Διαφορικοί Ενισχυτές Γενικά: Ο Διαφορικός ενισχυτής (ΔΕ) είναι το βασικό δομικό στοιχείο ενός τελεστικού ενισχυτή. Η λειτουργία ενός ΔΕ είναι η ενίσχυση της διαφοράς μεταξύ δύο σημάτων εισόδου. Τα αρχικά κίνητρα για τη χρησιμοποίηση αυτής της διάταξης σε ολοκληρωμένα κυκλώματα ήταν οι επιδράσεις της θερμοκρασίας και των μεταβολών πόλωσης που τείνουν να εμφανίζουν κοινό υπόβαθρο, οπότε όταν δύο συμμετρικά τμήματα μίας διάταξης βρεθούν για παράδειγμα στο ίδιο θερμικό περιβάλλον τότε το κάθε τμήμα θα εμφανίζει τις ίδιες θερμικές μεταβολές. Επομένως δεν είναι απαραίτητη η χρήση ενός πυκνωτή παράκαμψης παράλληλα με την αντίσταση εκπομπού Ε για το διαχωρισμό μεταξύ διαφορικών σημάτων και χαμηλόσυχνων σημάτων λόγω θερμικών αλλαγών. Η υλοποίηση πυκνωτών παράκαμψης σε μορφή ολοκληρωμένου κυκλώματος είναι δαπανηρή και η αποφυγή τους είναι ένα ισχυρό κίνητρο για τη χρήση διατάξεων ΔΕ. Επιπλέον, πολλά εξωτερικά σήματα θορύβου επάγονται συμμετρικά στις εισόδους του ενισχυτή και υπάρχει επίσης διαχωρισμός και αυτών των σημάτων. Ένας ΔΕ μπορεί να προκύψει από τον συνδυασμό δύο πανομοιότυπων ενισχυτών απλής (μονόπλευρης) εισόδου. Στην τοπολογία αυτή, κάθε μονόπλευρος ενισχυτής αναλαμβάνει τον χειρισμό καθενός από τα σήματα εισόδου, ενώ η έξοδος λαμβάνεται διαφορικά (δηλαδή, μεταξύ των εξόδων των δύο μονόπλευρων ενισχυτών). Έστω δύο μονόπλευροι ενισχυτές κοινού εκπομπού με διπλή τροφοδοσία που παρατίθενται ο ένας δίπλα στον άλλο. Σχηματίζεται τότε ένας ΔΕ, όπως υποδεικνύει το Σχήμα σχ.(α). (α) (β) (v ) (v 2 ) (γ) Σχ.
Στο κύκλωμα αυτό μπορούν να γίνουν οι εξής παρατηρήσεις: Λόγω της ομοιότητας των δύο επιμέρους ενισχυτών, οι τάσεις ηρεμίας V και V 2 στους εκπομπούς των τρανζίστορ Τ και Τ 2, αντίστοιχα, θα είναι ίσες. Επιπλέον, λόγω και της συμμετρίας του συστήματος, αύξηση της A τάσης στον εκπομπό του τρανζίστορ Τ (οφειλόμενη σε μείωση της τιμής του σήματος +v s /2) θα συνοδεύεται από ταυτόχρονη μείωση της A τάσης στον εκπομπό του τρανζίστορ Τ 2 (οφειλόμενη σε αύξηση της τιμής του σήματος -v s /2) η οποία θα είναι ίση κατ απόλυτη τιμή (αλλά αντίθετου προσήμου) με την μεταβολή της τάσης στον εκπομπό του τρανζίστορ Τ. Έχοντας κατά νου την προηγούμενη παρατήρηση, μπορούμε να καταλήξουμε στο συμπέρασμα πως, αν βραχυκυκλώσουμε τους εκπομπούς των δύο τρανζίστορ (Σχήμα σχ.(β)), το συνολικό σήμα θα είναι σταθερό, και μηδενικό ως προς την A του συνιστώσα, ενώ η αντίστοιχη D συνιστώσα δεν θα διαταραχθεί. Επομένως, το A σήμα στο κοινό σημείο των εκπομπών των τρανζίστορ θα είναι μηδενικό, σαν να ήταν γειωμένο (λέμε, τότε, πως έχουμε ιδεατή γη [virtual groun]) και η ανάγκη χρήσης των πυκνωτών παράκαμψης παύει να υφίσταται.. Το κύκλωμα του Σχήματος σχ.(β) μπορεί να πάρει την ισοδύναμη μορφή του Σχήματος σχ.(γ), όπου οι αντιστάσεις στους εκπομπούς των τρανζίστορ έχουν αντικατασταθεί από τον παράλληλο συνδυασμό τους ( ). Τα δύο σήματα εισόδου v & v 2 εφαρμόζονται στις βάσεις των T και T 2 αντίστοιχα. Η τάση εξόδου λαμβάνεται μεταξύ των δύο συλλεκτών. Στην ιδανική περίπτωση, η τάση εξόδου είναι μηδέν, όταν οι δύο είσοδοι είναι ίσες. Όταν η v είναι μεγαλύτερη από την v 2 εμφανίζεται η τάση εξόδου με την πολικότητα που φαίνεται στο σχήμα σχ.(γ). Όταν η v είναι μικρότερη από την v 2, η τάση εξόδου έχει την αντίθετη πολικότητα. Η είσοδος v ονομάζεται μη-αναστρέφουσα είσοδος, επειδή η έξοδος v 0 βρίσκεται σε φάση με την v, ενώ η είσοδος v 2 ονομάζεται αναστρέφουσα είσοδος, επειδή η έξοδος v 0 βρίσκεται εκτός φάσης (80 ο ) με την v 2. Υπάρχουν οι εξής τέσσερις διαφορετικές συνδεσμολογίες ΔΕ: (α) Διαφορική είσοδος, διαφορική έξοδος. (β) Διαφορική είσοδος, έξοδος ενός άκρου. (γ) Είσοδος ενός άκρου, διαφορική έξοδος. (δ) Είσοδος ενός άκρου, έξοδος ενός άκρου. Αυτές οι συνδεσμολογίες φαίνονται στο σχ. 2, και διακρίνονται με βάση τον αριθμό των σημάτων εισόδου που χρησιμοποιούνται και τον τρόπο με τον οποίο μετράται η τάση εξόδου. Αν χρησιμοποιούνται δύο σήματα εισόδου η συνδεσμολογία ονομάζεται διαφορική, διαφορετικά ονομάζεται συνδεσμολογία εισόδου ενός άκρου. Αν η τάση εξόδου, από την άλλη πλευρά, μετράται μεταξύ των δύο συλλεκτών, ονομάζεται διαφορική έξοδος επειδή και οι δύο συλλέκτες έχουν το ίδιο c δυναμικό ως προς τη γη. Αν η έξοδος μετράται σε έναν από τους δύο συλλέκτες με αναφορά ως προς τη γη, η συνδεσμολογία ονομάζεται συνδεσμολογία εξόδου ενός άκρου. - + (α) (β) 2
- + (γ) (δ) Σχ. 2 ΔΕ διαφορικής εισόδου, διαφορικής εξόδου: Το κύκλωμα φαίνεται στο σχ.3, v και v 2 είναι οι δύο είσοδοι που εφαρμόζονται στις βάσεις των τρανζίστορ Q και Q 2. Η τάση εξόδου μετράται μεταξύ των δύο συλλεκτών και 2 οι οποίοι είναι στο ίδιο c δυναμικό. D.. Ανάλυση: Σχ. 3 Tο σημείο λειτουργίας (I και V Q ) του ισοδύναμου c κυκλώματος του ΔΕ υπολογίζεται θέτοντας τις τάσεις εισόδου v και v 2 ίσες με μηδέν όπως δείχνεται στο σχ. 4. Οι εσωτερικές αντιστάσεις των σημάτων εισόδου σημειώνονται με S επειδή S = S2. Εφόσον και τα δύο τμήματα πόλωσης εκπομπού του ΔΕ είναι πλήρως συμμετρικά, είναι απαραίτητος ο καθορισμός του σημείου λειτοργίας ενός μόνο τμήματος. Οι ίδιες τιμές των I Q και V Q μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το δεύτερο τρανζίστορ Q 2. 3
Σχ. 4 Εφαρμόζοντας το νόμο τάσεων Kirchoff στο βρόχο βάσης εκπομπού του τρανζίστορ Q, έχουμε: I V - VB S SIB VB 2I = V, αλλά I B = και I I, I = I =. Γενικά 2 β c 2 + S / β c β επειδή S c V - VB είναι η εσωτερική αντίσταση του σήματος εισόδου, άρα I = I =. Η τιμή της ρυθμίζει τα 2 ρεύματα εκπομπού στα τρανζίστορς Q και Q 2 για μία δεδομένη τιμή της V. Τα ρεύμα εκπομπού στα Q και Q 2 είναι ανεξάρτητα της αντίστασης συλλέκτη. Η τάση V στον εκπομπό του Q είναι περίπου ίση με -V B εφόσον η πτώση τάσης στα άκρα της S είναι αμελητέα. Γνωρίζοντας την τιμή του I η τάση V στο συλλέκτη V - VB δίνεται από: V = V - I και V = V - V V - I + VB. Από τις εξισώσεις I = και 2 + / β B S c V = V + V - I προσδιορίζονται τα V Q και I Q. Αυτή η c ανάλυση εφαρμόζεται σε όλα τα είδη ΔΕ. Παράδειγμα - Δίνονται οι ακόλουθες προδιαγραφές για τον ΔΕ διαφορικής εισόδου-διαφορικής εξόδου του σχ.3: = 2.2 kω, B = 4.7 kω, S = S2 = 50 Ω, +V = 0V, -V = -0 V, β c =00 και V B = 0.75V. Να καθοριστούν τα σημεία λειτουργίας (I Q και V Q ) των δύο τρανζίστορς. Λύση: V - VB 0 0.75 Η τιμή του I Q μπορεί να βρεθεί από την εξίσωση I = 0.988mA και η τάση 2 + / β 9.4kΩ 50 /00 S c V Q υπολογίζεται από την εξίσωση. V = V + VB - I 0 0.75 (2.2kΩ)(0.998mA) 8.54 V. Οι τιμές των I Q και V Q είναι ίδιες και για τα δύο τρανζίστορ. Α.. Ανάλυση: Η εύρεση του κέρδους τάσης Α και της αντίστασης εισόδου Ζ i του ΔΕ σχεδιάζεται το ισοδύναμο ac κύκλωμα του σχ. 5. Οι c τάσεις γίνονται μηδέν και χρησιμοποιείται η ισοδύναμη ac διάταξη κοινού εκπομπού (). 4
Σχ.5 Εφόσον τα δύο c ρεύματα εκπομπού είναι ίσα, οι αντιστάσεις r' και r' 2 είναι επίσης ίσες και σημειώνονται με r'. Η τάση σε κάθε αντίσταση συλλέκτη φαίνεται με διαφορά φάσης 80 σε σχέση με τις τάσεις εισόδου v και v 2, όπως στη διάταξη κοινού εκπομπού. Η πολικότητα της τάσης εξόδου φαίνεται στο σχ.3, όπου ο συλλέκτης του τρανζίστορ Q 2 θεωρείται ότι βρίσκεται σε υψηλότερο δυναμικό σε σχέση με αυτό του συλλέκτη του Q, παρόλο που και τα δύο είναι αρνητικά ως προς τη γη. Εφαρμόζοντας το νόμο τάσεων Kirchoff στους δύο βρόχους & 2, παίρνουμε: v = i +i r +(i +i ), v = i +i r +(i +i ). Αντικαθιστώντας τις σχέσεις μεταξύ ρευμάτων: S b 2 2 S2 b2 2 2 i i2 i b, ib2 έχουμε: v S S2 = i +ir + (i +i 2), v 2 = i 2 +i 2r + (i +i 2). Παραλείποντας και β β S S2 πάλι τους όρους, β β αφού είναι μικροί συγκριτικά με τις και r' προκύπτει ότι: v = (r + )i + i 2, v 2 = i +(r + )i2. Λύνοντας αυτές τις δύο εξισώσεις υπολογίζονται τα i και i 2 : (r + )v - v 2 (r + )v2 - v i =, i 2 2 2 =. H τάση εξόδου v 2 2 O δίνεται από: (r + ) - (r + ) - v = v - v = - i -(- i ) = (i -i ) = (i -i ). Αντικαθιστώντας τα i και i 2 έχουμε: O 2 2 2 2 (r + )v - v 2 (r + )v2 - v (v - v 2)(r + 2 ) v O = 2 2 2 2. Επομένως v O = (v - v 2) που (r + ) - (r + ) - r (r + 2 ) r δείχνει ότι ένας ΔΕ ενισχύει τη διαφορά μεταξύ δύο σημάτων εισόδου. Ορίζοντας ως v τη διαφορά των v0 σημάτων εισόδου, το κέρδος τάσης του ΔΕ διαφορικής εισόδου-διαφορικής εξόδου δίνεται από A = = v r Διαφορική αντίσταση εισόδου Η διαφορική αντίσταση εισόδου ορίζεται ως η ισοδύναμη αντίσταση που θα μετρούταν σε κάθε είσοδο με την άλλη είσοδο να είναι γειωμένη. Αυτό σημαίνει ότι η αντίσταση εισόδου i όπως φαίνεται από την πηγή του σήματος εισόδου v υπολογίζεται με μηδενική πηγή σήματος v2. Παρόμοια, το σήμα εισόδου v μηδενίζεται για 5
να προσδιοριστεί η αντίσταση εισόδου i2 που φαίνεται από την πηγή σήματος εισόδου v2. Οι αντιστάσεις S και S2 αγνοούνται επειδή είναι πολύ μικρές. v v βr (r + 2 ) Συγκεκριμένα: i = =. Αντικαθιστώντας το i, i και εφόσον r ή i i / β r + r b v 2=0 v 2=0 βr (r / + 2) 2 θα είναι i 2βr. Παρόμοια (r / +) 2 εμφανίζεται επειδή η r' του κάθε τρανζίστορ είναι σε σειρά. Αντίσταση εξόδου 2 2 i2 = 2βr ib2 i v 2 / β =0 v =0 v v. Ο παράγοντας Η αντίσταση εξόδου ορίζεται ως η ισοδύναμη αντίσταση που θα μετρούταν στον ακροδέκτη εξόδου με αναφορά τη γη. Επομένως η αντίσταση εξόδου O που μετράται μεταξύ συλλέκτη του Q και γης ισούται με την αντίσταση συλλέκτη, ενώ παρόμοια είναι και η αντίσταση εξόδου O2 του Q 2, O = O2 =. Το κέρδος ρεύματος του ΔΕ δεν ορίζεται. Όπως και ο ενισχυτής, o ΔΕ είναι ένας ενισχυτής μικρού σήματος. Χρησιμοποιείται γενικά ως ενισχυτής τάσης και όχι ως ενισχυτής ρεύματος ή ισχύος. Παράδειγμα -2 Για τον ΔΕ του παραδείγματος- να υπολογιστεί: (α) το κέρδος τάσης, (β) η αντίσταση εισόδου και (γ) η αντίσταση εξόδου. Λύση: (α) Το σημείο λειτουργίας των δύο τρανζίστορς υπολογίστηκε στο Παράδειγμα- και είναι: I Q = 0.988 ma, 25mV 25mV V Q =8.54 V. H ac αντίσταση εκπομπού είναι: r = = = 25.3 Ω. Αντικαθιστώντας τις γνωστές I (ma) 0.988mA vo 2.2 kω τιμές στην εξίσωση κέρδους τάσης παίρνουμε: A = = = = 86.96. vi r 25.3 Ω (β) Η αντίσταση εισόδου που φαίνεται από καθεμία από τις δύο εισόδους είναι:. = = 2β = 200 25.3 = 5.06 kω. i i2 (γ) Η αντίσταση εξόδου που φαίνεται από καθεμία από τις δύο εξόδους είναι: Ο = Ο2 = = 2.2 kω. Παράδειγμα -3 Για τον ΔΕ του παραδείγματος- να υπολογιστεί: (α) η τάση εξόδου v O αν v in = 50mV p-p και v in2 = 20mV p-p για f= khz, (β) η μέγιστη τάση εξόδου (p-p) χωρίς ψαλιδισμό. Λύση: (α) Το κέρδος τάσης υπολογίστηκε στο Παράδειγμα-2 ( A = 86.96 ). Αντικαθιστώντας τις δοθείσες τιμές των τάσεων εισόδου, παίρνουμε: v = (v - v ) = 86.96(50mV - 20mV) = 2.6V O in in2 p-p r (β) Για να υπολογιστεί η μέγιστη τάση εξόδου θα πρέπει να βρεθεί η πτώση τάση σε κάθε αντίσταση συλλέκτη: V = I. Αντικαθιστώντας I = I Q = 0.988 ma, έχουμε: V = (2.2kΩ)(0.988mA) = 2.7V < V = 8.54V. Αυτό σημαίνει ότι η μέγιστη μεταβολή τάσης σε κάθε αντίσταση συλλέκτη είναι 2.7 (ιδανική περίπτωση) ή 4.34 V p-p. Συνεπώς η μέγιστη τάση εξόδου χωρίς ψαλιδισμό είναι 2 4.34 = 8.68 V p-p.. 6
Αναστρέφουσα & Μη Αναστρέφουσα είσοδος: Σε ένα ΔΕ η τάση εξόδου v O δίνεται από v O = A (v - v 2 ). Όταν v 2 = 0, v O = A v και όταν v = 0, v O = - A v 2. Η τάση εισόδου v ονομάζεται μη αναστρέφουσα είσοδος επειδή μία θετική τάση v ενεργώντας μόνη της παράγει μία θετική τάση εξόδου v O. Παρόμοια, η θετική τάση v 2 ενεργώντας μόνη της παράγει μία αρνητική τάση εξόδου, συνεπώς η v 2 ονομάζεται αναστρέφουσα είσοδος. Κέρδος κοινού ρυθμού: Σήμα κοινού ρυθμού είναι αυτό που οδηγεί εξίσου τις δύο εισόδους ενός ΔΕ και μπορεί να είναι σήμα παρεμβολής, στατικό και άλλων ειδών ανεπιθύμητα σήματα που φτάνουν στις βάσεις εισόδου οι οποίες συμπεριφέρονται ως μικρές κεραίες. Αν ένας ΔΕ λειτουργεί σε περιβάλλον ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών, κάθε βάση συλλέγει ανεπιθύμητη τάση παρεμβολής. Αν και τα δύο τρανζίστορ ήταν ιδανικά όμοια σε όλα τα χαρακτηριστικά τους, η διαφορική τάση εξόδου θα ήταν θεωρητικά μηδέν. Αυτό είναι το σημαντικό χαρακτηριστικό ενός ΔΕ, να διακρίνει τα σήματα εισόδου κοινού ρυθμού και να μην τα ενισχύει. Πρακτικά, η αποτελεσματικότητα απόρριψης του κοινού σήματος εξαρτάται από το βαθμό ομοιότητας μεταξύ των δύο βαθμίδων που αποτελούν τον ΔΕ. Με άλλα λόγια, όσο πιο κοντά είναι οι τιμές των ρευμάτων στην είσοδο των τρανζίστορς, τόσο καλύτερη είναι η απόρριψη σήματος κοινού ρυθμού. Αν v και v 2 είναι τα δύο σήματα εισόδου, η έξοδος ενός ΔΕ στην πράξη δεν μπορεί να περιγραφεί απλά από τη σχέση v Ο = A (v - v 2 ). Σε έναν πρακτικό ΔΕ, η έξοδος δεν εξαρτάται μόνο από το σήμα διαφοράς v = v - v 2 αλλά και από το σήμα κοινού ρυθμού (κατά μέσο όρο) v M = ½ (v + v 2 ). Επομένως η τάση εξόδου μπορεί να εκφραστεί ως v O = A v + A 2 v 2 όπου A & A 2 είναι η ενίσχυση τάσης από την είσοδο (2) στην έξοδο υπό την προϋπόθεση ότι η είσοδος 2 () είναι γειωμένη. Αντικαθιστώντας τις τιμές v = v M + v, v 2 = vm - v στην εξίσωση τάσης 2 2 εξόδου παίρνουμε: vo A v M + v + A 2 vm - v = (A - A 2)v (A + A 2)vM Av AMv. Το M 2 2 2 κέρδος τάσης για το σήμα διαφοράς είναι είναι A και για το σήμα κοινού ρυθμού είναι A Μ. Η ικανότητα ενός ΔΕ να απορρίπτει ένα σήμα κοινού ρυθμού εκφράζεται από το λόγο απόρριψης κοινού σήματος (M) ο A οποίος ισούται με το λόγο του διαφορικού κέρδους A προς το κέρδος κοινού ρυθμού A Μ : M = = ρ A v M και η τάση εξόδου γράφεται vo Av. Ο όρος Av είναι το επιθυμητό σήμα εξόδου και ο όρος ρ v vm ε 00% είναι το λάθος σήμα στην έξοδο. Αν για παράδειγμα επιθυμούμε το λάθος να είναι % για ρ v vm 5 τιμές v M = mv, v = μv, ο M θα πρέπει να είναι ρ 0 00 B 3 ε v 0.00. Για να υπολογίσουμε το κέρδος κοινού ρυθμού A Μ εκμεταλλευόμαστε τη συμμετρική μορφή του κυκλώματος του ΔΕ του σχ.2(β). Πράγματι αν τα c τροφοδοτικά χωριστούν σε δύο ίσα μεταξύ τους μέρη παράλληλα συνδεδεμένα και η αντίσταση εκπομπού διαχωριστεί σε δύο ίσες αντιστάσεις διπλάσιας τιμής σε παράλληλη σύνδεση, τότε κανένα από τα ρεύματα και τις τάσεις δεν αλλάζει στο κύκλωμα και σχηματίζονται δύο κυκλώματα εκατέρωθεν του άξονα συμμετρίας όπως απεικονίζεται στο σχ.6(α). Για σήματα διαφορικής εισόδου τα σημεία του άξονα συμμερίας είναι σημεία εικονικής γης και γειώνονται όσον αφορά στην ac ανάλυση. Για σήματα κοινού ρυθμού τα σημεία πάνω στον άξονα συμμετρίας αντικαθίστανται από ανοιχτά κυκλώματα (σχ.6(β)). Το c κύκλωμα με την VM 0 χρησιμοποιείται για την εύρεση του σημείου λειτουργίας του ενισχυτή και το τελευταίο κύκλωμα του σχ.6(γ) χρησιμοποιείται για ανάλυση σήματος κοινού ρυθμού και ισοδυναμεί με βαθμίδα ενισχυτή με αντίσταση εκπομπού 2 Ε, του οποίου το κέρδος είναι A M = / 2. M 7
Άξονας συμμετρίας M M (α) (β) V cm M ΔΕ διαφορικής εισόδου, εξόδου ενός άκρου: (γ) Σχ.5 Σε αυτή την περίπτωση υπάρχουν δύο σήματα εισόδου, η έξοδος ωστόσο μετράται σε έναν από τους δύο συλλέκτες ο οποίος βρίσκεται σε κάποιο c δυναμικό με αναφορά τη γη, όπως φαίνεται στο σχ. 2(β). Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει κάποιο c δυναμικό στον ακροδέκτη εξόδου χωρίς να εφαρμόζεται κάποιο σήμα εισόδου. Η D ανάλυση είναι ίδια με την προηγούμενη περίπτωση. Η αντίσταση συλλέκτη στην αριστερή πλευρά μπορεί να παραλειφθεί γιατί δεν έχει κάποια σκοπιμότητα. Α.. Ανάλυση: Η αντίσταση συλλέκτη στην αριστερή πλευρά μπορεί να παραλειφθεί γιατί δεν έχει κάποια σκοπιμότητα οπότε προκύπτει το κύκλωμα του σχ. 7(α). Το ισοδύναμο ac κύκλωμα (πρότυπο Τ) απεικονίζεται στο σχ.7(β)-(γ). Σε κάθε πρακτικό σχεδιασμό, η είναι πολύ μεγαλύτερη από την r' οπότε ο παράλληλος συνδυασμός τους ισοδυναμεί με r' και καταλήγουμε στο κύκλωμα του σχ. 7(δ). Κατ αυτόν τον τρόπο σχηματίζεται ένας 8
διαιρέτης τάσης στην είσοδο με δύο ίσες αντιστάσεις r' με συνέπεια η ac τάση στα άκρα της να είναι το μισό της ac τάσης εισόδου. Επομένως το κέρδος τάσης αναμένεται να είναι το μισό σε σχέση με αυτό ενός ΔΕ διαφορικής εισόδου-διαφορικής εξόδου. Πράγματι, η ac τάση εξόδου είναι v O = i i και η ac τάση εισόδου είναι v = v = ir +ir = 2ir, οπότε διαιρώντας κατά μέλη παίρνουμε το κέρδος τάσης vo A = = v 2r. (α) (β) (γ) (δ) (γ) (δ) Σχ.7 Παράδειγμα -4 Έστω ΔΕ διαφορικής εισόδου-εξόδου ενός άκρου με χαρακτηριστικά: = 2.2 kω, B = 4.7 kω, in = in2 = 50Ω, +V = 0V, -V = -0 V, β c =00 και V B = 0.75V. Να υπολογιστεί το κέρδος τάσης, η αντίσταση 9
εισόδου και η αντίσταση εξόδου (α) για αυτόν τον ΔΕ και (β) για έναν ΔΕ εισόδου ενός άκρου-διαφορικής εξόδου Λύση: (α) Εφόσον οι τιμές των στοιχείων του κυκλώματος είναι ίδιες με αυτές του Παραδείγματος-, οι τιμές I Q και V Q καθώς επίσης και οι τιμές των αντιστάσεων εισόδου και εξόδου θα είναι ίδιες με αυτές του ΔΕ διαφορικής εισόδου-διαφορικής εξόδου. Επομένως, I Q = 0.988 ma, V Q = 8.54 V, i = i2 = 5.06 kω, o = 2.2 kω. Το 2.2kΩ κέρδος τάσης θα είναι A = = 43.8. 2r 225.3 (β) Εφόσον και στις δύο συνδεσμολογίες χρησιμοποιούνται οι ίδιες παράμετροι και διατάξεις πόλωσης με αυτές του Παραδείγματος- τα ίδια αποτελέσματα ισχύουν και για τον ΔΕ εισόδου ενός άκρου-διαφορικής εξόδου, 2.2 kω δηλαδή I Q = 0.988 ma, V Q = 8.54 V, i = i2 = 5.06 kω, o = 2.2 kω, A = = = 86.96. r 25.3 Ω Πόλωση ΔΕ-Καθρέφτης ρεύματος Στη c ανάλυση του ΔΕ διαπιστώθηκε ότι το ρεύμα εκπομπού I Ε εξαρτάται από την τιμή του β c. Η σταθερότητα του σημείου λειτουργίας προϋποθέτει σταθερό ρεύμα I Ε ανεξάρτητο από την τιμή του β c. Για A / 2r σταθερό I Ε, θα πρέπει η Ε να είναι πολύ μεγάλη. Επειδή ρ=, μια μεγάλη Ε αυξάνει A M / 2 r V - VB επίσης την τιμή του M, κάτι τέτοιο, ωστόσο, οδηγεί σε μείωση του I Ε (αφού I = ). Για να 2 διατηρηθεί η επιθυμητή τιμή του I Ε επομένως απαιτείται μεγαλύτερη παροχή ισχύος αφού θα πρέπει να αυξηθεί η τροφοδοσία εκπομπού V ΕΕ. Επιπλέον, η υλοποίηση μεγάλων αντιστάσεων σε ολοκληρωμένα κυκλώματα επαρουσιάζει δυσκολίες και δεν είναι πρακτική. Αυτό που απαιτείται στην ουσία είναι η αντικατάσταση της Ε με ένα ισοδύναμο κυκλωματικό στοιχείο το οποίο να είναι σε θέση να παρέχει το απαραίτητο c ρεύμα πόλωσης με μικρή (ιδανικά μηδενική) όμως c πτώση τάσης στα άκρα του, να εμφανίζει δηλαδή μία χαμηλή αντίσταση στα c ρεύματα. Ταυτόχρονα θα πρέπει να εμφανίζει μεγάλη αντίσταση στις ac μεταβολές έτσι ώστε να εξασφαλίζεται αποτελεσματική διάκριση κέρδους κοινού ρυθμού. Μία πολύ καλή προσέγγιση ενός τέτοιου μη γραμμικού αντιστάτη είναι ο καθρέφτης ρεύματος. Ένας απλός καθρέφτης ρεύματος είναι αυτός του σχ.8(α). Αυτό το κύκλωμα προϋποθέτει ότι οι καμπύλες διαγωγιμότητας της διόδου και του τρανζίστορ είναι σχεδόν πανομοιότυπες. Ένας τρόπος για να εξασφαλιστεί αυτό είναι να χρησιμοποιηθούν δύο τρανζίστορ και το ένα από αυτά να μετατραπεί σε δίοδο βραχυκυκλώνοντας το συλλέκτη με τη βάση του. Εφόσον η ορθή τάση πόλωσης V - VB είναι 0.7 V, αν αγνοηθεί το πολύ μικρό ρεύμα βάσης, το ρεύμα μέσω της διόδου είναι I D =. Αν και στην πράξη το δυναμικό διόδου δεν είναι ακριβώς 0.7 V, αυτό ελάχιστα επηρεάζει το I D. Επειδή η δίοδος είναι παράλληλα με την επαφή βάσης-εκπομπού του τρανζίστορ θα είναι V D =V B. Αν τα δύο στοιχεία έχουν όμοιες καμπύλες διαγωγιμότητας, το ρεύμα εκπομπού του τρανζίστορ θα είναι ίσο με το ρεύμα διόδου. Μπορεί να θεωρηθεί ότι το τρανζίστορ «καθρεφτίζει» το ρεύμα διόδου, εξου και το όνομα του κυκλώματος. Αν οι δύο καμπύλες παρεκκλίνουν έστω και ελάχιστα, τότε τα δύο ρεύματα δεν θα είναι ίδια, όπως παρουσιάζεται γραφικά στο σχ.8(β). Μία άλλη χρήση των καθρεφτών ρεύματος είναι η εφαρμογή τους ως ενεργά φορτία προκειμένου να βελτιστοποιηθεί το κέρδος ενός κυκλώματος (σχ.8(γ)). Ως γνωστόν το κέρδος τάσης του ΔΕ διαφορικής εισόδου-διαφορικής εξόδου είναι A =, οπότε αν χρησιμοποιηθεί καθρέφτης ρεύματος ως ενεργό φορτίο r στη θέση των αντιστάσεων δημιουργείται μία πολύ υψηλή αντίσταση οδηγώντας σε ένα πολύ υψηλό διαφορικό κέρδος. Ένας καθρέφτης ρεύματος με pnp τρανζίστορ κατάλληλος για αντίσταση ενεργού φορτίου σε ΔΕ είναι αυτός του σχ.8(γ). 0
(α) (β) (γ) Σχ.8 Ένας ΔΕ με αντίσταση ενεργού φορτίου στον εκπομπό και τον συλλέκτη απεικονίζεται στο σχ.9. Τα τρανζίστορ Q 5 και Q 3 είναι στην ουσία δίοδοι αφού υπάρχει βραχυκύκλωμα μεταξύ βάσης-συλλέκτη. Στο συλλέκτη του Q 4 V - V - VΒ καθρεφτίζεται το σταθερό ρεύμα που διέρχεται από την αντίσταση το οποίο είναι I =. Επομένως το Q 4 συμπεριφέρεται ως πηγή ρεύματος και θα έχει πολύ υψηλή σύνθετη αντίσταση που ισοδυναμεί με πολύ μεγάλη. Κατά παρόμοιο τρόπο το Q 6 συμπεριφέρεται επίσης ως πηγή ρεύματος με συνέπεια να φαίνεται από το Q 2 ως μία πολύ μεγάλη αντίσταση συλλέκτη. ΔΙΟΔΟΙ V OUT V V 2 Σχ.9 Παράδειγμα -5 Έστω ότι ζητείται να σχεδιαστεί ΔΕ διαφορικής εισόδου- διαφορικής εξόδου με τα εξής χαρακτηριστικά: I Q =.5 ma, +V = 0V, -V = -0 V, πτώσης τάσης 5 V στα άκρα των αντιστάσεων φορτίου και V B = 0.7V. (σχ.0). Να βρεθεί επίσης και η ισχύς των τρανζίστορς.
Λύση: Καθρέφτης Ρεύματος Σχ.0 Εφόσον Ι Ε = I Q, θέτοντας Ι 0 = 2Ι Ε = 3 ma, λόγω του καθρέφτη ρεύματος θα είναι και Ι Α = 3 ma. Επομένως 0- VB -(-V ) V - VB 0-0.7 A = = = = 3. kω. Οι, 2 μπορούν να υπολογιστούν ως εξής: IA IA 3 ma 5V = 2 = = 3.3 kω. Στη συνέχεια ελέγχουμε την V για να διαπιστώσουμε αν τα Q 2, Q 3 και Q 4.5 ma βρίσκονται στην κανονική ενεργό περιοχή λειτουργίας. Για τα Q 3 και Q 4 : V = V I = 0.5mA 3.3Kω = 5 V,V = 0 V B = -0.7 V,V = V V = 5 (-0.7) = 5.7 V. Για το Q 2 : V = V V = -0.7-(-0) = 9.3 V. Η ισχύς του κάθε τρανζίστορ είναι: P Q3 = P Q4 =.5mA 5.7V = 8.6 mw, P Q2 = 3mA 9.3V = 28 mw, P Q = 3mA 0.7V = 2. mw. 2