4. ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ (ΜΕ ΔΙΠΟΛΙΚΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ) 4.. Βασικές έννοιες 4... Γραμμές φορτίου (D και A) Για κάθε ενισχυτή, ορίζονται δύο () γραμμές (ευθείες) φορτίου, η D και η A. Από αυτές, η D γραμμή προκύπτει από το D ισοδύναμο κύκλωμα (και σχετίζεται με την D αντίσταση φορτίου) ενώ η A (που προϋποθέτει την ύπαρξη A σήματος εισόδου) προκύπτει το A ισοδύναμο κύκλωμα (και σχετίζεται με την A αντίσταση φορτίου). Γραμμή φορτίου D (Συνδεσμολογία με αντίσταση εκπομπού ) H D γραμμή φορτίου προκύπτει αναλύοντας το D ισοδύναμο κύκλωμα (βλ. ενότητα..4). Η γραμμή αυτή έχει δύο άκρα, ένα στον (κατακόρυφο) άξονα Ι που αντιστοιχεί στον κόρο ( =,SAT 0, I = I,SAT ) και ένα στον (οριζόντιο) άξονα που αντιστοιχεί στην αποκοπή (I = Ι,UT 0, =,UT ). Εξίσωση D γραμμής: = I.( + ) I = Κόρος ( =,SAT 0) I,SAT Αποκοπή (I = Ι,cut 0),UT,sat Από την επίλυση του D κυκλώματος (βλ. και ενότητα..4), προκύπτει το σημείο ηρεμίας Q του ενισχυτή (το ζεύγος τιμών, I που αντιστοιχεί στη D λειτουργία του τρανζίστορ). I,Q I = = B - B,Q = = I,Q Ι Ε I,Q ( + Ε ) Ως ενισχυτές ισχύος χαρακτηρίζονται, γενικά, οι ενισχυτές που η λειτουργία τους καλύπτει το μεγαλύτερο τμήμα ή και ολόκληρη τη γραμμή φορτίου (σε αντίθεση με τους ενισχυτές «μικρού σήματος» όπου η μέγιστη διακύμανση A συνιστώσα των σημάτων δεν υπερβαίνει το 0% του αντίστοιχου σήματος D). Το παρόν κεφάλαιο πραγματεύεται ενισχυτές ισχύος που υλοποιούνται με διπολικά τρανζίστορ. Ο όρος «σημείο ηρεμίας» υποδηλώνει το γεγονός ότι, αναφορικά με τη λειτουργία του τρανζίστορ, το Q είναι σημείο αναφοράς, υπό την έννοια ότι, καθώς το A σήμα εισόδου διαγράφει μια πλήρη ημιτονοειδή μεταβολή, το σημείο λειτουργίας του τρανζίστορ μετακινείται, κατά μήκος της A γραμμής φορτίου, γύρω από το σημείο ηρεμίας Q. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.
Γραμμή φορτίου A (Συνδεσμολογία με αντίσταση εκπομπού ) Εξίσωση A γραμμής: v ce = i c.r v,tota,q = (i,tota I,Q ).r (όπου r = // ) 3 Κόρος (v,tota v,sat 0, i,tota i,sat ): i,sat = I,Q + Αποκοπή (i,tota i,ut 0, v,tota v,ut ): v,ut,q + I,Q.r,Q r i,τοτα i,sat = I,Q +,Q /r A I,SAT /( + Ε ) D I,Q Q (σημείο ηρεμίας) Ε,UT,Q v,ut =,Q + I,Q.r v,tota 4... Ενδοτικότητα ενισχυτή Ως ενδοτικότητα (compliance) στο D (M D ) ορίζεται η περιοχή τιμών τάσης συλλέκτη στην οποία το τρανζίστορ λειτουργεί γραμμικά. Εύκολα προκύπτει ότι M D = Ως ενδοτικότητα (compliance) στο Α (Μ Α ) ορίζεται (ως τιμή από-κορυφή-σε-κορυφή ή peak-to-peak) η μέγιστη τάση που μπορεί να ενισχύσει ο ενισχυτής χωρίς να εμφανιστεί ψαλιδισμός. Η ενδοτικότητα για το Α δίνεται από τον τύπο 3 Η εξίσωση v,tota,q = (i,tota I,Q ).r, ιδιαίτερα στη μορφή v,tota = (,Q + I,Q.r ) i,tota.r, καταδεικνύει το γεγονός ότι η χαρακτηριζόμενη ως «γραμμή φορτίου A», αφορά τη «συνολική» λειτουργία του κυκλώματος (υπέρθεση D και A) αφού, ως εξίσωση και ως γραφική παράσταση, εκφράζει τη συνολική τάση v,tota συναρτήσει του συνολικού ρεύματος i,tota. Επισημαίνεται ότι η A γραμμή φορτίου έχει κλίση λ A = που είναι πάντα μεγαλύτερη r // από την κλίση λ D = της D γραμμής (λa > λ D ) λόγω του ότι // <. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.
M A M = m{,q, I,Q.r } (4) Στον παραπάνω τύπο για την ενδοτικότητα M A, είναι μικρότερος (άρα «επικρατεί») ο όρος,q ή I,Q.r ανάλογα με το αν το τρανζίστορ βρίσκεται (αντίστοιχα) πιο κοντά στον κόρο (το σημείο Q πιο κοντά στον αξονα i,tota ) ή στην αποκοπή (το σημείο Q πιο κοντά στον αξονα v,tota ). Ο συντελεστής προκύπτει από τον ορισμό της ενδοτικότητας ως τιμής από-κορυφή-σε-κορυφή (peak-to-peak). 4..3. Απόδοση ενισχυτή Ως απόδοση «η» ενισχυτή ορίζεται το πηλίκο της μέγιστης A ισχύος φορτίου,max (χωρίς το σήμα να είναι ψαλιδισμένο) προς τη συνολική (D) ισχύ source με την οποία η πηγή τροφοδοτεί το τρανζίστορ 5. Οι δύο παραπάνω ισχείς δίνονται από τους τύπους ( ) M,max = 8 8 source =.I =.( I, + Ι,A ) όπου I, = είναι το ρεύμα που διαρρέει τις αντιστάσεις και (ρεύμα ηρεμίας ή ρεύμα πόλωσης 6 ) και Ι,A είναι η μέση τιμή του ρεύματος συλλέκτη. Με βάση τα παραπάνω, προκύπτει ότι η =,max source M 8 (I I,A, ) Εκτός των παραπάνω, ορίζεται, για τους ενισχυτές, και η (D) κατανάλωση ισχύος, δηλαδή η D ισχύς στο σημείο ηρεμίας Q του τρανζίστορ (η ισχύς αυτή δεν εμπλέκεται στον υπολογισμό της απόδοσης). Ισχύει ότι D D, Q D =,Q.I,Q (7) 4 Εναλλακτικά (με σκοπό την απλοποίηση) χρησιμοποιούνται για την ενδοτικότητα A, και οι συμβολισμοί Μ (παραλείπεται ο δείκτης A ) και. 5 Σε όλες τις εξισώσεις που σχετίζονται με ηλεκτρική ισχύ, χρησιμοποιείται η μέση τιμή της ισχύος (βλ. και ενότητα Π.). 6 Το ρεύμα πόλωσης ή ρεύμα ηρεμίας I, συμβολίζεται και με I BIAS (bias = πόλωση). 7 Ο συγκεκριμένος τύπος είναι γενικής εφαρμογής (ισχύει για κάθε ενισχυτή). Ειδικά, για τους ενισχυτές τάξης Α, ο τύπος αυτός προσδιορίζει (ταυτόχρονα) και τη μέγιστη δυνατή κατανάλωση ισχύος Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.3
4..4. Κέρδος (απολαβή) ενισχυτή Για το κέρδος (ή την απολαβή) ενός ενισχυτή ισχύουν οι παρακάτω ορισμοί: v Κέρδος τάσης: Α v = v i Κέρδος ρεύματος: Α i = i Κέρδος ισχύος: Α p G = όπου M = 8 = 8z v,stage v v i i v v i i = Α v Α i Σε πολλές περιπτώσεις, το κέρδος τάσης Α v ή ρεύματος Α i ή ισχύος A p εκφράζεται λογαριθμικά με βάση τους ορισμούς: v Α v,db = 0.log(Α v ) = 0.log( ) v (σε db) i Α i,db = 0.log(Α i ) = 0.log( ) i (σε db) p Α p,db = 0.log(Α p ) = 0.log( p ) (σε db) 8 Παραπομπές (για την ενότητα 4.) Α.. Malvo, Ηλεκτρονική, ενότητα 0. (και λυμένα παραδείγματα) Α.. Malvo, Βασική Ηλεκτρονική, ενότητες 9. και 9. (και λυμένα παραδείγματα) (βλ. ενότητα 4.3.4). Αυτό, δεν ισχύει για τους ενισχυτές τάξης Β και όπου ο τύπος D, Q D =,Q.I,Q προσδιορίζει, απλώς, την κατανάλωση ισχύος στο σημείο ηρεμίας Q ενώ η μέγιστη κατανάλωση δίνεται από τον τύπο D, max = M /40 (βλ. και ενότητα 4.4). 8 Η χρήση των συντελεστών 0 (τάση, ρεύμα) και 0 (ισχύς) σχετίζεται με το γεγονός ότι η ισχύς είναι ανάλογη προς το τετράγωνο της τάσης και του ρεύματος (p ~ v και p ~ i ) Επισημαίνεται ότι, με βάση τους συγκεκριμένους ορισμούς, οι τιμές (σε db) του κέρδους ισχύος Α p και του κέρδους τάσης A v ταυτίζονται όταν οι τάσεις v, v και τα ρεύματα i, i εφαρμόζονται σε ίσες αντιστάσεις. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.4
4.. Τάξεις λειτουργίας ενισχυτών Ένας ενισχυτής λειτουργεί ως ενισχυτής ισχύος όταν το σήμα εξόδου «καλύπτει» το μεγαλύτερο τμήμα ή και ολόκληρη την Α ευθεία φορτίου (σε αντίθεση με έναν ενισχυτή «μικρού σήματος» όπου το A σήμα εισόδου v (t) είναι μικρότερο του 0% του σήματος εισόδου D) 9,0. Στην περίπτωση αυτή, προβλέπονται τρεις (3) τάξεις λειτουργίας (A, B ή ). Ενισχυτές τάξης Α: Ενισχύουν το σήμα εισόδου καθ όλη τη διάρκειά του χωρίς παραμόρφωση (το σημείο Q βρίσκεται στο μέσο, περίπου, της A γραμμής φορτίου). Η απόδοση των συγκεκριμένων ενισχυτών είναι, γενικά, χαμηλή (< 5%). Ενισχυτές τάξης B: Ενισχύουν το σήμα εισόδου κατά τη μισή διάρκειά του (το σημείο Q βρίσκεται στο άκρο αποκοπής της A γραμμής φορτίου). Οι ενισχυτές τάξης Β παραμορφώνουν το σήμα εισόδου, έχουν όμως σχετικά υψηλή απόδοση. Προκειμένου να μειωθεί η παραμόρφωση, συνήθως χρησιμοποιούνται δύο ενισχυτές τάξης Β σε συνδεσμολογία push-pull (βλ. ενότητα 4.4). Ενισχυτές τάξης : Ενισχύουν το σήμα εισόδου για χρόνο λιγότερο από τη μισή διάρκειά του (< 50% του κύκλου). Οι συγκεκριμένοι ενισχυτές προκαλούν σημαντική παραμόρφωση στο σήμα εισόδου, έχουν όμως πολύ υψηλή απόδοση η οποία μπορεί να πλησιάσει το 00%. Συνήθως χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με συντονισμένα κυκλώματα (βλ. ενότητα 4.5). Οι τάξεις λειτουργίας του ενισχυτή μπορούν να οριστούν και με βάση τον κύκλο έργου (duty cycle) d του ενισχυτή ο οποίος ορίζεται ως ο τ φ d = ο Τ 360 όπου τ ο χρόνος παραμονής των τρανζίστορ στην ενεργό περιοχή και Τ η περίοδος του σήματος εισόδου (ισοδύναμα, η περίοδος Τ αντιστοιχεί σε πλήρη γωνία 360 ο, ο δε χρόνος τ σε γωνία φ ο ). Έτσι, Για ενισχυτές τάξης Α: τ = Τ φ = 360 ο d = T Για ενισχυτές τάξης Β: τ = φ = 80 ο d = Για ενισχυτές τάξης : τ < T φ < 80 ο d < 9 Ο όρος «ενισχυτής ισχύος» δηλώνει ότι ο ενισχυτής μπορεί να δέχεται στην είσοδό του μεγάλα εναλλασσόμενα σήματα και δεν θα πρέπει να συγχέεται με τον όρο «κέρδος ισχύος» Α p = / = A v.a i. 0 Μια βασική διαφορά μεταξύ των ενισχυτών μικρού σήματος και των ενισχυτών ισχύος είναι ότι, στους πρώτους (λόγω των μικρών διακυμάνσεων των σημάτων) η θέση του σημείου ηρεμίας δεν είναι τόσο σημαντική, σε αντίθεση με τους ενισχυτές ισχύος όπου η θέση του σημείου ηρεμίας πρέπει να είναι τέτοια ώστε να μεγιστοποιείται η ενδοτικότητα του ενισχυτή (και να αποφεύγεται ο ψαλιδισμός των σημάτων). Εκτός από τις τρεις τάξεις λειτουργίας A, B και, προβλέπεται και μία τέταρτη, η D, κατά την οποία ο ενισχυτής παραμένει στην ενεργό περιοχή για πολύ μικρό κλάσμα της ημιπεριόδου και παράγει στην έξοδο ορθογωνικούς παλμούς. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.5
Παραπομπές (για την ενότητα 4.) Α.. Malvo, Ηλεκτρονική, ενότητα 0. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.6
4.3. Ενισχυτές τάξης Α () 4.3.. Γενικά Ένας ενισχυτής λέγεται ότι λειτουργεί σε «τάξη Α» όταν τα τρανζίστορ του ενισχυτή ενισχύουν το σήμα εισόδου, χωρίς ψαλιδισμό, καθ όλη τη χρονική του διάρκεια. Σε έναν ενισχυτή τάξης Α, το βασικό μέλημα είναι η τοποθέτηση του σημείου ηρεμίας Q στο μέσο της γραμμής φορτίου (είτε της D είτε της A) προκειμένου ο ενισχυτής να λειτουργεί γραμμικά (δηλαδή, χωρίς ψαλιδισμό) για το μέγιστο δυνατό εύρος τιμών της τάσης εισόδου. Στους ενισχυτές τάξης Α, η απόδοση «η» είναι σχετικά χαμηλή (συνήθως, η < 5%). 4.3.. Τοποθέτηση του σημείου Q στο μέσο της γραμμής φορτίου D Συνδεσμολογία κοινού εκπομπού () Σημείο Q:,Q = = 0,5. και I,Q = I,sat ( I ) Επιλέγεται: Ε = 0,. (άρα c =,Q = 0,4. ) Συνεπώς: Ε = I c =,Q = 0,5. 0,. = 0,4. B = + 0,7 = I B I β D I, 0.I B =, = 4 Συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη (): = 0 Σημείο Q:,Q = = 0,5. και I,Q = I,sat I Ισχύει: Ε = 0,5. Ο όρος «τάξη Α» δηλώνει ότι τα τρανζίστορ του ενισχυτή ενισχύουν το σήμα εισόδου, χωρίς ψαλιδισμό, καθ όλη τη χρονική του διάρκεια. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.7
Συνεπώς: Ε = I B = + 0,7 = I B I β D I, 0.I B =, Γενικό σχόλιο Τοποθέτηση του σημείου ηρεμίας Q στο μέσο της D γραμμής φορτίου φέρνει το σημείο Q πιο κοντά στην αποκοπή (στον οριζόντιο άξονα v,tota βλ. σχήμα ενότητας 4..). Παραπομπές Α.. Malvo, Ηλεκτρονική, ενότητα 0.3 (και λυμένα παραδείγματα) Α.. Malvo, Βασική Ηλεκτρονική, ενότητα 9.3 (και παραδείγματα 9.6, 9.7, 9.8) 4.3.3. Τοποθέτηση του σημείου Q στο μέσο της γραμμής φορτίου A Ισχύει:,Q = I,Q.r Συνδεσμολογία κοινού εκπομπού (): r =,Q = I,Q.r I,Q. I. = I,Q.r I,Q. I,Q. I,Q.r I,Q r ( // ) Συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη (): = 0, r = I,Q = r ( // ) Γενικό σχόλιο H μετάθεση του σημείου ηρεμίας Q, από το μέσο της D γραμμής φορτίου στο μέσο της A γραμμής, προϋποθέτει την αύξηση του I,Q, προκειμένου το σημείο Q να «πλησιάσει» τον Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.8
κατακόρυφο άξονα i,tota. Αυτό επιτυγχάνεται με την αύξηση της τάσης B (μέσω χρήσης κατάλληλων αντιστάσεων, ) που με τη σειρά της προκαλεί αύξηση της τάσης εκπομπού = B B άρα και των ρευμάτων I = / και I,Q I. 4.3.4. Απόδοση ενισχυτή τάξης Α Ισχύουν οι (γενικές) σχέσεις της ενότητας 4..3 οι οποίες επαναλαμβάνονται και εδώ,max = ( ) 8 M 8 source =.I =.( I, + Ι,A ).(0 + I,Q ).I,Q ( 3 ) όπου I, = είναι το ρεύμα που διαρρέει τις αντιστάσεις και (ρεύμα ηρεμίας ή ρεύμα πόλωσης στις περισσότερες περιπτώσεις, μπορεί να αμεληθεί) και Ι,A είναι η μέση τιμή του ρεύματος συλλέκτη που εδώ (λόγω του ότι το ρεύμα συλλέκτη είναι ημιτονοειδές με «κεντρική» τιμή I,Q ) ισούται με I,Q. Με βάση τα παραπάνω, προκύπτει ότι η =,max source M 8 (I I,Q ) Τέλος, για τους ενισχυτές τάξης Α, η κατανάλωση ισχύος (η D ισχύς στο σημείο ηρεμίας Q του τρανζίστορ) δίνεται από την εξίσωση (βλ. και ενότητα 4..3) D, Q D =,Q.I,Q = D,max και (ειδικά για τους συγκεκριμένους ενισχυτές) αντιπροσωπεύει και τη μέγιστη δυνατή κατανάλωση ισχύος (υπό την έννοια ότι, όταν σε ενισχυτή τάξης Α εφαρμόζεται A σήμα εισόδου, η κατανάλωση ισχύος μειώνεται). 3 Αυτό σημαίνει ότι μεγιστοποιείται η A ενδοτικότητα M A του ενισχυτή. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.9
Μελέτη περίπτωσης: Ο ενισχυτής (τάξης Α) με σύζευξη - και = G v (t) v g (t) ~ v (t) Εφαρμογή του τύπου M,max 8 η = (I I source,q ) M 8 I,Q σε ενισχυτή (τάξης Α) με σύζευξη -, αντιστάσεις = (μέγιστη μεταφορά ισχύος) οπότε r = // =, ρεύμα πόλωσης I, 0, μικρή αντίσταση ( 0) και σημείο ηρεμίας Q τοποθετημένο στο μέσο της γραμμής φορτίου A οπότε I,Q = και M = I Q r = ), r / 3 3 δίνει η = = 8,33%, γεγονός που καταδεικνύει τη χαμηλή απόδοση των ενισχυτών τάξης Α (4). Παραπομπές (για την ενότητα 4.3) Α.. Malvo, Ηλεκτρονική, ενότητα 0.3 (και λυμένα παραδείγματα) Α.. Malvo, Βασική Ηλεκτρονική, ενότητες 9.3 9.7 (και λυμένα παραδείγματα) 4 Επισημαίνεται ότι ο χαμηλός συντελεστής απόδοσης η = 8,33% προέκυψε υπό συνθήκες βέλτιστης (από άποψη αποδοσης) λειτουργίας του ενισχυτή αφού η υπόθεση = εξασφαλίζει τη μέγιστη δυνατή μεταφορά ισχύος στο φορτίο ενώ οι υποθέσεις I, 0 και 0 εξασφαλίζουν ότι η απώλεια ισχύος στις αντιστάσεις πόλωσης, και στην αντίσταση εκπομπού είναι η ελάχιστη δυνατή. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.0
4.4. Ενισχυτές τάξης Β (push-pull με τρανζίστορ συνδεσμολογίας ) 4.4. Κύκλωμα και ανάλυση Προκειμένου να μειωθεί η παραμόρφωση (στο σήμα εισόδου) που προκαλεί η λειτουργία σε τάξη Β (το τρανζίστορ παραμένει στην ενεργό περιοχή μόνο για μία ημιπερίοδο και ενισχύει μόνο το θετικό ή αρνητικό τμήμα του σήματος εισόδου), οι ενισχυτές τάξης Β χρησιμοποιούν τη συνδεσμολογία push-pull. Η συνδεσμολογία αυτή είναι σε θέση να ενισχύει το σήμα εισόδου και κατά τις δύο ημιπεριόδους (τα δύο τρανζίστορ παραμένουν στην ενεργό περιοχή, εναλλάξ, ένα κατά τη θετική ημιπερίοδο και ένα κατά την αρνητική) με αποτέλεσμα την ταυτόχρονη επίτευξη αυξημένης γραμμικότητας (συγκρίσιμης με αυτήν της τάξης Α) και υψηλής απόδοσης (λόγω της λειτουργίας σε τάξη Β). Στους ενισχυτές push-pull χρησιμοποιούνται, συνήθως, ακόλουθοι εκπομπού (συνδεσμολογία ) λόγω της χαμηλής παραμόρφωσης που προκαλεί η συγκεκριμένη συνδεσμολογία 5. Αυτό έχει ως συνέπεια το κέρδος τάσης του ενισχυτή να είναι A (οπότε ο ενισχυτής push-pull λειτουργεί ως ενισχυτής ρεύματος ή ενισχυτής ισχύος). Τα δύο τρανζίστορ είναι συμπληρωματικά (το npn παραμένει στην ενεργό περιοχή κατά τη θετική ημιπερίοδο ενώ το pnp κατά την αρνητική) ενώ η χρήση των αντιστάσεων και σε «κατοπτρική» διάταξη δημιουργεί συμμετρία στο κύκλωμα. v (t) v (t) 5 Τυχόν χρήση τρανζίστορ με συνδεσμολογία θα προκαλούσε αυξημένη παραμόρφωση στο σήμα εισόδου. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.
Τα D και A ισοδύναμα του ενισχυτή push-pull (και η σχετική ανάλυση) φαίνονται αμέσως παρακάτω: Β I BIAS B v Ισοδύναμο D Β Ισοδύναμο A Ισοδύναμο A κάθε τρανζίστορ i c z,base r e v v Ανάλυση D Η πόλωση των δύο τρανζίστορ είναι τέτοια ώστε (χωρίς το σήμα v (t)) να λειτουργούν λίγο πιο πάνω από την αποκοπή. Αυτό σημαίνει ότι οι βάσεις Β και Β είναι σε μεταξύ τους διαφορά δυναμικού B B = B. Κατόπιν τούτου, το ρεύμα πόλωσης δίνεται από την εξίσωση Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.
Ι BIAS = οπότε B (6) ' B = I BIAS B = B B = B,4 Συνήθως, οι δύο αντιστάσεις, αντικαθίστανται από δύο διόδους (D και D) με χαρακτηριστικές συμβατές με αυτές των επαφών Β-Ε του τρανζίστορ, προκειμένου το σημείο ηρεμίας Q να μην επηρεάζεται από τις μεταβολές της B (που προκαλούνται από διακυμάνσεις της θερμοκρασίας). Λόγω της συμβατότητας μεταξύ διόδων και τρανζίστορ, τα ρεύματα πόλωσης I BIAS και συλλέκτη Ι,Q είναι περίπου ίσα. Ισχύει δηλαδή ότι Ι BIAS = B Ι,Q Γραμμή φορτίου D: Δεδομένου ότι δεν υπάρχει ενώ 0 (οπότε I c,sat = γραμμή φορτίου D είναι σχεδόν κατακόρυφη. Αποκοπή (Ι 0):,cut,Q = ) η Ανάλυση A v = i b.z,base v = i e. A v = v z,base = β ac. Γραμμή φορτίου A: Κόρος (v,sat 0): i,sat = I,Q +,Q r = 0 + Αποκοπή (i 0): v,ut =,Q + I,Q.r =,Q r = 0. Ενδοτικότητα (compliance) A: M =,Q = = 6 Στις εξισώσεις που ακολουθούν, χρησιμοποιείται ο όρος Ι BIAS αντί για τον Ι,, λόγω του ότι οι δύο αντιστάσεις, συνήθως αντικαθίστανται από δύο διόδους προκειμένου το σημείο ηρεμίας Q να μην επηρεάζεται από θερμοκρασιακές μεταβολές. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.3
i,sat = I,Q + r = 0 + r =,Q,Q = i,tota A D Q (σημείο ηρεμίας) v,tota v,ut =,Q + I,Q.r = + 0. = Παραμόρφωση διασταύρωσης Μολονότι το σημείο ηρεμίας Q θεωρείται ότι αντιστοιχεί στην αποκοπή (οπότε τοποθετείται πάνω στον οριζόντιο άξονα v ) στην πράξη τοποθετείται λίγο πάνω από τον άξονα v προκειμένου να αποφευχθεί η λεγόμενη «παραμόρφωση διασταύρωσης» ( cross-over ). Η παραμόρφωση αυτή οφείλεται στο γεγονός ότι, για να πολωθούν ορθά οι δίοδοι Β-Ε των δύο τρανζίστορς, η τάση εισόδου v (t) πρέπι να είναι μεγαλύτερη από +0,7 (για το πάνω τρανζίστορ) και μικρότερη από 0,7 (για το κάτω τρανζίστορ). Αυτό σημαίνει ότι για τιμές 0,7 < v (t) < +0,7, ισχύει ότι v (t) = 0, άρα η τάση εξόδου v (t) παρουσιάζεται παραμορφωμένη ως προς την τάση εισόδου v (t) (βλ. σχήμα που ακολουθεί). Για την αντιμετώπιση του προβλήματος το σημείο ηρεμίας Q δεν τοποθετείται στον οριζόντιο άξονα i,tota (I,Q = 0), αλλά λίγο παραπάνω (I,Q 0,0i,SAT ). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.4
4.4.. Απόδοση Ισχύς στο φορτίο:,max = M 8 Ισχύς πηγής: source =.I =.( I BIAS + I,A ) =.(I BIAS + i, SΑΤ ) π i, SΑΤ όπου χρησιμοποιήθηκε η σχέση I,A = δεδομένου ότι το ρεύμα π στο συλλέκτη του πάνω τρανζίστορ είναι ημιανορθωμένο με μέγιστη τιμή i,sat. M,max 8 Συντελεστής απόδοσης: η = i source,sat (I ΒΙΑS ) π Θεωρώντας I BIAS 0 και δεδομένου ότι M =,Q = και i,sat =, προκύπτει η = 4 π 78,5% (7). Για τον ενισχυτή push-pull μπορεί να οριστεί η D κατανάλωση σε συνθήκες ηρεμίας (δηλαδή η D ισχύς στο σημείο ηρεμίας Q) D, Q D =,Q.I,Q σχέση που ισχύει, γενικά, για όλους τους ενισχυτές (βλ. και ενότητα 4..3). Ωστόσο (σε αντίθεση με τους ενισχυτές τάξης Α όπου η παραπάνω σχέση παρέχει και τη μέγιστη δυνατή απώλεια ισχύος) η μέγιστη κατανάλωση ισχύος δίνεται από την εξίσωση D,max = M (8) 40. Παραπομπές (για την ενότητα 4.4) Α.. Malvo, Ηλεκτρονική, ενότητες 0.40.6 (και λυμένα παραδείγματα) Α.. Malvo, Βασική Ηλεκτρονική, ενότητες 0.0.4 (και λυμένα παραδείγματα) 7 Ακριβέστερη τιμή για το συντελεστή απόδοσης μπορεί να προκύψει αν δεν αγνοηθεί το ρεύμα π Ι, αλλά τεθεί ίσο με μi,sat (Ι I = μ.i sat, μ < 0,), οπότε προκύπτει ότι η =. 4(μ / π) 4 8 Σε αντίθεση με τον ενισχυτή τάξης Α, όπου η σχέση D, loss D, Q D =,Q.I,Q προσδιορίζει την D κατανάλωση στο σημείο ηρεμίας Q και, ταυτόχρονα, τη μέγιστη δυνατή κατανάλωση ισχύος D, max (βλ. και ενότητα 4.3.4), για τους ενισχυτές τάξης Β και, η παραπάνω εξίσωση προσδιορίζει, απλώς, την katan;alvsh ισχύος στο σημείο ηρεμίας Q ενώ η μέγιστη κατανάλωση ισχύος δίνεται από τον τύπο D, max = M /40. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.5
4.5. Ενισχυτές τάξης (συντονισμένοι) Σε έναν ενισχυτή τάξης, τα τρανζίστορ παραμένουν στην ενεργό περιοχή για χρόνο μικρότερο από μία ημιπερίοδο. Συνήθως, οι ενισχυτές αυτοί περιέχουν και ένα συντονισμένο κύκλωμα, μέσω του οποίου δημιουργείται, στην έξοδο, ένα ημιτονοειδές σήμα v (t). Στο κύκλωμα του σχήματος, το τρανζίστορ είναι πολωμένο έτσι ώστε να δημιουργεί ρεύμα συλλέκτη i, μόνο για ένα τμήμα της ημιπεριόδου. Αυτό δημιουργεί «αρμονικές» οι οποίες όμως «φιλτράρονται» από το συντονισμένο κύκλωμα του συλλέκτη 9. Το κύκλωμα αυτό συντονίζεται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα f r (τη συχνότητα συντονισμού του κυκλώματος) στην οποία εμφανίζεται και το μέγιστο δυνατό κέρδος Α v, max = A του ενισχυτή. Στη συχνότητα αυτή, το σήμα εξόδου v (t) είναι μία ημιτονοειδής τάση η οποία κυμαίνεται από v,ut 0, μέχρι. Γενικά, το κέρδος του ενισχυτή είναι συνάρτηση της συχνότητας, ο δε ενισχυτής θεωρείται ότι ενισχύει αποδοτικά εντός μιας περιοχής συχνοτήτων [f, f ] γύρω από την f r όπου οι f και f ορίζονται ως οι συχνότητες στις οποίες το κέρδος μειώνεται στην τιμή A max v, = 0,707.A (μείωση κατά 3 db) 0. Με βάση τα παραπάνω, για τον ενισχυτή τάξης του σχήματος, ισχύoυν, οι παρακάτω εξισώσεις Κεντρική συχνότητα (συντονισμού): f r = π Κέρδος στην κεντρική συχνότητα f r : Α(f r ) = Α max A () Εύρος ζώνης ενίσχυσης (γύρω από την f r ): Β = f f όπου Α(f ) = Α(f ) = A Με τη σειρά του, ο συντελεστής ποιότητας Q amp του συνολικού κυκλώματος του ενισχυτή ορίζεται ως 9 Ένα κύκλωμα λειτουργεί σε «κατάσταση συντονισμού» όταν η συνολική τάση είναι σε φάση με το συνολικό ρεύμα του κυκλώματος. Προϋποθεση για το συντονισμό είναι ο μηδενισμός του φανταστικού μέρους της εμπέδησης Ζ του κυκλώματος, ο οποίος (μηδενισμός) επιτυγχάνεται σε συγκεκριμένη συχνότητα f r που καλείται συχνότητα συντονισμού. Σε ένα κύκλωμα (όπως αυτό στο συλλέκτη του τρανζίστορ) ο συντονισμός επιτυγχάνεται σε συχνότητα f r =. π 0 Οι συχνότητες f και f μπορούν, πρακτικά, να θεωρηθούν συμμετρικές γύρω από τη συχνότητα συντονισμού f r εάν Q amp > 0. Πολλές φορές, για τη μέγιστη τιμή του κέρδους, χρησιμοποιείται ο συμβολισμός Α mid, όπου mid δηλώνει το μέσο (middle) της ζώνης f f (πρακτικά, τη συχνότητα συντονισμού f r ). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.6
Q amp f r B f f r f και αποτελεί μέτρο της συχνοτικής επιλεκτικότητας του ενισχυτή, υπό την έννοια ότι υψηλή τιμή του Q amp (μεγαλύτερη του 0) δηλώνει ενισχυτή με «στενή» καμπύλη κέρδους (f f Β << f r ). Το πηνίο του συντονισμένου κυκλώματος χαρακτηρίζεται με βάση το συντελεστή ποιότητας Q Π του πηνίου o οποίος μπορεί να υπολογιστεί από το ισοδύναμο κύκλωμα του πηνίου (είτε το κύλωμα σειράς είτε το παράλληλο) με βάση τις εξισώσεις που ακολουθούν: Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.7
Q Π = Q Π = X Π X S Π πf S πf όπου j.χ Π = j.πf η εμπέδηση του πηνίου και S, οι ισοδύναμες αντιστάσεις (σειράς και παράλληλη) του πηνίου Για το συντελεστή ποιότητας του ενισχυτή, ισχύει ότι Q amp = // X Π ( ) όπου η παράλληλη ωμική αντίσταση του πηνίου, η αντίσταση φορτίου και Χ Π = πf η εμπέδηση του πηνίου. Τέλος, για τον εισχυτή τάξης του σχήματος ισχύουν και οι παρακάτω εξισώσεις: Ενδοτικότητα A: M A = Απόδοση: 78,5% < η <00% Κύκλος έργου: 0 < d < τ < T 0 o < φ < 80 ο Παραπομπές (για ενότητα 4.5) Α.. Malvo, Ηλεκτρονική, ενότητες 0.9 (και λυμένα παραδείγματα) Α.. Malvo, Βασική Ηλεκτρονική, ενότητα.5 Στην πράξη, δίνονται η αυτεπαγωγή (από την οποία προκύπτει η εμπέδηση X Π ) και ο συντελεστής X Π ποιότητας Q Π του πηνίου. Στη συνεχεια, από τις σχέσεις Q Π =, προκύπτουν οι S και, X από τις οποίες, μέσω της σχέσης Q amp = // X συντονισμένου ενισχυτή. Επισημαίνεται ότι, επειδή // <, προκύπτει ότι Q amp < Q Π. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 4.8 Π S Π, προκύπτει ο συντελεστής ποιότητας Q amp του