 95% τον ηλεκτρονίων, που εκπέμπονται από τον εκπομπό, φθάνουν στον συλλέκτη, ενώ λιγότερο από το 5% πέφτουν στις οπές της βάσης και κινούνται προς τον εξωτερικό αγωγό της βάσης. Υπάρχουν τρία σημεία που πρέπει να θυμάστε, σχετικά με την λειτουργία του τρανζίστορ. 1. Για την κανονική λειτουργία, πρέπει η επαφή εκπομπού να είναι ορθά πολωμένη και η επαφή συλλέκτη να είναι πολωμένη ανάστροφα. 2. Το ρεύμα του συλλέκτη είναι περίπου ίσο με το ρεύμα του εκπομπού. 3. Το ρεύμα της βάσης είναι πολύ μικρό. I b = I e I c (1.1) 12
1.4 ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΑ ΚΟΙΝΟΥ ΕΚΠΟΜΠΟΥ 1.4.1 Εισαγωγή Σε αυτή τη συνδεσμολογία ο εκπομπός είναι κοινός στους βρόγχους της βάσης και του συλλέκτη. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το κύκλωμα λέγεται συνδεσμολογία κοινού εκπομπού(ce). Μερικές φορές λέγεται και συνδεσμολογία με γειωμένο εκπομπό. Σχ.1-6 Ροή των ελευθέρων ηλεκτρονίων στη συνδεσμολογία κοινού εκπομπού 13
1.4.2 Λειτουργία του CE Η μεταβολή της συνδεσμολογίας του τρανζίστορ από CB σε CC δεν μεταβάλλει τον τρόπο λειτουργίας του. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται ακριβώς όπως και στην προηγούμενη περίπτωση. Ο εκπομπός είναι γεμάτος με ελεύθερα ηλεκτρόνια αν η τάση V BE είναι μεγαλύτερη από 0,7 V, ο εκπομπός εκπέμπει αυτά τα ηλεκτρόνια στη βάση. Όπως και στην προηγούμενη περίπτωση, η λεπτότητα και ο μικρός εμπλουτισμός της βάσης παρέχει στα ελεύθερα ηλεκτρόνια αρκετό χρόνο ζωής, ώστε να διαχυθούν στο συλλέκτη. Με μία επαφή συλλέκτη πολωμένη ανάστροφα, τα ηλεκτρόνια αυτά ρέουν έξω από το συλλέκτη, προς την εξωτερική πηγή τάσης. 1.4.3 DC βήτα Στο Σχ.1-6 το ρεύμα του συλλέκτη είναι μεγάλο, ενώ το ρεύμα της βάσης είναι μικρό. DC βήτα ενός τρανζίστορ λέγεται και dc κέρδος ρεύματος της συνδεσμολογίας CE, ορίζεται ο λόγος του ρεύματος του συλλέκτη προς το ρεύμα της βάσης, δηλαδή β dc = I c I B (1.2) Για παράδειγμα αν μετρήσουμε ένα ρεύμα συλλέκτη ίσο 10mA και ένα ρεύμα βάσης ίσο 0,1 ma, το τρανζίστορ έχει β dc β dc = 10mA 0,1mA = 100 14
1.5 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΚΟΙΝΟΥ ΕΚΠΟΜΠΟΥ 1.5.1 Εισαγωγή Μία μέθοδος για να δείξουμε τον τρόπο λειτουργίας του τρανζίστορ είναι οι γραφικές παραστάσεις τον ρευμάτων και των τάσεων. Αυτές οι E-V χαρακτηριστικές είναι περισσότερο πολύπλοκες από τις χαρακτηριστικές της διόδου, επειδή περιλαμβάνει και την επίδραση του ρεύματος βάσης. Τις καμπύλες αυτές μπορούμε να τις χαράξουμε με την βοήθεια το κυκλώματος του Σχ.1-7, μεταβάλλοντας τις πηγές τάσεις V BB και V CC, ώστε να έχουμε διαφορετικά ρεύματα βάσης και τάσης συλλέκτη εκπομπού. Θεωρούμε ότι το β dc έχει την τυπική τιμή 100. Αν το ρεύμα βάσης ρυθμιστεί στα 10μA, το ρεύμα συλλέκτη είναι I C = β dc Ι Β = 100(10μΑ)=1mA Σχ.1-7 Συνδεσμολογία κοινού εκπομπού 15
Όσο χρόνο η επαφή συλλέκτη είναι πολωμένη ανάστροφα, το ρεύμα συλλέκτη θα είναι περίπου ίσο με ένα ma.με άλλα λόγια η μεταβολή της τάσης V CE δεν επιδρά αισθητά στο ρεύμα συλλέκτη, αρκεί η τάση της πηγής να μην υπερβεί την τάση διάσπασης της επαφής συλλέκτη. Αν η τάση V BB αυξηθεί ώστε το ρεύμα βάσης να γίνει 20 μα, τότε το ρεύμα του συλλέκτη θα γίνει I C = 100(20μΑ) = 2mA Και πάλι το ρεύμα συλλέκτη θα παραμείνει σχεδόν αμετάβλητο, για όλες τις τιμές της τάσης V CE που πολώνουν αντίστροφα την επαφή συλλέκτη, χωρίς να υπερβαίνουν την τάση διάσπασης. Πόση πρέπει να είναι η τάση V CE, ώστε να πολώνει ανάστροφα την επαφή συλλέκτη. Από το Σχ.1-7 προκύπτει ότι V CE = V CB + V BE (1.3) Για ένα τρανζίστορ πυριτίου η σχέση αυτή γράφεται V CE = V CB + 0,7V Όταν η τάση V CB είναι μεγαλύτερη από το μηδέν τότε η επαφή συλλέκτη είναι πολωμένη ανάστροφα. Έτσι η τάση V CE πρέπει να είναι τουλάχιστον 0,7V. Ακόμη, πρέπει να προστεθούν μερικά δέκατα του Volt, που οφείλονται στην πτώση τάσης πάνω στην αντίσταση του σώματος της περιοχής συλλέκτη-βάσης. Έτσι, η τάση V CE πρέπει να είναι τουλάχιστον 1V, ώστε να πολώνεται ανάστροφα η επαφή συλλέκτη των περισσοτέρων τρανζίστορ πυριτίου. Όταν η επαφή συλλέκτη είναι πολωμένη ανάστροφα, το ρεύμα συλλέκτη είναι περίπου β dc φορές το ρεύμα της βάσης. 1.5.2 Περιοχές λειτουργίας Στο Σχ.1-8 παρουσιάζεται η λειτουργία του τρανζίστορ για διάφορα ρεύματα βάσης. Όπως βλέπεται όταν η τάση V CE είναι μηδέν το ρεύμα συλλέκτη είναι μηδέν, επειδή η επαφή συλλέκτη δεν είναι πολωμένη ανάστροφα. Στην αρχή της αύξησης της τάσης V CE το I C αυξάνει ταχύτατα. Το σχεδόν κατακόρυφο τμήμα των καμπυλών κοντά στην αρχή των αξόνων λέγεται περιοχή κόρου. Σε αυτήν την περιοχή, η επαφή συλλέκτη είναι ορθά πολωμένη, επειδή η τάση V CE είναι μικρότερη από 0,7V. Λίγο μετά τα 0,7V (η ακριβής τιμή εξαρτάται από την τιμή του ρεύματος συλλέκτη και την αντίσταση σώματος), η επαφή του συλλέκτη πολώνεται ανάστροφα. Όταν συμβεί αυτό η χαρακτηριστικές γίνονται οριζόντιες και το ρεύμα συλλέκτη παραμένει σχεδόν σταθερό. 16
Όταν η τάση V CE είναι πού μεγάλη, η επαφή συλλέκτη διασπάται, όπως φαίνεται και από την απότομη αύξηση του ρεύματος συλλέκτη (Σχ.1-8). Συνήθως, ένας σχεδιαστής πρέπει να αποφεύγει την λειτουργία στην περιοχή διάσπασης, επειδή η υπερβολική κατανάλωση ισχύος μπορεί να καταστρέψει το τρανζίστορ. Η ενεργός περιοχή ενός τρανζίστορ είναι η περιοχή που οι χαρακτηριστικές είναι οριζόντιες, δηλαδή η περιοχή που το ρεύμα του συλλέκτη είναι σταθερό. Στην ενεργό περιοχή το ρεύμα του συλλέκτη είναι περίπου ίσο με β dc φορές το ρεύμα βάσης. Με άλλα λόγια, η ενεργής περιοχή αποτελείται από όλα τα σημεία λειτουργίας που βρίσκονται ανάμεσα στις περιοχές κόρου και διάσπασης. Σε αυτήν την περιοχή, οι μεταβολές της τάσης V CE έχουν μικρή επίδραση στο ρεύμα συλλέκτη. Για να μεταβάλετε το I C πρέπει να μεταβάλετε το I B. Σχ.1-8 Χαρακτηριστικές καμπύλες συλλέκτη Η κάτω καμπύλη του Σχ.1-8, όπου I B = 0 ορίζει την περιοχή αποκοπής. Σε αυτή την περιοχή, υπάρχει ένα μικρό ρεύμα συλλέκτη, το ρεύμα διαρροής της επαφής του συλλέκτη. Το ρεύμα διαρροής στο τρανζίστορ πυριτίου είναι πολύ μικρό και σε πολλές περιπτώσεις αγνοείται. 17
1.6 ΒΛΑΒΕΣ Σε ένα τρανζίστορ μπορεί να παρουσιαστούν πολλές βλάβες. Επειδή το τρανζίστορ αποτελείτε από δύο επαφές, η υπέρβαση κάποιου περιορισμού διάσπασης, μέγιστου ρεύματος ή μέγιστης ισχύος μπορεί να καταστρέψει μια από τις δύο ή και τις δύο επαφές. Οι βλάβες μπορεί να είναι βραχυκυκλώματα, ανοιχτά κυκλώματα, μεγάλα ρεύματα διαρροής, ελάττωση του β dc και άλλα. Ένας τρόπος έλεγχου του τρανζίστορ είναι το ωμόμετρο. Μπορείτε να αρχίσετε μετρώντας την αντίσταση ανάμεσα στο συλλέκτη και τον εκπομπό. Η αντίσταση αυτή είναι πολύ μεγάλη και κατά τις δύο διευθύνσεις, επειδή οι επαφές συλλέκτη και εκπομπού συνδέονται στην σειρά, πλάτη με πλάτη. Μια συνηθισμένη βλάβη είναι το βραχυκύκλωμα ανάμεσα στον συλλέκτη και τον εκπομπό. Η βλάβη αυτή οφείλεται στην υπερβολική κατανάλωση ισχύος. Αν το ωμόμετρο δείχνει από 0 μέχρι μερικά ΚΩ και κατά τις δύο διεύθυνσης, το τρανζίστορ είναι βραχυκυκλωμένο. Αν η αντίσταση ανάμεσα στο συλλέκτη και τον εκπομπό είναι πολύ μεγάλη (ΜΩ) και κατά τις δύο διευθύνσεως, μπορούμε να μετρήσουμε την ορθή και την ανάστροφη αντίσταση της επαφής του συλλέκτη (ακροδέκτες συλλέκτη-βάσης) και της επαφής εκπομπού (ακροδέκτες εκπομπού βάσης). Πρέπει να μετρήσουμε ένα μεγάλο λόγο αντιστάσεων ανάστροφη/ορθή και για τις δύο επαφές. Οι τυπική τιμή για το πυρίτιο είναι μεγαλύτερη από 1000:1. Αν δεν συμβεί αυτό το τρανζίστορ είναι ελαττωματικό. Εικ.2 Τρανζίστορ 18
Ορισμένα αναλογικά ωμόμετρα μπορεί να προκαλέσουν μεγάλα ρεύματα στις χαμηλές κλίμακες και να καταστρέψουν ένα τρανζίστορ σήματος. Για αυτό το λόγο, πρέπει να ελέγχουμε τα τρανζίστορ σήματος σε μία μεγαλύτερη κλίμακα για παράδειγμα τη R *100, ώστε η εσωτερική αντίσταση του οργάνου να περιορίζει το ρεύμα. Ακόμη και αν το τρανζίστορ περάσει με επιτυχία τον έλεγχο με το ωμόμετρο, είναι δυνατό να έχει άλλες βλάβες. Σε τελευταία ανάλυση το ωμόμετρο ελέγχει τις επαφές του τρανζίστορ στο συνεχές. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα όργανο απεικόνισης χαρακτηριστικών για να κάνουμε ένα λεπτομερέστερο έλεγχο του τρανζίστορ, δηλαδή να εξακριβώσουμε τα μεγάλα ρεύματα διαρροής, χαμηλό β dc ή μη ικανοποιητική τάση διάσπασης. Ακόμη, υπάρχουν στο εμπόριο και ειδικά όργανα ελέγχου. Τα όργανα αυτά εξετάζουν το ρεύμα διαρροής, το β dc και άλλες ποσότητες. Ο απλούστερος έλεγχος ενός τρανζίστορ, που βρίσκεται σε κύκλωμα, είναι η μέτρηση των τάσεων τον ακροδεκτών σε σχέση με την γη. Ο παραπάνω έλεγχος εντοπίζει μια DC βλάβη, εφόσον αυτή υπάρχει. Πάρα πολλοί κάνουν έλεγχο της τάσης V BE. Ο έλεγχος γίνεται με τον εξής τρόπο. Μετρούν την τάση της βάσης V B και του εκπομπού V E σε σχέση με την γη. Οι διαφορά του είναι η τάση V BE. Για τα τρανζίστορ σήματος που λειτουργούν στην ενεργό περιοχή η τάση αυτή πρέπει να είναι από 0,6V-0,7V. Αν είναι μικρότερη, σημαίνει ότι η επαφή εκπομπού δεν είναι πολωμένη ορθά. Η βλάβη πρέπει να βρίσκεται στο τρανζίστορ ή στα στοιχειά του κυκλώματος πόλωσης. Ένας άλλος έλεγχος είναι ο έλεγχος αποκοπής. Ο έλεγχος γίνεται με τον παρακάτω τρόπο. Βραχυκυκλώνονται οι ακροδέκτες βάσης-εκπομπού. Έτσι, η επαφή εκπομπού παύει να είναι ορθά πολωμένη και το τρανζίστορ οδηγείται στην αποκοπή. Η τάση συλλέκτη-εκπομπού πρέπει να είναι ίση με την τάση της πηγής. Αν δεν συμβεί αυτό υπάρχει κάποιο σφάλμα στο τρανζίστορ ή στο κύκλωμα. 19
Κεφάλαιο 2 ο Ενισχυτές 2.1 Γενικά Τα κυκλώματα των ενισχυτών ταξινομούνται ανάλογα με την εφαρμογή και τα χαρακτηριστικά του κυκλώματος. Το γενικό μέσο για την διαπίστωση των κυκλωμάτων ενισχυτών είναι η μεγαλύτερη απαίτηση εξόδου, τάσης ή ισxύος. Η ενίσχυση μιας τάσεως ή μιας ισxύος στη χαμηλή ή την υψηλή συχνότητα επιτυγχάνεται με ειδικές ηλεκτρονικές λυχνίες ή κρυσταλλολυχνίες (τρανζίστορς) κατάλληλα συνδεσμολογημένες με στοιχεία κυκλώματος, που είναι σε θέση να αναδείξουν κάθε φορά τον ενισχυτικό ρόλο των λυχνιών. Ανάλογα με κάθε συγκεκριμένη επιδίωξη ενίσχυσης κατασκευάζεται και ο ανάλογος ενισχυτής. Έτσι διακρίνουμε δύο μεγάλες κατηγορίες τέτοιων διατάξεων: τους ενισχυτές τάσεως και τους ενισχυτές ισxύος. Κάθε μια από τις κατηγορίες αυτές ενισχυτών διαιρείται σε ενισχυτές τάσεως ή ισχύος, χαμηλής ή υψηλής συχνότητας. Τέλος ανάλογα με τα ειδικά μέσα που χρησιμοποιούνται για την επιτυχία της ενίσχυσης, διακρίνουμε ενισχυτές τάσεως χαμηλής συχνότητας με αντιστάσεις ή ενισχυτές ισχύος υψηλής συχνότητας με συντονισμένα κυκλώματα. Ο όρος λοιπόν "ενισχυτής" υποδεικνύει απλά τη βασική λειτουργία που επιτυγχάνει μια ηλεκτρονική διάταξη. Αν θέλουμε να την καθορίσουμε στον ακριβή της ρόλο, πρέπει τον όρο "ενισχυτής" να τον συμπληρώσουμε και με την ειδική επιδίωξη της διάταξης, π.χ. χαμηλής συχνότητας. ή υψηλής συχνότητας και ακόμα να υποδείξουμε και τα ειδικά μέσα σύνδεσης που χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση, αντιστάσεις, μετασχηματιστές κ.λπ. Συνήθως μια πλήρης ενισχυτική διάταξη αποτελείται από δύο διαφορετικά τμήματα. Από ένα τμήμα που περιλαμβάνει μια ή περισσότερες λυχνίες, με προορισμό να ενισχύσουν μια μικρή τάση στην επιθυμητή στάθμη, και από ένα δεύτερο τμήμα, που χρησιμοποιεί την ενισχυμένη αυτή τάση για να διεγερθούν τα πλέγματα των λυχνιών και να αποδώσουν ενισχυμένη ισχύ. Το πρώτο τμήμα λέγεται και τμήμα προενίσχυσης ή ενισχυτής τάσης. Το δεύτερο τμήμα αποτελεί τον ενισχυτή ισχύος. Ο ενισχυτής τάσεως βασικά σχεδιάζεται για να παράσχει μια μεγάλη τιμή τάσης εξόδου στα άκρα της σύνθετης αντίστασης φορτίου. Η σύνθετη αντίσταση φορτίου θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη, ώστε να παράσχει την μεγαλύτερη χρησιμοποιήσιμη τάση. Ένας τέτοιος ενισχυτής δέχεται σήματα της τάξης των mv και το ενισχύει αρκετά ώστε να οδηγήσει την οδηγό βαθμίδα ενός ενισχυτή ισχύος ή να οδηγήσει ένα ρελέ ή ένα ενδεικτικό όργανο. Σπάνια οι ενισχυτές αυτοί αποτελούνται από μια βαθμίδα, συνήθως αποτελούνται από δύο ή περισσότερες βαθμίδες ώστε να δίνουν ικανοποιητική ενίσχυση τάσης σήματος. Ο ενισχυτής ισχύος ακουστικής συχνότητας χρησιμοποιείται, για να ενισχύσει ή να αυξήσει την ισχύ ενός σήματος εισόδου ακουστικής συχνότητας (AF). Αυτός 20
διαφέρει από έναν ενισχυτή τάσης στο ότι ενισχύεται το ρεύμα αντί της τάσης. Πρακτικά όλοι οι ενισχυτές ισχύος ακουστικής συχνότητας χρησιμοποιούν στη έξοδο σύζευξη μετασχηματιστή. Σ' ένα ενισχυτή ισχύος για την μεταφορά της μέγιστης ισχύος η σύνθετη αντίσταση φορτίου (γενικά η σύνθετη αντίσταση του πρωτεύοντος του μετασχηματιστή εξόδου) θα πρέπει να είναι ίση με την δυναμική αντίσταση ανόδου της λυχνίας. Ένας κατάλληλα σχεδιασμένος μετ/στής προσφέρει μια πολύ εύκολη μέθοδο παροχής προσαρμογής σύνθετης αντίστασης, εφόσον με επιλογή του κανονικού λόγου σπειρών, σχεδόν οποιοδήποτε φορτίο μπορεί να ανακλά τη σωστή σύνθετη αντίσταση στο ανοδικό κύκλωμα της λυχνίας. Ενίσχυση είναι η ικανότητα ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος να αυξάνει στην έξοδό του την στάθμη του σήματος το οποίο δέχεται στην είσοδό του. Η ενίσχυση εκφράζεται σαν λόγος των τάσεων, ρευμάτων, ισχύων ή σαν λογάριθμος.έτσι ο λόγος του σήματος εξόδου προς το σήμα εισόδου εκφράζει ενίσχυση και είναι καθαρός αριθμός. Ένα τρανζίστορ, σε συνδυασμό με άλλα εξαρτήματα(αντιστάσεις, πυκνωτές), μπορεί να κάνει ενίσχυση ενός σήματος. Βασικός όρος για την αξιοποίηση αυτής της ιδιότητας του τρανζίστορ είναι να πετύχουμε λειτουργία στην γραμμική περιοχή που ισχύει η σχέση I C = β Ι β (2.1) Με απλούς υπολογισμούς μπορούμε να υπολογίσουμε όλα τα χαρακτηριστικά ενός ενισχυτή. Ο τρόπος σύνδεσης του τρανζίστορ σε μια ενισχυτική διάταξη χαρακτηρίζει αυτόν και ως προς την προσωνυμία, αλλά και ως προς τις ενισχυτικές ιδιότητές του. Ο ποιο διαδεδομένος τρόπος σύνδεσης και αυτός που μελετήσαμε στα πειράματα είναι ο ενισχυτής κοινού εκπομπού. 2.2 Ενισχυτής κοινού εκπομπού Ονομάζεται έτσι γιατί ο εκπομπός του τρανζίστορ αποτελεί ταυτόχρονο τμήμα τόσο του κυκλώματος εισόδου, όσο και του κυκλώματος εξόδου τις ενισχυτικής διάταξης. Το προς ενίσχυση σήμα εφαρμόζεται μεταξύ εκπομπού και βάσης και ενισχυμένο σήμα στην έξοδο λαμβάνεται μεταξύ εκπομπού και συλλέκτη. Όταν ένα τρανζίστορ βρίσκεται σε σύνδεση κοινού εκπομπού και λειτουργεί στη γραμμική περιοχή συμπεριφέρεται σαν ενισχυτής τάσης. Ένα απλό κύκλωμα ενισχυτή κοινού εκπομπού περιλαμβάνει μόνο ένα τρανζίστορ και μία σειρά αντιστάσεων κα πυκνωτών στο τμήμα του κυκλώματος εισόδου και στο τμήμα του κυκλώματος εξόδου. Ο ρόλος των αντιστάσεων είναι να καθορίσουν τις πολώσεις των τρανζίστορ. Το τμήμα βάσης εκπομπού θα πρέπει να πολωθεί ορθά και ο διαιρέτης τάσης των αντιστάσεων R1, R2 κάνει αυτήν την δουλειά,απαγορεύοντας 21
την μεταφορά της λειτουργίας του τρανζίστορ στις ακραίες περιοχές αποκοπής και κόρου, όπου φυσικά το σήμα ψαλιδίζεται. Το ίδιο ισχύει για τις αντιστάσεις Rc και R e για το τμήμα συλλέκτη εκπομπού το οποίο θα πρέπει να πολωθεί ανάστροφα. Επιλέγεται πόλωση με διαιρέτη τάσης γιατί εξασφαλίζει την σταθερότητα της θέσης του σημείου ηρεμίας. Η αντίσταση R l αποτελεί το φορτίο της ενισχυτικής διάταξης δηλαδή εκεί όπου θα καταναλωθεί το σήμα της εξόδου. Έτσι μπορούμε να αντιμετωπίσουμε την λειτουργία του ενισχυτή δίχως φορτίο (εν κενό) και με φορτίο. Ο πυκνωτής στη βάση εμποδίζει συνεχή ρεύματα πόλωσης να περάσουν στην πηγή του σήματος, ενώ ο πυκνωτής στο συλλέκτη εμποδίζει τα συνεχή ρεύματα πόλωσης να περάσουν στο φορτίο. Ο πυκνωτής στον εκπομπό χαρακτηρίζεται ως πυκνωτής απόζευξης, βραχυκυκλώνει το εναλλασσόμενο σήμα και αυξάνεται η ενίσχυση. Βασικός κανόνας των τιμών των πυκνωτών είναι αμελητέα αντίσταση στην μικρότερη συχνότητα από το φάσμα των συχνοτήτων που πρόκειται να ενισχύσει την διάταξη. Σχ.2-1. Ενισχυτής κοινού εκπομπού 2.3 Μελέτη dc λειτουργίας ενισχυτή. Μελέτη της λειτουργίας του ενισχυτή σημαίνει, πως στην είσοδο του ενισχυτή δεν υπάρχει πηγή σήματος προς ενίσχυση. Έτσι το κύκλωμα βρίσκεται μόνο υπό την επίδραση των τάσεων πόλωσης που είναι συνεχείς. Επειδή οι πυκνωτές παρουσιάζουν 22
άπειρη αντίσταση στο συνεχές ρεύμα, θωρούμε ότι το κύκλωμα στα σημεία όπου υπάρχουν οι πυκνωτές διακόπτεται. Άρα σε αυτήν τη κατάσταση οι πυκνωτές είναι σαν να μην υπάρχουν και το όλο κύκλωμα αποτελείτε μόνο από το τρανζίστορ και τις αντιστάσεις. Έτσι, από αυτό το κύκλωμα μπορούμε να υπολογίσουμε τις συνεχείς τάσεις και τα συνεχή ρεύματα πόλωσης του ενισχυτή. Η τάση στη βάση καθορίζεται από το διαιρέτη τάσης των αντιστάσεων R1 και R2. Vb = R2 R1+R2 Vc (2.2) Η τάση του εκπομπού είναι ίση με την τάση βάσης μείων την τάση της επαφής Βάσης-Εκπομπού. Αυτή η τάση της επαφής είναι 0,7 Volt, γιατί το τρανζίστορ είναι πυριτίου και η επαφή είναι πολωμένη ορθά. V e = V b 0,7 (volt) Το ρεύμα στον εκπομπό είναι : I e = V e V b (2.3) Το ρεύμα στον συλλέκτη είναι ίσο (περίπου) με το ρεύμα του εκπομπού και β φορές μεγαλύτερο του ρεύματος της βάσης. I c = I e (2.4) και I β = I c /β (2.5) Το β του τρανζίστορ λαμβάνεται από τα εγχειρίδια του κατασκευαστή και είναι γνωστό και ως αγγλικό h και h fe Εύκολα υπολογίζετε και η τάση του συλλέκτη. V c = (V cc I c )R c (2.6) 23
2.4 Μελέτη AC λειτουργίας του ενισχυτή. Μελέτη AC λειτουργίας του ενισχυτή σημαίνει πώς το κύκλωμα βρίσκεται σε πλήρη διάρθρωση δηλαδή περιλαμβάνει και πηγή σήματος εισόδου και φορτίο. Έτσι πρέπει να υπολογίσουμε την αντίσταση εισόδου του κυκλώματος R in που δίνεται από την σχέση: R in R 1 R 2 β rc (2.7) Όπου Rc η δυναμική αντίσταση του εκπομπού. R c = 25mV I e (2.8) Οι αντίσταση εξόδου του ενισχυτή είναι περίπου ίση με την αντίσταση του συλλέκτη. R out = R c (2.9) Σαν ενίσχυση τάσης ορίζεται το πηλίκο της τάσης εξόδου προς την τάση εισόδου. A v = V out V in (2.10) Για τον συγκεκριμένο ενισχυτή ισχύει κατά προσέγγιση. A v = rl rc (2.11) Όπου rl η AC αντίσταση φορτίου δηλαδή. rl = Rc RL (2.12) 24
2.5 Ανάλυση του ενισχυτή κοινού εκπομπού 2.5.1 DC Γραμμή φορτίου Στις τυπικές ενισχυτικές βαθμίδες CE σημείο ηρεμίας Q βρίσκεται κοντά στο μέσο της dc γραμμής φορτίου, όπως φαίνεται στο Σχ.2-2. Μια ac πηγή τάσης οδηγεί τη βάση και προκαλεί μια ημιτονοειδή μεταβολή στα ρεύματα βάσης και συλλέκτη. Η μεταβολή αυτή αναγκάζει το στιγμιαίο σημείο λειτουργίας να ταλαντώνει γύρω από το σημείο Q και να προκαλεί μία ac τάση εξόδου. Κανονικά αυτή η ac τάση εξόδου είναι πολύ μεγαλύτερη από την ac τάση εισόδου. Η αύξηση του πλάτους του σήματος, που διαδίδεται από την είσοδο στην έξοδο, λέγεται ενίσχυση. Σχ.2-2. Ac διακύμανση του σήματος πάνω στην γραμμή φορτίου Στο Σχ.2-2. η λειτουργία παραμένει στην ενεργό περιοχή σε όλη τη διάρκεια του κύκλου του σήματος. Με άλλα λόγια, το τρανζίστορ δεν εισέρχεται ποτέ στις περιοχές κόρου και αποκοπής. Αν συνέβαινε αυτό, οι κορυφές του σήματος εξόδου θα ήτανε ψαλιδισμένες. Το σήμα εξόδου θα είχε υποστεί παραμόρφωση-ψαλιδισμό. AC βήτα Το AC βήτα ενός τρανζίστορ συμβολίζεται με β και είναι ο λόγος του AC ρεύματος συλλέκτη i C προς το AC ρεύμα βάσης i B. β = i c i b (2.13) 25
Στα φυλλάδια των κατασκευαστών το β συμβολίζεται h fe (υπενθυμίζεται β dc = h FE. Για παράδειγμα, όταν το σημείο Q βρίσκεται στο 1 ma, ένας τύπος τρανζίστορ έχει ελάχιστο h fe ίσο με 100 και μέγιστο ίσο με 400. Αυτό σημαίνει ότι το ac ρεύμα συλλέκτη είναι από 100 μέχρι 400 φορές μεγαλύτερο από το ac ρεύμα βάσης. Μερικές φορές το β ή το h fe αναφέρονται με τον όρο ac κέρδος ρεύματος τρανζίστορ. 2.5.2 Κέρδος τάσης Στο Σχ.2-3 δίνεται μία ενισχυτική διάταξη κοινού εκπομπού. Με τον πυκνωτή C 1 πετυχαίνεται η σύζευξη του ac σήματος της πηγής με τη βάση και με τον πυκνωτή C 2 πετυχαίνεται η σύζευξη του ενισχυμένου ac σήματος εξόδου με την αντίσταση R L. Ο πυκνωτής C 3 λέγεται πυκνωτής απόζευξης ή παράκαμψης(bypass capacitor) επειδή προκαλεί μία διαδρομή από τον εκπομπό στη γη με μικρή σύνθετη αντίσταση. Με άλλα λόγια ο πυκνωτής απόζευξης αποτελεί βραχυκύκλωμα για ένα ac σήμα και στην πραγματικότητα γειώνει τον εκπομπό. Σχ.2-3. Ενισχυτής κοινού εκπομπού Κέρδος τάσης Α ν ορίζεται ο λόγος της ac τάσης εξόδου V out προς την τάση εισόδου V in. A v = V out V in (2.14) 26
2.5.3 Αντιστροφή φάσης Κατά την διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου της ac τάσης εισόδου, το ολικό ρεύμα βάσης αυξάνει και αναγκάζει το ολικό ρεύμα συλλέκτη να αυξηθεί. Η αύξηση του ρεύματος συλλέκτη έχει αποτέλεσμα την αύξηση της πτώσης τάσης στην αντίσταση συλλέκτη και την ελάττωση της τάσης του συλλέκτη.κατά την διάρκεια της αρνητικής ημιπεριόδου της ac τάσης εισόδου, η τάση του συλλέκτη αυξάνεται, Γι αυτό το λόγο, η ac τάση εξόδου κάθε ενισχυτικής βαθμίδας κοινού εκπομπού (CE) έχει πάντοτε διαφορά φάσης 180 ο με την ac τάση εισόδου. Αυτή η αλλαγή στη φάση λέγεται αντιστροφή φάσης. 27
Κεφάλαιο 3 ο Ενισχυτικές βαθμίδες σε σύνδεση cascade(καταρράκτη) 3.1 Εισαγωγή Σχεδόν κάθε ηλεκτρονική συσκευή περιέχει τουλάχιστον ένα στάδιο ενίσχυσης. Πολλές συσκευές περιέχουν διάφορα στάδια ενίσχυσης και ως εκ τούτου πολλούς ενισχυτές. Σε πολλές περιπτώσεις ένα μόνο στάδιο ενίσχυσης δεν μπορεί να παρέχει την απαιτούμενη ποσότητα της ενίσχυσης. Για παράδειγμα, αν ένα στάδιο ενίσχυσης μπορεί να προσφέρει τη μέγιστη δυνατή ενίσχυση του 100 και το επιθυμητό κέρδος της συσκευής είναι 1000, τότε απαιτείτε περεταίρω ενίσχυση στο ήδη ενισχυμένο σήμα άρα απαιτείται να προσθέσουμε και άλλα στάδια ενίσχυσης μέχρι να επιτύχουμε το επιθυμητό κέρδος. Έτσι συνδέουμε ακόμη ένα στάδιο ενίσχυσης στην έξοδο του πρώτου. Για την αύξηση του κέρδους τάσης, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την έξοδο μιας ενισχυτικής βαθμίδας σαν είσοδο μιας άλλης. Οι πυκνωτές σύζευξης επιτρέπουν την μετάδοση των ac τάσεων, αλλά εμποδίζουν την μετάδοση των dc τάσεων. Έτσι όσον αφορά στη dc πόλωσή τους, οι τρεις βαθμίδες είναι απομονωμένες μεταξύ τους. Η dc απομόνωση είναι απαραίτητη για να εμποδίζει την παρεμβολή των dc τάσεων ανάμεσα στις βαθμίδες και την μετατόπιση των σημείων Q. Οι πυκνωτές απόζευξης χρησιμοποιούνται για να συνδέονται οι εκπομποί με τη γη. 3.2 Πολλαπλασιασμός των κερδών τάσης Η ac τάση που εμφανίζεται στην αντίσταση συλλέκτη κάθε βαθμίδας οδηγεί τη βάση της επόμενης βαθμίδας. Με αυτό τον τρόπο, οι βαθμίδες με σύνδεση cascade ενισχύουν το σήμα και το ολικό κέρδος τάσης είναι ίσο με το γινόμενο των κερδών τάσης κάθε βαθμίδας, δηλαδή Α ν = Α ν1 Α ν2 Α ν3 (3.1) Για παράδειγμα αν κάθε βαθμίδα έχει κέρδος τάσης ίσο με 50, το ολικό κέρδος τάσης είναι: Α ν = (50)(50)(50) = 125000 Στο Σχ.3-1φαίνεται η επίδραση της προσθήκης σταδίων στην ενίσχυση. Καθώς προστίθενται τα στάδια της ενίσχυσης, αυξάνουμε το σήμα και το τελικό αποτέλεσμα ( στο ηχείο ) είναι αυξημένο. 28
Σχ.3-1 Η προσθήκη στάδια της ενίσχυσης. Αν ένας ενισχυτής είναι ένα στάδιο από μια σειρά σταδίων σε μια συσκευή ή αν είναι ένα μόνο στάδιο που είναι συνδεδεμένο ανάμεσα σε δύο άλλες συσκευές (κάτοψη, σχήμα 3-1), πρέπει να υπάρχει κάποιος τρόπος έτσι ώστε το σήμα να εισέλθουν και να από τον ενισχυτή. Η διαδικασία μεταφοράς ενέργειας μεταξύ των κυκλωμάτων είναι γνωστή ως ζεύξη. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι ζεύξης για την μεταφορά των σημάτων από και προς το κύκλωμα του ενισχυτή. Παρακάτω γίνεται μια περιγραφή μερικών από τις πιο κοινές μεθόδους σύνδεσης ενισχυτών. 3.3 Σύζευξη RC Στο Σχ.3-2 απεικονίζεται η σύζευξη RC. Είναι η πιο διαδεδομένη μέθοδος σύζευξης δύο βαθμίδων. Λόγο της σύζευξης το σήμα που αναπτύσσεται πάνω στην αντίσταση συλλέκτη της κάθε βαθμίδας εφαρμόζεται στη βάση της επόμενης βαθμίδας. Έτσι οι βαθμίδες σε συνδεσμολογία cascade ενισχύουν διαδοχικά το σχήμα εισόδου. Το κέρδος της όλης διάταξης είναι ίσο με το γινόμενο των κερδών των επιμέρους βαθμίδων. 29
Σχ.3-2 Σύζευξη RC Οι πυκνωτές σύζευξης επιτρέπουν την διέλευση των ac τάσεων, αλλά απαγορεύουν τη διέλευση των dc τάσεων. Επομένως αναφορικά με τις dc τάσεις, οι βαθμίδες είναι απομονωμένες. Αυτό είναι απαραίτητο για την παρεμπόδιση της μεταφοράς των dc παρεμβολών ανάμεσα στις βαθμίδες, οι οποίες προκαλούν ολίσθηση των σημείων λειτουργίας Q. Το μειονέκτημα της σύζευξης RC είναι η ελάττωση του κέρδους τάσης στις χαμηλές συχνότητες, όπου οι πυκνωτές παύουν πλέον να δρουν σαν ac βραχυκυκλώματα. Οι πυκνωτές παράκαμψης βραχυκυκλώνουν τους εκπομπούς κατά την ac λειτουργία. Αν οι πυκνωτές αυτοί δεν υπήρχαν το κέρδος τάσης κάθε βαθμίδας θα ήταν πολύ μικρότερο, λόγω της R E. Η χωρητική αντίδραση των πυκνωτών παράκαμψης αυξάνει στις χαμηλές συχνότητες. Γι αυτό τον λόγο η απόκριση συχνότητας περιορίζεται. Αν θέλουμε να ενισχύσουμε ac σήματα με συχνότητες μεγαλύτερες από 10 Hz, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον ενισχυτή με σύζευξη RC. Γενικά, ο ενισχυτής με σύζευξη RC είναι πιο κατάλληλος και οικονομικός τρόπος κατασκευής ενισχυτή πολλών βαθμίδων με διακριτά στοιχεία. Το δίκτυο (Σχ.3-2) των R 1, R 2, C 1 και περικλείεται στο διακεκομμένες γραμμές του σχήματος είναι η σύνδεση του δικτύου. Μπορεί να παρατηρήσετε ότι το κύκλωμα για Q 1 και Q 2 είναι ελλιπής. Αυτό είναι σκόπιμο, έτσι ώστε να μπορείτε να συγκεντρωθείτε στη ζεύξη του δικτύου. R 1 λειτουργεί ως αντίσταση φορτίου για το 1ο ενισχυτή (πρώτο στάδιο) και αναπτύσσει το σήμα εξόδου από το στάδιο αυτό. Θυμάστε πώς ένα πυκνωτή αντιδρά σε εναλλασσόμενο και συνεχές ρεύμα. Ο πυκνωτής,, C 1, "μπλοκάρει" τη dc τάση του συλλέκτη Q 1, αλλά "περνάει" το AC σήμα εξόδου. R 2 αναπτύσσει, το σήμα εξόδου από το πρώτο στάδιο, στην είσοδο του 2ου ενισχυτή(δεύτερο στάδιο). Η διάταξη αυτή επιτρέπει τη σύζευξη των σημάτων, ενώ απομονώνει της dc τάσεις που υπάρχουν στο κύκλωμα για την πόλωση του ενισχυτή του κάθε σταδίου. Το κέρδος του ενισχυτή δεν είναι το ίδιο για όλες τις συχνότητες του σήματος εισόδου. Τον τρόπο με τον οποίο το κέρδος ποικίλλει ανάλογα με τη 30
συχνότητα ονομάζεται απόκριση συχνότητας. Το κέρδος του ενισχυτή με ζεύξη RC αρχίζει να μειώνεται σε συχνότητες κάτω των 20Hz και πάνω από 100 khz, όπως φαίνεται στο Σχ. 3-3. Σχ.3-3 Τυπική καμπύλη απόκρισης συχνοτήτων ενισχυτή με σύζευξη RC Το εύρος ζώνης ενός ενισχυτή είναι το φάσμα των συχνοτήτων του σήματος στην οποία το κέρδος των ενισχυτών είναι σχετικά σταθερή ή επίπεδη. Σε γενικές γραμμές, όταν το κέρδος του ενισχυτή ήχου πέσει περισσότερο από το 15 τοις εκατό, τότε το τέλος του φάσματος συχνοτήτων εύρους ζώνης έχει επιτευχθεί. Η καμπύλη απόκρισης συχνότητας για ενισχυτές ήχου πρέπει να είναι επίπεδη μεταξύ 15 Hz και 20 khz. RC ζεύξη έχει μερικά μειονεκτήματα. Οι αντιστάσεις χρήση συνεχούς ρεύματος και έτσι ο ενισχυτής έχει χαμηλή απόδοση. Ο πυκνωτής έχει την τάση να περιορίζει στις χαμηλές συχνότητές την απόδοση του ενισχυτή και την ενίσχυση της ίδιας της συσκευής περιορίζει την υψηλής συχνότητας απάντηση. Για ενισχυτές ήχου αυτό δεν είναι συνήθως ένα πρόβλημα. Τεχνικές για την αντιμετώπιση αυτών των περιορισμών συχνότητα θα καλυφθούν αργότερα στην ενότητα αυτή. Πριν προχωρήσουμε στο επόμενο είδος της σύνδεσης, να εξετάσει τον πυκνωτή στο σύνδεσμο RC. Θα θυμάστε ίσως ότι χωρητική άεργη αντίσταση (X c ) προσδιορίζεται από τον ακόλουθο τύπο: 31
Χ c = 1 2πf C (3.2) Αυτό εξηγεί γιατί οι χαμηλές συχνότητες περιορίζεται από τον πυκνωτή. Καθώς μειώνεται η συχνότητα, X c αυξάνει. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα περισσότερα από το σήμα που θα "χαθεί" στον πυκνωτή. Ο τύπος για το X c δείχνει επίσης ότι η τιμή της χωρητικότητας (C) θα πρέπει να είναι σχετικά υψηλό, ώστε να χωρητική άεργη αντίσταση (X c ) μπορεί να κρατηθεί όσο το δυνατόν χαμηλότερα. Έτσι, όταν ένας πυκνωτής χρησιμοποιείται ως συνδετικό στοιχείο, η χωρητικότητα θα πρέπει να είναι σχετικά υψηλό, ώστε θα ζευγάρι το σύνολο του σήματος καλά και όχι να μειώσει ή να στρεβλώνουν το σήμα. 3.4 Σύζευξη μετασχηματιστή (Transfer Coupled Amplifier) Για να επιτευχθεί μέγιστη μεταφορά τις ισχύος από την μία βαθμίδα στην άλλη χρησιμοποιούμε την σύζευξη με μετασχηματιστή προσαρμογής όπως φαίνεται στο Σχ.3-4. Πέρα από προσαρμογή κάνει και σύζευξη για αυτό και λέγεται μετασχηματιστής σύζευξης. Περιγραφή συζευγμένων ενισχυτών δυο βαθμίδων με μετασχηματιστή σύζευξης.σε ένα υποδειγματικό κύκλωμα διβαθμιαίου ενισχυτή, υπάρχει η πρώτη βαθμίδα ενίσχυσης και μια δεύτερη βαθμίδα ενίσχυσης συνδεμένη με την έξοδο της πρώτης. Ανάμεσα στις δύο βαθμίδες παρεμβάλλεται μετασχηματιστής. Ο πρώτος ενισχυτής, ενισχύει το σήμα εισόδου και αυτό περνάει μέσο του μετασχηματιστή ζεύξης στο δεύτερο ενισχυτή. Ο δεύτερος ενισχυτής,ενισχύει το σήμα σε ακόμη μεγαλύτερο σημείο στην έξοδο του. Το κύκλωμα συνδέεται μεταξύ του πρώτου και του δεύτερου ενισχυτή και περιλαμβάνει ένα μετασχηματιστή με ένα πρωτεύον πηνίο που συνδέεται με το πρώτο ενισχυτή και ένα δευτερεύον πηνίο που παρέχει σήμα εξόδου στο δεύτερο ενισχυτή. Το πρωτεύον πηνίο συμπεριφέρεται σαν φορτίο για τον πρώτο ενισχυτή. Το κύκλωμα μπορεί να περιλαμβάνει περαιτέρω από έναν πυκνωτή και έναν διακόπτη σε συνδυασμό παράλληλα με το πρωτεύον πηνίο, ένας διακόπτης συνδέεται σε σειρά με το δευτερεύον πηνίο ή και έναν πυκνωτή παράλληλα με το δευτερεύον πηνίο. Το Σχ.3-4 δείχνει ένα μετασχηματιστή ζεύξης του ανάμεσα σε δύο στάδια ενίσχυσης. Η δράση του μετασχηματιστή Τ 1 είναι η σύζευξη του σήματος από το πρώτο στάδιο στο δεύτερο στάδιο. Στο Σχ. 3-4, η πρωταρχική του Τ 1 λειτουργεί ως το φορτίο για την πρώτη φάση ( Q 1 ) και το δευτερεύον του Τ 1 λειτουργεί ως αντίστασης για το δεύτερο στάδιο (Q 2 ). Πυκνωτής σύζευξης δεν είναι αναγκαίος, επειδή ο μετασχηματιστής πραγματοποιεί την σύζευξη του σήματος μεταξύ της πρωτεύοντος πηνίου και δευτερεύοντος πηνίου του Τ 1. 32
Σχ.3-4 Σύζευξη μετασχηματιστή Όταν χρησιμοποιούμε μετασχηματιστή, η μικρή αντίσταση φορτίο(μόνο 3,2 Ω σε μερικά μεγάφωνα) αυξάνει. Αυτό βελτιώνει το κέρδος τάσης. (Αυτό συμβαίνει γιατί, αν υποθέσουμε ότι ο μετασχηματιστής έχει λόγω μετασχηματισμού n= n 1, όπου n n 1 και n 2 ο αριθμός των σπειρών πρωτεύοντος και 2 δευτερεύοντος αντίστοιχα, θα έχουμε: α) στο dc, πολύ μικρή αντίσταση στο συλλέκτη, ίση με την αντίσταση του σύρματος του πρωτεύοντος του μετασχηματιστή β) στο ac,η αντίσταση συλλέκτη θα είναι η αντίσταση η ανοιγμένη στο πρωτεύων του μετασχηματιστή, δηλαδή R L = n 2 R L ) Επιπλέον, επειδή η κατανάλωση ισχύος στην αντίσταση του συλλέκτη είναι περίπου μηδενική, όλη η ac ισχύς μεταφέρεται στην τελική αντίσταση φορτίου. Η σύζευξη με μετασχηματιστή στις ακουστικές συχνότητες ήτανε κάποτε πολύ διαδεδομένη (από 20Hz μέχρι 20KHz). Όμως, οι μετασχηματιστές είναι ογκώδης και ακριβοί. Με την εξάπλωση των συμπληρωματικών ζευγών τρανζίστορ(ρνρ και ΝΡΝ συμβιβαστών τρανζίστορ), ο ενισχυτής push-pull τάξης Β με ακόλουθους εκπομπού αντικατέστησε την βαθμίδα εξόδου με μετασχηματιστή στους περισσότερους ενισχυτές ακουστικών ενισχυτών. Το πρωτεύον και δευτερεύον πηνίο του μετασχηματιστή έχουν πολύ μικρή αντίσταση συνεχούς ρεύματος, έτσι η απολαβή του σήματος των ενισχυτών είναι υψηλή. Μετασχηματιστής σύζευξη χρησιμοποιείται πολύ συχνά για το τελικό αποτέλεσμα (μεταξύ του τελικού σταδίου του ενισχυτή και της συσκευής εξόδου), λόγω των ιδιοτήτων της αντίστασης του μετασχηματιστή. Η απόκριση συχνότητας 33
του ενισχυτή με μετασχηματιστή σύζευξης, περιορίζεται από την επαγωγική αντίδραση του μετασχηματιστή. Η μόνη περιοχή εφαρμογών όπου επιβίωσαν οι μετασχηματιστές είναι στους ενισχυτές ραδιοσυχνοτήτων (RF). Οι ραδιοσυχνότητες είναι οι συχνότητες πάνω από τα 20KHz. Στους δέκτες am, τα σήματα RF καλύπτουν συχνότητες από τα 535 μέχρι τα 1605KHz. Στους δέκτες τηλεόρασης οι συχνότητες RF εκτείνονται από 54 μέχρι 216MHz κανάλια 2 έως 13. Η σύζευξη μετασχηματιστές χρησιμοποιείται ακόμη στους ενισχυτές RF, γιατί οι μετασχηματιστές RF είναι αρκετά μικρότερη και πιο φτηνή από τους ακουστικούς μετασχηματιστές. 3.5 Σύζευξη απευθείας (Direct Coupled amplifier) Όλοι οι ενισχυτές που σχολιάστηκαν μέχρι τώρα χρησιμοποιούσανε RC ή σύζευξη με μετασχηματιστές για την σύνδεση των βαθμίδων. Οι ζεύξεις αυτές περιορίζουν την απόκριση χαμηλών συχνοτήτων. Με άλλα λόγια, το κέρδος τάσης των ενισχυτών ελαττώνεται στις χαμηλές συχνότητες. Ένας τρόπος για να αποφύγουμε το πρόβλημα αυτό είναι με την άμεση ή απευθείας σύζευξη, δηλαδή τη δημιουργία μιας dc διαδρομής ανάμεσα στις βαθμίδες. Το πλεονέκτημα σε αυτή την περίπτωση είναι ότι χρησιμοποιούνται λιγότερα υλικά και βελτιώνεται η απόκριση συχνοτήτων. Ένα τέτοιο κύκλωμα φαίνεται στο Σχ. 3-5. Η πόλωση του Q 2 προσδιορίζεται από την τάση του συλλέκτη του Q 1 και την τάση του εκπομπού Q 2. Η μέθοδος σύνδεσης που χρησιμοποιεί το λιγότερο αριθμό των στοιχείων κυκλώματος και αυτό είναι, ίσως, το πιο εύκολο να καταλάβουμε είναι η άμεση σύζευξη. Στην άμεση σύνδεση της παραγωγής του ενός σταδίου συνδέεται άμεσα με την είσοδο του επόμενου σταδίου. 34
Σχ.3-4 Ενισχυτική διάταξη με απευθείας σύζευξη Από το σχήμα φαίνετε ότι, η έξοδος (συλλέκτης) του Q 1 συνδέεται άμεσα με την είσοδο (βάση) του Q 2. Το δίκτυο των R 4, R 5, R 6 και είναι ένα διαιρέτη τάσης που χρησιμοποιούνται για να παρέχουν τις τάσεις προκατάληψη και λειτουργίας για το Q 1 και Q 2. Το σύνολο του κυκλώματος παρέχει δύο στάδια ενίσχυσης. Άμεση σύζευξη παρέχει μια καλή απόκριση συχνότητας αφού δεν χρησιμοποιούνται συχνοτικά ευαίσθητα στοιχεία (πηνία και πυκνωτές). Η απόκριση συχνότητας ενός κυκλώματος χρησιμοποιώντας άμεση σύζευξη επηρεάζεται μόνο από την ενίσχυση της ίδιας της συσκευής. Τα βασικά σημεία που αφορούν στην άμεση σύζευξη είναι τα παρακάτω: οι πυκνωτές δεν χρησιμοποιούνται, οπότε τόσο οι dc τάσεις όσο και οι ac τάσεις μπορούν να περάσουν από την μια βαθμίδα στην άλλη. Το κύριο πλεονέκτημα της άμεσης σύζευξης ότι ο ενισχυτής δεν εμφανίζει κατώτερη συχνότητα αποκοπής, οπότε μπορεί να ενισχύσει όλες τις χαμηλές συχνότητες μέχρι και την μηδενική ή αλλιώς την dc τάση. Άμεση σύζευξη έχει πολλά μειονεκτήματα, όμως. Το μεγάλο πρόβλημα είναι οι απαιτήσεις παροχής ρεύματος για την απευθείας ζεύξη των ενισχυτών. Κάθε μεταγενέστερο στάδιο απαιτεί μια υψηλότερη τάση. Το φορτίο και την τάση αντιστάσεις διαιρέτη χρησιμοποιούν ένα μεγάλο ποσό της ενέργειας και η στρέβλωση που μπορεί να γίνει πολύ περίπλοκη. Επιπλέον, είναι δύσκολο να ταιριάξει με τη σύνθετη αντίσταση από στάδιο σε στάδιο με απευθείας σύνδεση. Η απευθείας ζεύξη των ενισχυτών δεν είναι πολύ αποτελεσματική και η αύξηση των ζημιών και τον 35
αριθμό των σταδίων αύξηση. Ακόμη όλες οι dc τάσεις ενισχύονται. Έτσι, ενισχύονται και τυχόν μεταβολές στην τάση τροφοδοσίας, μεταβολές που οφείλονται στα τρανζίστορ, κτλ. Λόγω των μειονεκτημάτων η άμεση σύζευξη δεν χρησιμοποιείται πολύ συχνά. Ένας τρόπος για να περιορίσουμε την ολίσθηση στα κυκλώματα με άμεση σύζευξη, είναι με την χρήση διαφορικού ενισχυτή. Αυτός ο ειδικός τύπος ενισχυτή είναι από τα ποιο σημαντικά κυκλώματα που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των τελεστικών ενισχυτών. 3.6 Σύζευξη με Αντίσταση Σύζευξη Αντίσταση είναι πολύ παρόμοια με σύζευξη RC. Η διαφορά είναι η χρήση μιας συσκευής αντίσταση (ένα πηνίο) για να αντικαταστήσει την αντίσταση φορτίου του πρώτου σταδίου. Το Σχ.3-5 δείχνει μια αντίσταση ζεύξης δίκτυο μεταξύ δύο φάσεων της ενίσχυσης. R 1 είναι το φορτίο για τα Q 1 και αναπτύσσει το σήμα εξόδου του πρώτου σταδίου. Δεδομένου ότι η DC αντίσταση του πηνίου είναι χαμηλή, η απόδοση του σταδίου ενισχυτή αυξάνεται. Το ποσό του σήματος αναπτύσσονται στην έξοδο του σταδίου εξαρτάται από την επαγωγική αντίδραση της R 1. Θυμηθείτε τον τύπο για επαγωγική αντίδραση: Χ L = 2πfL (3.3) Σχ.3-5 Σύζευξη αντίστασης. 36
Ο τύπος δείχνει ότι για την επαγωγική αντίδραση να είναι μεγάλες, είτε επαγωγή ή τη συχνότητα ή και τα δύο πρέπει να είναι υψηλή. Ως εκ τούτου, πηνία φόρτωσης θα πρέπει να έχουν σχετικά μεγάλες ποσότητες από επαγωγή και είναι πιο αποτελεσματική σε υψηλές συχνότητες. Η σύζευξη αντίσταση χρησιμοποιούνται για ενισχυτές ήχου. Το υπόλοιπο του δικτύου ζεύξης (C 1 και R 1 ) λειτουργεί ακριβώς όπως τους ομολόγους τους (C 1 και R 2 ) στο δίκτυο RC-ζεύξης. C 1 ζευγάρια το σήμα μεταξύ των σταδίων, ενώ εμποδίζουν την DC και R 1 αναπτύσσει το σήμα εισόδου στο δεύτερο στάδιο (Q 2 ). 37
Κεφάλαιο 4 ο Συχνοτική μελέτη των ενισχυτών. 4.1 Συχνοτική απόκριση (Frequency response) Μια μέθοδος για να ελέγξουμε την απολαβή του ενισχυτή σε μια συχνότητα είναι να μετρηθούν οι τάσεις των σημάτων εισόδου-εξόδου και να υπολογιστεί η απολαβή ή κέρδος με βάση τη σχέση A V = V out V in (4.1) Η μέθοδος για τον έλεγχο απόκρισης του ενισχυτή σε ένα πλήθος συχνοτήτων είναι να δίνεται το σήμα του ίδιου πλάτους και να μετριέται η έξοδος για έναν αριθμό συχνοτήτων μέσα στο φάσμα των συχνοτήτων που θέλουμε να μετρήσουμε. Σε ένα ημιλογαριθμικό χαρτί βάζουμε στον οριζόντιο άξονα την μεταβολή των συχνοτήτων και στον κατακόρυφο την μεταβολή του κέρδους και βάση τις μετρήσεις που πήραμε προηγουμένως, χαράζουμε την καμπύλη της μεταβολής του κέρδους σαν συνάρτηση της συχνότητας.τότε η καμπύλη που θα πάρουμε θα είναι η καμπύλη απόκρισης συχνοτήτων του ενισχυτή. Παρατηρούμε στην καμπύλη αυτή ότι ξεκινώντας από χαμηλές συχνότητες το κέρδος αυξάνεται μαζί με τη συχνότητα μέχρι μια ορισμένη τιμή τις συχνότητας. Πέρα από την τιμή αυτή το κέρδος παραμένει σταθερό και ανεξάρτητο της συχνότητας μέχρι που να φτάσουμε σε μία άλλη συχνότητα πέρα από την οποία το κέρδος θα μειώνεται με την αύξηση της συχνότητας. Μπορούμε να πούμε ότι η καμπύλη απόκρισης συχνοτήτων του ενισχυτή χωρίζεται σε τρία μέρη : Στην απόκριση στις χαμηλές συχνότητες Στην απόκριση στις μεσαίες συχνότητες Στην απόκριση στις υψηλές συχνότητες. Η περιοχή στην οποία ο ενισχυτής λειτουργεί ικανοποιητικά είναι η περιοχή των μεσαίων συχνοτήτων. Τα σημεία που η καμπύλη απόκρισης συχνοτήτων κάτω από τα οποία η απολαβή ή το κέρδος πέσει κάτω από το 85% τις τιμής της απολαβής στο οριζόντιο τμήμα της καμπύλης απόκρισης συχνοτήτων ορίζουν στο ενδιάμεσο τους το εύρος συχνοτήτων του ενισχυτή (BANDWIDTH). Πέρα από τις συχνότητες που ορίζονται ως εύρος ζώνης έχουμε χαμηλή απολαβή του ενισχυτή και σε χαμηλότερες ή υψηλότερες συχνότητες σημείο αποκοπής χαμηλών συχνοτήτων και σημείο 38
αποκοπής υψηλών συχνοτήτων αντίστοιχα. Τα σημεία αποκοπής τις ενισχυτικής διάταξης εξαρτώνται από τον τύπο της σύζευξης μεταξύ των δύο βαθμίδων και από τις χωρητικές αντιδράσεις των πυκνωτών στα στάδια του ενισχυτή. 4.2 Εύρος ζώνης συχνοτήτων. Το εύρος ζώνης συχνοτήτων Β είναι σημαντικό χαρακτηριστικό των ενισχυτών. Ως εύρος της ζώνης διέλευσης του ενισχυτή ορίζεται το μέγεθος : Β = f 2 f 1 (4.2) Για παράδειγμα, αν ένας ενισχυτής ακουστικών συχνοτήτων έχει f 1=20Hz και f 2=15kHz,τότε έχει εύρος ζώνης συχνοτήτων Περίπου ίσο με 15kHz Β = 15000Hz 20Hz = 14980Hz Τα f 1 και f 2 ορίζονται ως οι συχνότητες οπου η απολαβή μειόνεται κατά 85% της μεγίστης τιμής της απολαβής του ενισχυτή. Τη μέγιστη τιμή της απολαβής μπορούσε να την εξάγουμε από την καμπύλη συχνοτικής απόκρισης και είναι η τιμή της απολαβής στο τμήμα της καμπύλης μεσαίων συχνοτήτων όπου η καμπύλη είναι σχεδόν οριζόντια και τείνει να ισορροπήσει προς μια τιμή απολαβής. Στον ενισχυτή με άμεση σύζευξη, η κάτω συχνότητα αποκοπής είναι 0Hz. Σε αυτή την περίπτωση, το εύρος ζώνης συχνοτήτων είναι ίσο με την άνω συχνότητα αποκοπής. Β = f 2 39
Σχ.4-1. Καμπύλη συχνοτικής απόκρισης με εύρος ζώνης f 2 f 1. 4.3 Συχνότητες αποκοπής. Η τάση εξόδου στο μέσο τις περιοχής συχνοτήτων στην απόκριση συχνότητας του Σχ.3-3 είναι ίση με Κ. Αν αυξήσουμε ή μειώσουμε την συχνότητα, θα φτάσουμε σε ένα σημείο όπου η τάση εξόδου θα είναι ίση με 0,707Κ. Οι συχνότητες που αντιστοιχούν σε αυτές τις τιμές τις εξόδου ονομάζονται συχνότητες αποκοπής (cutoff frequencies). Οι συχνότητες αποκοπής είναι γνωστές και ως συχνότητες μισής ισχύος (half-power frequencies), συχνότητες θλάσης (break frequencies) και συχνότητες γωνίας (corner frequencies). Στο Σχ.3-3 δίνονται οι δύο συχνότητες αποκοπής f 1 και f 2. Οι πυκνωτές σύζευξης και παράκαμψης προκαλούν την εμφάνιση της κάτω συχνότητας αποκοπής f 1. Οι εσωτερικές χωρητικότητες των τρανζίστορ και οι παρασιτικές χωρητικότητες των αγωγών σύνδεσης (καλωδίων) προκαλούν την εμφάνιση της άνω συχνότητας αποκοπής f 2. Όλες οι συχνότητες που βρίσκονται ανάμεσα στις f 1 και f 2, αποτελούν την ζώνη διέλευσης συχνοτήτων (passband) του ενισχυτή.έξω από την ζώνη διέλευσης, το κέρδος τάσης πέφτει απότομα. 40
4.4 Συχνότητες αποκοπής στους ενισχυτές κοινού εκπομπού 4.4.1 Υπολογισμός των κάτω συχνοτήτων αποκοπής στους ενισχυτές κοινού εκπομπού Σε έναν ενισχυτή κοινού εκπομπού, οι πυκνωτές σύζευξης και παράκαμψης προκαλούν μείωση τον συχνοτήτων αποκοπής. Αυτό που συμβαίνει είναι το εξής: Καθώς η συχνότητα ελαττώνεται, η χωρητική αντίδραση αυξάνεται. Τελικά, οι πυκνωτές σύζευξης διατηρούν μια σημαντική πτώση τάσης στα άκρα τους και ο πυκνωτής παράκαμψης παύει πλέον να δρα σαν ac βραχυκύκλωμα σton εκπομπό. a) Πυκνωτής σύζευξης εισόδου Στο κύκλωμα, η σύνθετη αντίσταση εισόδου της βαθμίδας είναι Z in = R 1 R 2 z in(base) (4.3) Ο πυκνωτής σύζευξης C in βρίσκεται σε σειρά με την R s και την Z in. Όπως αναφέρεται στην βασική θεωρία κυκλωμάτων, το ac ρεύμα μειώνεται στα 0,707 της μέγιστης τιμής του, όταν η χωρητική αντίδραση και η ολική αντίσταση σε σειρά γίνουν ίσες ή X c = R (4.4) 1 2πfC in = R S + Z in (4.5) Λύνοντας ως προς την συχνότητα έχουμε f = 1 2π(R S +Z in)cin (4.6) Για να ξεχωρίσουμε αυτήν την συχνότητα αποκοπής από τις υπόλοιπες, τις συμβολίζουμε με τον δείκτη in,οπότε: f in = 1 2π(R S +Z in)cin (4.7) Αυτήν την σχέση την χρησιμοποιούμε όταν θέλουμε να υπολογίσουμε την συχνότητα αποκοπής που προκαλείτε από τον πυκνωτή σύζευξης της εισόδου. 41
b) Πυκνωτής σύζευξης εξόδου Από την μεριά της εξόδου, ο πυκνωτή σύζευξης C out βρίσκεται σε σειρά με την σύνθετη αντίσταση εξόδου R c και την αντίσταση φορτίου R L. Το ac ρεύμα στην έξοδο μειώνεται στα 0,707 της μέγιστης τιμής του όταν: ή Χ C = R (4.8) 1 2πfC out = R c + R L (4.9) Αν λύσουμε ως προς τη συχνότητα, έχουμε f = 1 2π(R C +R L )C out (4.10) Για να ξεχωρίσουμε αυτήν την συχνότητα αποκοπής από τις υπόλοιπες συχνότητες αποκοπής, τις συμβολίζουμε με τον δείκτη out,οπότε έχουμε: f out = 1 2π(R C +R L )C out (4.11) Αυτή είναι η συχνότητα αποκοπής που οφείλεται στην επίδραση του πυκνωτή σύζευξης της εξόδου. c) Πυκνωτής παράκαμψης εκπομπού. Στο κύκλωμα του Σχ3-4 ο πυκνωτής παράκαμψης βλέπει μια αντίσταση R E παράλληλα με την σύνθετη αντίσταση εξόδου του εκπομπού. Αυτή η αντίσταση εξόδου είναι ίση με την ac αντίσταση της επαφής εκπομπού συν την αντίσταση της βάσης δια το κέρδος ρεύματος. Είναι λοιπόν: z out = r e + R S R 1 R 2 β (4.12) 42
Αυτή είναι η σύνθετη αντίσταση εξόδου του εκπομπού που φαίνεται από τον πυκνωτή παράκαμψης. Ισοδύναμη αντίσταση που βρίσκεται παράλληλα με τον πυκνωτή παράκαμψης είναι η R E z out. Όταν η χωρητική αντίδραση είναι ίση με την συνολική παράλληλη αντίσταση, το κέρδος τάσης πέφτει στα 0,707 τις μέγιστης τιμής του. Με άλλα λόγια, βρισκόμαστε στη συχνότητα αποκοπής όταν ή X C = R (4.13) 1 2πfC E = R E z out (4.14) Αν λύσουμε ως προς τη συχνότητα, έχουμε f = 1 2π(R E z out )C E (4.15) Για να ξεχωρίσουμε αυτήν τη συχνότητα από τις υπόλοιπες συχνότητες αποκοπής, προσθέτουμε το δείκτη E,οπότε έχουμε f E = 1 2π(R E z out )C E (4.16) Αυτή είναι η συχνότητα αποκοπής που προκαλείτε από τον πυκνωτή παράκαμψης του εκπομπού. 4.4.2 Επιλογή της συχνότητας αποκοπής Οι τρεις πυκνωτές προκαλούν τρεις διαφορετικές συχνότητες αποκοπής. Η πιο κρίσιμη από αυτές τις συχνότητες είναι η μεγαλύτερη, γιατί είναι η συχνότητα στην οποία το κέρδος τάσης αρχίζει να ελαττώνεται και να παίρνει τιμές μικρότερες από την τιμή που έχει στη ζώνη διέλευσης συχνοτήτων. Για παράδειγμα, αν οι τρεις συχνότητες αποκοπής είναι 10, 50 και 200 Hz, τότε η συχνότητα των 200Hz είναι η πιο σημαντική. Συνήθως οι συχνότητες αποκοπής είναι διαφορετικές και μόνο από καθαρή σύμπτωση μπορεί να συμπέσουν. Επομένως όταν αναλύουμε έναν ενισχυτή, λαμβάνουμε υπόψη μας την μεγαλύτερη από τις συχνότητες αποκοπής, μία που αυτή τελικά θέτει τον περιορισμό στη λειτουργία του ενισχυτή. 43
Κεφάλαιο 5 ο Πειραματικό Μέρος 1 ο Πείραμα Ενισχυτής με ζεύξη RC (RC coupled amplifier) Το κέρδος του ενισχυτή δεν είναι το ίδιο για όλες τις συχνότητες του σήματος εισόδου. Τον τρόπο με τον οποίο το κέρδος ποικίλλει ανάλογα με τη συχνότητα ονομάζεται η απόκριση συχνότητας. Σχ.5-1. Τυπική καμπύλη συχνοτικής απόκρισης κυκλώματος με σύζευξη RC Το κέρδος του ενισχυτή σε ζεύξη RC που χρησιμοποιείται σε αυτό το πείραμα αρχίζει να μειώνεται σε συχνότητες κάτω των 20Hz και πάνω από 100 khz, όπως φαίνεται στο σχήμα 5-1. Το εύρος ζώνης ενός ενισχυτή είναι το φάσμα των συχνοτήτων του σήματος στην οποία το κέρδος των ενισχυτών είναι σχετικά σταθερή ή επίπεδη. Σε γενικές γραμμές, όταν το κέρδος του ενισχυτή 44
ήχου πέσει περισσότερο από το 15 %, τότε το τέλος του φάσματος συχνοτήτων εύρους ζώνης έχει επιτευχθεί. Η καμπύλη απόκρισης συχνότητας για ενισχυτές ήχου πρέπει να είναι επίπεδη μεταξύ 15 Hz και 20 khz. Το μέγεθος του πυκνωτή σύζευξης (C 2 ) μπορεί να επηρεάσει την απόκριση συχνότητας σε χαμηλότερες συχνότητες.ο πυκνωτής σύζευξης C 2 είναι 1,0 μf πάνω στο κύκλωμα. Η χωρητική αντίδραση (X c ) ενός πυκνωτή 1,0 μf δεν επηρεάζει αισθητά το μέγεθος του δεύτερου σήματος εισόδου AC (V in 2 ) σε συχνότητες άνω των 50 Hz. Το δεύτερο στάδιο εισόδου (V in 2 ) ισούται με το πρώτο στάδιο εξόδου (V out 2 ).Ωστόσο, εάν η χωρητικότητα μειώνεται κατά ένα παράγοντα 1 / 100 (1,0-0,01 μf), η χωρητική άεργη αντίσταση (X C ) αυξάνει κατά ένα παράγοντα 100. Αν η C 2 έχει αλλάξει σε 0,01μF, η χωρητική αντίδραση και η αντίσταση εισόδου του Q 2 δρουν σαν ένα διαιρέτη τάσης (σχήμα 6),κάνοντας V in 2 σημαντικά λιγότερο από ότι V out 2 σε συχνότητες κάτω των 5 KHz. Ως αποτέλεσμα, το συνολικό κέρδος των ενισχυτών (AVC ) αρχίζει να μειώνεται με τα σήματα λιγότερο από 5KHz, προκαλώντας ένα πιο στενό εύρος ζώνης. Διαδικασία 1. Εντοπίσαμε το κύκλωμα με σύζευξης RC πάνω στην πλακέτα. Πραγματοποιήσαμε τις συνδέσεις των αντιστάσεων όπως δείχνει το παρακάτω σχέδιο. Σχ.5-2. Κύκλωμα με σύζευξη RC. 45
Ρυθμίσαμε την γεννήτρια σήματος (AC) V in 1 για πλάτος V pk pk και με συχνότητα 1KHz στη βάση του τρανζίστορ Q 1. 2. Μετρήσαμε και καταγράψαμε με πολύμετρο την τάση τροφοδοσίας (V A ) =15 (V dc ), με αναφορά την γείωση. 3. Συνδέσαμε το σήμα εισόδου V in 1 στο κανάλι 1 του παλμογράφου. 4. Συνδέσαμε το κανάλι 2 του παλμογράφου με το δεύτερο σήμα εξόδου AC στάδιο (V out 2 ) κατά τον συλλέκτη του Q 2 5. Από την γεννήτρια σήματος μεταβάλαμε την συχνότητα του σήματος εισόδου V in 1 από τις χαμηλές προς τις υψηλές συχνότητες. 6. Μετρήσαμε το σήμα εξόδου V out 2 του δευτέρου σταδίου Q 2 του ενισχυτή με τον παλμογράφο και τις καταγράψαμε. 7. Υπολογίσαμε την απολαβή του σήματος για διάφορες τιμές τις συχνότητας του σήματος εισόδου της διάταξης του ενισχυτή από τον παρακάτω τύπο : Απολαβή A V = Vout Vin (5.1) και καταγράψαμε τα αποτελέσματά μας στον Πίνακας 1. Πίνακας 1 FREQUECNY Hz Vo2 V pk-pk Av c(l)= Vo/Vi 10 Hz 4V 4 20 Hz 5,6 V 5,6 50 Hz 6 V 6 100 Hz 6,4 V 6,4 400 Hz 6,6 V 6,6 800 Hz 6,8 V 6,8 1 KHz 6,8 V 6,8 8 KHz 6,8 V 6,8 10 KHz 6,8 V 6,8 30 KHz 6,8 V 6,8 50 KHz 6,4 V 6,4 80 KHz 6,2 V 6,2 100 KHz 6 V 6 150 KHz 5,2 V 5,2 200 KHz 4,4 V 4,4 300 KHz 3,6 V 3,6 400 KHz 2,8 V 2,8 600 KHz 2V 2 800 KHz 1,6 V 1,6 1000 KHz 1,2 V 1,2 46
8.Μετρήσαμε και καταγράψαμε το V out 2 για τις άλλες συχνότητες σήμα εισόδου φαίνεται Πίνακας 1. 9.Υπολογίσαμε το συνολικό κέρδος σε φορτωμένο κύκλωμα [Αν. c (L) = V out 2 /V in 1 ] για κάθε συχνότητα 10.Το Σχήμα 8 δείχνει την τυπική μορφή της καμπύλης απόκρισης συχνότητας για το κύκλωμα διβαθμιαίου ενισχυτή σε RC συνδυασμό με ενισχυτή. Σχ.5-3. Καμπύλη συχνοτικής απόκρισης (RC) Στο X-άξονα Σχ.5-3 είναι μια λογαριθμική κλίμακα για το ευρύ φάσμα των συχνοτήτων του σήματος εισόδου (10Hz μέχρι 1.0MHz).Τα σημεία της καμπύλης αντιστοιχούν στις συχνότητες στις οποίες θα υπολογίζονται τα κέρδη ενισχυτή [Αν c (L)]. 47
Από τις μετρήσεις του Πίνακα 1 κατασκευάσαμε την πειραματική καμπύλη συχνοτικής απόκρισης του κυκλώματος ενισχυτή με σύζευξη RC Σχ.5-4. Σχ.5-4. Πειραματική καμπύλη απόκρισης συχνοτήτων (MATLAB) 11..Απ ότι παρατηρούμε αυξάνεται η καμπύλη συχνότητας απότομα πριν από τη συχνότητα των 20Hz και μειώνονται απότομα μετά το 100 KHz. 48
12.Tα κέρδη για τις συχνότητες στο ηχητικό φάσμα συχνοτήτων ανάμεσα στα 20Hz έως 20KHz βρίσκονται εντός της ζώνης συχνοτήτων του ενισχυτή δύο σταδίων με RC σύζευξη. 13. Ρυθμίσαμε τη γεννήτρια ημιτονοειδούς κύματος για 1 KHz, 100 mv pk pk σήμα εισόδου AC (V in 1 ) στη βάση του τρανζίστορ Q 1. Στη συνέχεια θα παρατηρήσουμε την επίδραση των χαμηλότερων κερδών συχνότητας, όταν το μέγεθος του συνδέσμου πυκνωτή C 2 μειώνεται. 14. Με τον διακόπτη 3 CM αλλάζουμε την χωρητικότητα του C 2 από τα 1,0 μf στα 0,01 μf. Υπολογίσαμε [Αν c (L)], και καταγράψαμε τα αποτελέσματά μας στον πίνακα 2. Πίνακας 2 FREQUENCY Hz Vo2 V pk pk Av c(l)= Vo/Vi 400 Hz 2 V 2 800 Hz 3,5 V 3,5 1 KHz 4 V 4 8 KHz 5,8 V 5,8 10 KHz 6,4 V 6,4 30 KHz 5,8 V 5,8 80 KHz 5,2 V 5,2 100 KHz 4,8 V 4,8 150 KHz 3,8 V 3,8 200 KHz 3,8 V 3,8 300 KHz 3 V 3 15.Το Σχ.5-5 δείχνει την τυπική μορφή της καμπύλης απόκρισης συχνότητας για το στάδιο-rc σε δύο κυκλώματα ενίσχυσης συζευγμένα με C 2 ίση με 0,01 μf. Τα σημεία της καμπύλης αντιστοιχούν στις συχνότητες στις οποίες θα υπολογίζονται τα κέρδη του ενισχυτή [Αν c(l)], που καταγράφονται στον Πίνακα 2. Στον Y-άξονα της καμπύλης της απόκρισης της συχνότητας στο σχήμα 10 καταγράφονται και υπολογίζονται τα κέρδη στα σημεία που αντιστοιχούν στη συχνότητα του κέρδους. 49
Σχ.5-5.Τυπική καμπύλη συχνοτικής απόκρισης (RC-CM3) Παρατηρήσεις Το κέρδος του ενισχυτή δεν είναι το ίδιο για όλες τις συχνότητες του σήματος εισόδου. Τον τρόπο με τον οποίο το κέρδος ποικίλλει ανάλογα με τη συχνότητα ονομάζεται η απόκριση συχνότητας. Το κέρδος του ενισχυτή RC σε συνδυασμό που χρησιμοποιείται σε αυτήν την άσκηση αρχίζει να μειώνεται σε συχνότητες κάτω των 20Hz και πάνω από 100 KHz. Το εύρος ζώνης ενός ενισχυτή είναι το φάσμα των συχνοτήτων του σήματος στην οποία το κέρδος των ενισχυτών είναι σχετικά σταθερή ή επίπεδη. Σε γενικές γραμμές, όταν το κέρδος του ενισχυτή ήχου πέσει περισσότερο από το 15 %, τότε το τέλος του φάσματος συχνοτήτων εύρους ζώνης έχει επιτευχθεί. Η καμπύλη απόκρισης συχνότητας για ενισχυτές ήχου πρέπει να είναι επίπεδη μεταξύ 15 Hz και 20 KHz. Το μέγεθος του συνδέσμου πυκνωτή (C 2 ) μπορεί να επηρεάσει την απόκριση συχνότητας σε χαμηλότερες συχνότητες.ο πυκνωτής σύζευξης C 2 είναι 50
1,0 μf στο RC κυκλώματος πάνω στο κύκλωμα,. Η χωρητική αντίδραση (X c ) ενός πυκνωτή 1,0 μf δεν επηρεάζει αισθητά το μέγεθος του δεύτερου σήματος εισόδου AC (V in 2 ) σε συχνότητες άνω των 50 Hz. Το δεύτερο στάδιο εισόδου (V in 2 ) ισούται με το πρώτο στάδιο εξόδου (V out 2 ). Ωστόσο, εάν η χωρητικότητα μειώνεται κατά ένα παράγοντα 1 / 100 (1,0-0,01 μf), η χωρητική άεργη αντίσταση (X c ) αυξάνει κατά ένα παράγοντα 100. Αν η C2 έχει αλλάξει σε 0,01μF, η χωρητική αντίδραση και η αντίσταση εισόδου του Q 2 δρουν σαν ένα διαιρέτη τάσης,κάνοντας V in 2 σημαντικά λιγότερο από ότι V out 2 σε συχνότητες κάτω των 5 KHz. Ως αποτέλεσμα, το συνολικό κέρδος των ενισχυτών (AVC ) αρχίζει να μειώνεται με τα σήματα λιγότερο από 5KHz, προκαλώντας ένα πιο στενό εύρος ζώνης. Η συχνότητα εξαρτάται από τις παραμέτρους ενισχυτή και η χωρητικότητα κυκλώματος περιορίζει την απόκριση συχνότητας σε συχνότητες πάνω από 50KHz. 51
2 ο Πείραμα Ενισχυτής με ζεύξη μετασχηματιστή. (Transformer coupled amplifier) H τάση κέρδους (A v ) και η τάση του λόγου του σήματος εισόδου στο σήμα εξόδου, μπορεί να εκφραστεί λογαριθμικά καθώς και αριθμητικά. Η μονάδα για την λογαριθμική αύξηση είναι το ντεσιμπέλ (db). Το λογαριθμικό κέρδος τάσης σε ντεσιμπέλ είναι σε συνάρτηση της συχνότητας το σήμα εισόδου για να δώσει μια καμπύλη απόκρισης της συχνότητας. Θα χρησιμοποιήσουμε τα ντεσιμπέλ για τον προσδιορισμό του εύρους ζώνης συχνοτήτων του διβαθμιαίου ενισχυτή με σύζευξη μετασχηματιστή. 1. Εντοπίσαμε το κύκλωμα του ενισχυτή με σύζευξη μετασχηματιστή στην πλακέτα και πραγματοποιήσαμε την συνδεσμολογία παρακάτω. Σχ.5-6. Κύκλωμα με σύζευξη μετασχηματιστή. 52
2. Μετρήσαμε και καταγράψαμε την τάση τροφοδοσίας, με αναφορά στο έδαφος: V A = 15 (V) 3. Συνδέσαμε το σήμα εισόδου V in 1 στο κανάλι 1 του παλμογράφου, 4. Ρυθμίσαμε την γεννήτρια ημιτονοειδούς κύματος για 1KHz, 1V pk pk AC σήμα εισόδου (V input ) στη βάση του τρανζίστορ Q 1 5. Συνδέσαμε το κανάλι 2 του παλμογράφου με το σήμα εξόδου στο δεύτερο στάδιο (V out 2 ) κατά τον συλλέκτη του Q 2. 6. Από την γεννήτρια σήματος μεταβάλαμε την συχνότητα του σήματος εισόδου V in 1 από τις χαμηλές προς τις υψηλές συχνότητες. 7. Μετρήσαμε τη V out 2 για όλο το φάσμα τον συχνοτήτων που μελετήσαμε και καταγράψαμε τα αποτελέσματά μας στον Πίνακας 3. Πίνακας 3 FREQUENCY Hz Vo2 Vpk-pk Av c(l)= Vo2/Vi1 GAIN IN Db v= 20LOG10 Av c(l) 200 Hz 2,4 (V) 2,4 7,6 db 400 Hz 2,8 (V) 2,8 8,94 db 800 Hz 3 (V) 3 9,54 db 2 KHz 3,2 (V) 3,2 10,1 db 5 KHz 3,2 (V) 3,2 10,1 db 7 KHz 3,2 (V) 3,2 10,1 db 20 KHz 3,8 (V) 3,8 11,5 db 40 KHz 3,8 (V) 3,8 11,5 db 60 KHz 4 (V) 4 12,04 db 80 KHz 4,2 (V) 4,2 12,4 db 100KHz 4,8 (V) 4,8 13,6 db 200KHz 1 (V) 1 0 db 400KHz 0,14(V) 0,14-17,07 db 8. Υπολογίσαμε το συνολικό κέρδος που αποδίδεται στην έξοδο του κυκλώματος από τον τύπο: A V = Vout Vin. για κάθε συχνότητα και καταγράψαμε τα αποτελέσματά μας στον Πίνακας 3 53
9. Στην συνέχεια μετατρέψαμε το κέρδος σε μονάδες ντεσιμπέλ (db) από την σχέση db = 20 log A V (5.2) Πήραμε τα αποτελέσματα και τα καταγράψαμε στον πίνακα 3. Στο Σχ.5-7 δείχνει την τυπική μορφή της καμπύλης απόκρισης συχνότητας, σε συνδυασμό μετασχηματιστή κύκλωμα ενίσχυσης. Τα σημεία στην καμπύλη αντιστοιχούν στις συχνότητες στις οποίες θα υπολογίζονται τα κέρδη ενισχυτή dbv μονάδες.στον Y-άξονα της συχνότητας καμπύλης απόκρισης στο σχήμα 5-7, καταγράφει κέρδη υπολογίζοντας dbv στα σημεία που αντιστοιχούν στη συχνότητα. Σχ.5-7. Τυπική καμπύλη συχνοτικης απόκρισης (σύζευξη Μ/Σ). Τα σημεία της καμπύλης αντιστοιχούν στις συχνότητες στις οποίες υπολογίστηκαν και τα κέρδη ενίσχυσης db που καταγράφονται στον πίνακα 3. Από τις μετρήσεις του Πίνακα 3 κατασκευάσαμε την πειραματική καμπύλη συχνοτικής απόκρισης του κυκλώματος ενισχυτή με απευθείας σύζευξη από τις μετρήσεις που πήραμε στο εργαστήριο Σχ.5-8. 54
Σχ.5-8.Πειραματική καμπύλη συχνοτικης απόκρισης Μ/Σ (MATLAB). 55
Παρατηρήσεις Από ότι παρατηρούμε δεν έχουμε επίπεδη απόκριση συχνοτήτων κατά 1dB από το κέρδος του σε 1KHz. Tο κέρδος πέφτει στις χαμηλότερες συχνότητες, λόγω της επαγωγικής αντίδρασης του μετασχηματιστή. Το κέρδος μπορεί επίσης να βρίσκεται στην κορυφή και στη συνέχεια να πέσουν σε κάποια υψηλή συχνότητα, λόγω της εσωτερικής χωρητικής σύζευξης μεταξύ της πρωτοβάθμιας και δευτεροβάθμιας περιελίξεις και αυτεπαγωγή τους. Τα ντεσιμπέλ σχεδιάζονται κατά συχνότητα σήμα εισόδου για μια καμπύλη απόκρισης συχνότητας. Η απόκριση συχνότητας ενός ενισχυτή με σύζευξη μετασχηματιστή είναι φτωχότερη από ότι ενός ενισχυτή σε συνδυασμό RC. Με αυτήν την μέθοδο σύζευξης δεν έχουμε αρκετά καλή απόκριση συχνοτήτων και μικρό εύρος ζώνης συχνοτήτων (bandwidth). Η απολαβή της τάσης ξεκινά από τα 20Hz χαμηλότερης συχνότητας, φτάνει στα 100KHz την μεγαλύτερη τιμή τις και αμέσως έχουμε απότομη μείωση της απολαβής μετά από αυτό το σημείο μέχρι και να μηδενιστεί στα 200KHz. 56
3 ο Πείραμα Ενισχυτής με απευθείας ζεύξη (Direct coupled amplifier) Το εύρος ζώνης των συνδεδεμένων άμεσων ενισχυτών μπορεί να επεκταθεί σε συχνότητες κάτω των 5Hz. Η απόκριση συχνότητας είναι καλή στις χαμηλές συχνότητες, διότι δεν υπάρχει πυκνωτής ή μετασχηματιστής στη διαδρομή σύνδεσης. Η χωρητική αντίδραση μειώνει τα κέρδη του ενισχυτή σε χαμηλές συχνότητες και οι μετασχηματιστές έχουν κακή απόκριση συχνότητας σε χαμηλές συχνότητες. Η χωρητική αντίδραση αυξάνεται με τη μείωση της συχνότητας του σήματος. Με έναν ενισχυτή σε συνδυασμό RC, η χωρητική αντίδραση του πυκνωτή 1,0 μf γίνεται αρκετά μεγάλη σε συχνότητες κάτω των 50 Hz για τη μείωση του κέρδους. Με έναν μετασχηματιστή σε συνδυασμό με ενισχυτή, το κέρδος πέφτει στη χαμηλότερη συχνότητα, λόγω των χαρακτηριστικών του μετασχηματιστή. Η άμεση σε συνδυασμό ενισχυτή εξαλείφει κάθε χωρητική αντίδραση ή μετασχηματιστή στα μεταξύ στάδια και θα έχουν απλά άμεση σχέση. Κατά συνέπεια, το κέρδος των ενισχυτών, θεωρητικά, δεν επηρεάζεται από τις χαμηλές συχνότητες του σήματος. Ωστόσο, το σήμα εξόδου του πυκνωτή σύζευξης ξεκινά από τη μείωση του μεγέθους του σήματος εξόδου σε συχνότητες κάτω των 5 KHz. Το υψηλό όριο για το εύρος ζώνης συχνοτήτων που προκαλείται από τη συχνότητα εξαρτάται από τις παραμέτρους του ενισχυτή και την αδέσποτη χωρητικότητα του κυκλώματος. 57
Διαδικασία 1. Εντοπίσαμε το κύκλωμα του ενισχυτή με απευθείας σύζευξη στην πλακέτα και πραγματοποιήσαμε την συνδεσμολογία του όπως φαίνεται στο σχέδιο παρακάτω. Σχ.5-9.Κύκλωμα ενισχυτή με απευθείας σύζευξη. 2. Μετρήσαμε και καταγράψαμε την τάση τροφοδοσίας, με αναφορά στο έδαφος: A V = 15 (V) 3. Συνδέσαμε το σήμα εισόδου V in 1 στο κανάλι 1 του παλμογράφου, 4. Ρυθμίσαμε την γεννήτρια ημιτονοειδούς κύματος για 1ΚHz, 1V pk pk AC σήμα εισόδου (V input ) στη βάση του τρανζίστορ Q 1. 5. Συνδέσαμε το κανάλι 2 του παλμογράφου με το σήμα εξόδου στο δεύτερο στάδιο (V out 2 ) κατά τον συλλέκτη του Q 2. 6. Από την γεννήτρια σήματος μεταβάλαμε την συχνότητα του σήματος εισόδου V in 1 από τις χαμηλές προς τις υψηλές συχνότητες. 7. Μετρήσαμε τη V out 2 για όλο το φάσμα τον συχνοτήτων που μελετήσαμε και καταγράψαμε τα αποτελέσματά μας στον Πίνακας 4 8. Ρυθμίσαμε την αντίσταση R 1 με την βοήθεια του ποτενσιόμετρου και του παλμογράφου στην επιθυμητή τάση έτσι ώστε στο σήμα τις εξόδου να μην υπάρχει ψαλιδισμός. 58
9. Υπολογίσαμε το συνολικό κέρδος της εξόδου τις ενισχυτικής διάταξης από την σχέση A v = V out 1 V in 1 για κάθε συχνότητα και καταγράψαμε τα αποτελέσματά μας στον Πίνακας4. ΣΗΜΕΙΩΣΗ: οι μετρήσεις απόκρισης συχνότητας στα ακόλουθα βήματα της διαδικασίας έχουν μια ανοχή + -30% FREQUENCY Hz Vo2 mvpk-pk Πίνακας 4. Av c(l)= Vo2/Vi1 GAIN IN dbv= 20LOG10 [Av c(l)] 10(Hz) 6 (V) 6 15,5 db 20(Hz) 6(V) 6 15,5 db 30(Hz) 6(V) 6 15,5 db 100(Hz) 6(V) 6 15,5 db 500(Hz) 6,2(V) 6,2 15,8 db 800(Hz) 6,2(V) 6,2 15,8 db 3(KHz) 6,4(V) 6,4 16,1 db 7(KHz) 6,4(V) 6,4 16,1 db 30(KHz) 6,6(V) 6,6 16,3 db 80(KHz) 6,6(V) 6,6 16,3 db 100(KHz) 6,6(V) 6,6 16,3 db 130(KHz) 6(V) 6 15,5 db 150(KHz) 5,6(V) 5,6 14,9 db 180(KHz) 5,4(V) 5,4 14,6 db 400(KHz) 4,2(V) 4,2 12,4 db 800(KHz) 2,8 (V) 2,8 8,9 db 1(MHz) 2,4 (V) 2,4 7,6 db 10. Στην συνέχεια μετατρέψαμε το κέρδος σε ντεσιμπέλ από την σχέση db = 20logA v Πήραμε τα αποτελέσματα και τα καταγράψαμε στον πίνακα 4. 59
Στο Σχ.5-10 δείχνει την τυπική μορφή της καμπύλης απόκρισης συχνότητας, στο κύκλωμα με απευθείας σύζευξη ενισχυτή. Τα σημεία στην καμπύλη αντιστοιχούν στις συχνότητες στις οποίες θα υπολογίζονται τα κέρδη ενισχυτή dbv μονάδες. Στον Y-άξονα της συχνότητας καμπύλης απόκρισης στο σχήμα 5-10, καταγράφει κέρδη υπολογίζοντας db στα σημεία που αντιστοιχούν στη συχνότητα. Σχ.5-10. Τυπική καμπύλη συχνοτικης απόκρισης με απευθείας σύζευξη. Από τις μετρήσεις του Πίνακα 4 κατασκευάσαμε την πειραματική καμπύλη συχνοτικής απόκρισης του κυκλώματος ενισχυτή με απευθείας σύζευξη από τις μετρήσεις που πήραμε στο εργαστήριο Σχ.5-11. 60