«Ενισχυτές με διπολικό transistor»

ΗΥ335: Προχωρημένη Ηλεκτρονική «Ενισχυτές με διπολικό transistor» Φώτης Πλέσσας fplessas@inf.uth.gr ΤΗΜΜΥ

Δομή Πόλωση Αρχές ενίσχυσης Μοντέλα και υλοποιήσεις μικρού σήματος για BJT ΤΗΜΜΥ 2

Σκοπός αυτής της διάλεξης Να δείξουμε πως τα transistors μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ενισχύσουν ένα σήμα. amplifier ΤΗΜΜΥ 3

Βασική Ιδέα Βήμα 1: Να φέρουμε το transistor σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο DC biasing Βήμα 2: Να οδηγήσουμε ένα μικρό σήμα στην είσοδο και να πάρουμε μια μεγαλύτερη έξοδο coupling 0.6V amplifier 7V ΤΗΜΜΥ 4

Πόλωση του τρανζίστορ Για να φέρουμε το transistor σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο DC πρέπει να θέσουμε την V CE και το I C VCC=10V RB RL IC Ας βρούμε τις R B και R L αν υποθέσουμε ότι θέλουμε τις παρακάτω συνθήκες: I C = 10 ma και V CE = 5 V Ξεκινάμε από το V BE 0.7 V. Τότε, I B = (10 V BE )/ R B = (10 0.7)/ R B IB VCE I C = βi B = 100 (10 0.7)/ R B = 10 ma VBE Transistor: β = 100 Επίσης, V CE = 10 R L I C οπότε, 5 = 10 10 R L Άρα, R L = 0.5kΩ Άρα, R B = 94kΩ ΤΗΜΜΥ 5

Κακή πόλωση εξαρτώμενη από το β Ας υποθέσουμε ότι δοκιμάζουμε στο εργαστήριο να υλοποιήσουμε το κύκλωμα με R B = 94kΩ και R L = 0.5kΩ και να δούμε τα αποτελέσματα. VCC=10V εντελώς λάθος! Δεν παίρνουμε I C = 10mA και V CE = 5V RB VBE RL IB Transistor: β = 100 VCE IC Αυτό είναι ένα κακό κύκλωμα πόλωσης! Στηρίζεται στην ακρίβεια του β, αλλά το β μπορεί να διαφέρει μέχρι και ±50% σε σχέση με ότι αναφέρεται στο datasheet. ΤΗΜΜΥ 6

Μία ελαφρώς καλύτερη μέθοδος πόλωσης Στόχος είναι να βρούμε τις αντιστάσεις έτσι ώστε I C = 10mA και V CE = 5V VCC=10V RB1 RB2 RL IB VBE VCE IC Αν το I Β είναι μικρό μπορούμε να γράψουμε: 0.6 10 R B2 B1 Αν υποθέσουμε ότι παίρνουμε I C = 10mA τότε R L = 0.5kΩ. Επίσης, μπορούμε να ξεκινήσουμε με R B1 = 940Ω and R B2 = 60Ω. Αυτές θα εξασφαλίσουν ότι το I B θα είναι πολύ μικρότερο από το ρεύμα που ρέει μέσω των R B1 and R B2. B1 R R B2 R R B2 94 6 Στην πράξη πρέπει να «τριμάρουμε» την R B1 ή την R B2 έτι ώστε η V CE να είναι ακριβώς 5V. ΤΗΜΜΥ 7

Μία πολύ καλύτερη μέθοδος πόλωσης emitter degeneration Στόχος και πάλι είναι να βρούμε τις αντιστάσεις έτσι ώστε I C = 10mA και V CE = 5V VCC=10V Θέτουμε την V E = 2V. Τότε, R E = 2V/10mA = 0.2kΩ. RB1 RB2 RL IB VE VCE RE IC Για να πάρουμε V CE = 5V η R L = 0.3kΩ. Επίσης έχουμε V B = V E 0.6. Οπότε, αν το I B είναι μικρό σε σχέση με το IR B1 και το IR B2, έχουμε: RB 1 74 R 26 B2 Έτσι, R B1 = 740Ω και R B1 = 260Ω. Σημείωση: το β δεν έχει χρησιμοποιηθεί στους υπολογισμούς!! ΤΗΜΜΥ 8

Σταθερή (καλή πόλωση) πόλωση VCC=10V Σύνοψη της μεθόδου πόλωσης με emitter degeneration (εκφυλισμός): Επιλέγουμε τα V E, I C και V CE. RB1 VB RB2 RL IB VE VCE IC RE R E R L Χρησιμοποιούμε την V BE 0.6 για να υπολογίσουμε την V B. Και στη συνέχεια την : Για να επιλέξουμε τις R B1 και R B2 έτσι ώστε το I B ναι είναι πολύ μικρότερο από το ρεύμα που ρέει στις R B1 και R B2. R R B1 B2 V 10 V B B ΤΗΜΜΥ 9

Ορολογία Οι παρακάτω όροι είναι ίδιοι: Biasing point Quiescent point Operating point (OP) DC point ΤΗΜΜΥ 10

Εναλλακτική ματιά της πόλωσης VCC IC RL RL VR VCC VCE IC Load line Slope=1/RL VBE IC VCE operating point VCE VCC ΤΗΜΜΥ 11

Τι ελέγχει το operating point; VCC IC IC Load line RL Slope=1/RL a bigger VBE VBE VCE operating point a smaller RL VCC VCE Συμπέρασμα: Η V BE ή το I B ελέγχουν το OP Η R L επίσης ελέγχει το OP ΤΗΜΜΥ 12

Τι συμβαίνει αν η VΒΕ μετακινείται πάνωκάτω; V CC I C Load line Slope=1/R L R IC L a bigger L VBE = 0.65 VBE VCE a smaller VBE = 0.6 VCC VCE Το OP επίσης μετακινείται πάνωκάτω μαζί με τη γραμμή φορτίου. Η V CE επίσης μετακινείται πάνωκάτω. Τυπικά, όταν η V BE μετακινείται ελαφρά, η V CE μετακινείται αρκετά! Αυτό ονομάζεται: ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΗΜΜΥ 13

Υπολογισμός του κέρδους τάσης V VCE Ερώτηση: ποιο είναι το ; V V IN BE VCC Από νόμο του Ohm: RL IC V CE = V CC I C R L V CE = R L I C VBE VCE Τι συσχετίζει το I C και το V BE ; Από την προηγούμενη διάλεξη: transconductance g m I V C BE Οπότε, V V CE BE g m R L ΤΗΜΜΥ 14

Ενισχυτής κοινού εκπομπού Αυτό που έχουμε μελετήσει λέγεται ενισχυτής κοινού εκπομπού. VCC RB1 RL IC Σύνοψη: Το κέρδος τάσης μικρού σήματος είναι = g m R L RB2 vbe vce Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να αυξήσουμε το κέρδος αυξάνοντας το g m ή/και την R L Η κυματομορφή εξόδου έχει αντίθετη φάση ΤΗΜΜΥ 15

Πώς οδηγούμε το σήμα στον ενισχυτή; VCC RL RB1 IC v in ~? v CE = V CE v CE ±20mV ~ RB2 VBE v in or v CE ΤΗΜΜΥ 16

Συμβολισμοί ~ v CE = V CE v CE = Total signal a B DC point A B Total signal(large signal) small signal ή ac signal Small signal ~ a B ή Δa B ή a b operating point ή DC value ή quiescent point ΤΗΜΜΥ 17

Λύση: Η προσθήκη του ίδιου DC level ακριβώς η ίδια πόλωση Είναι αδύνατο να βρεθεί μια πηγή τάσης ίδιας τιμής με την ακριβή τάση μεταξύ ΒΕ Η V BE μπορεί να είναι 0.621234V που καθορίζεται από το δίκτυο R B1, R B2 και τα χαρακτηριστικά του transistor Πώς θα εφαρμόσουμε την ακριβή V BE ; ΤΗΜΜΥ 18

Η εκπληκτική πηγή τάσης: πυκνωτής VCC Η τάση στον πυκνωτή είναι ακριβώς ίση με V BE γιατί το DC ρεύμα πρέπει να είναι μηδέν RB1 RL 0A VCE VC RB2 VBE IC ΤΗΜΜΥ 19

Λύση: χρήση πυκνωτή σύζευξης H DC τάση είναι ακριβώς ίδια με την τάση πόλωσης V BE RB1 VCC RL IC Αυτός ονομάζεται πυκνωτής σύζευξης (coupling) ±20mV ~ RB2 vin vbe vce ΤΗΜΜΥ 20

Πλήρης ενισχυτής common emitter VCC RB1 RL IC vce ~ vo ~ RB2 vbe vin coupling capacitors (αρκετά μεγάλοι έτσι ώστε να γίνονται βραχυκυκλώματα στην συχνότητα του σήματος) ΤΗΜΜΥ 21

Μπορούμε να απλοποιήσουμε την ανάλυση; Ενδιαφερόμαστε κυρίως για τα ac σήματα. Η DC πόλωση δεν έχει σημασία! Μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα απλό κύκλωμα για να δούμε μόνο τα ac σήματα; ~ common emitter ~ amplifier vin vo ΤΗΜΜΥ 22

Μοντέλο μικρού σήματος Δύο βασικές ερωτήσεις: ~ common emitter?? ~ amplifier vin vo 1. Ποια είναι η αντίσταση που «φαίνεται» εδώ; 2. Ποιο είναι το ισοδύναμο Thévenin ή Norton που «φαίνεται» εδώ; ΤΗΜΜΥ 23

Μοντέλο μικρού σήματος του BJT: στόχοι Να βρεθούν τα: r in, R o, G m ή τα r in, R o, A m r in Gm v in R o r in R o A m v in Ισοδύναμο Norton Ισοδύναμο Thévenin ΤΗΜΜΥ 24

Υπολογισμός του μοντέλου μικρού σήματος Είσοδος: ib για μικρό σήμα: vbe όπου g m είναι η διαγωγιμότητα του BJT ΤΗΜΜΥ 25

Υπολογισμός του μοντέλου μικρού σήματος Έξοδος: VCC RL IC vce για μικρό σήμα: ~ g m v BE RL ~ vce όπου g m είναι η διαγωγιμότητα του BJT ΤΗΜΜΥ 26

Υπολογισμός του μοντέλου μικρού σήματος VCC Έξοδος: Συμπεριλαμβάνεται το Early effect ~ g m v BE ro RL ~ vce RL IC vce Όπου r o είναι η αντίσταση εξόδου/early του BJT. r o = V A /I C, V A είναι τυπικά περίπου 100V. Πρόχειρη εκτίμηση: r o =. ΤΗΜΜΥ 27

Αρχικό μοντέλο μικρού σήματος για το BJT MUST REMEMBER Παράμετροι μικρού σήματος του BJT: g m I C I C kt q VT r V ro I g m A C V T είναι η θερμική τάση 25mV V A είναι η τάση Early, τυπικά ~ 100V ΤΗΜΜΥ 28

Παράδειγμα: ενισχυτής κοινού εκπομπού Υποθέτουμε πως όλο οι πυκνωτές σύζευξης είναι αρκετά μεγάλοι ώστε να θεωρούνται βραχυκυκλώματα στη συχνότητα του σήματος VCC B H VCC είναι 0 στο ac C RL RB1 RL RB1 RB1 rπ ~ g m v BE ro vin RB2 vo vbe E E ΤΗΜΜΥ 29

Πλήρες μοντέλο για τον ενισχυτή κοινού εκπομπού Πλήρες μοντέλο: Συνολική αντίσταση εισόδου Rin RB 1 RB2 r Συνολική αντίσταση εξόδου Απλοποιημένο μοντέλο: v v o in R R Κέρδος τάσης g m o L r o RL ro gmrl ΤΗΜΜΥ 30

Εναλλακτικό μοντέλο για τον ενισχυτή κοινού εκπομπού Έξοδος με μορφή ισοδύναμου Thévenin: Συνολική αντίσταση εισόδου Rin RB 1 RB2 r Συνολική αντίσταση εξόδου R R o L r o v v o in Κέρδος τάσης g m RL ro gmrl ΤΗΜΜΥ 31

Περισσότερα για το ενισχυτή κοινού εκπομπού Λόγω της μεγάλης αντίσταση εξόδου (R L r o R L ), ο ενισχυτής κοινού εκπομπού είναι ένας κακός διαιρέτης τάσης. Αυτό σημαίνει ότι δεν είναι καλή ιδέα η χρήση αυτού του ενισχυτή για φορτία μικρότερα από την R L. Άρα δεν είναι κατάλληλος για να «δώσει» ρεύμα σε ένα φορτίο. 1kΩ, για παράδειγμα RL ro ~ vin RB1 RB1 rπ v BE vo Ουσιαστικά δεν υπάρχει έξοδος 10Ω ~ gm(rl ro) vbe ΤΗΜΜΥ 32

Κακή ιδέα λάθος χρήση του ενισχυτή κοινού εκπομπού Transconductance: gm IC / 25mV 2/ 25 0.2A / V g Αναμενόμενο κέρδος: m R L ( 0.2)(1k ) 200 Όμως το κύκλωμα εξόδου είναι: Το πραγματικό κέρδος είναι: 200 10 x 1.98 1000 10 ΤΗΜΜΥ 33

Κατάλληλη χρήση του ενισχυτή κοινού εκπομπού Το φορτίο πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερο από την R L. Τώρα το κύκλωμα εξόδου είναι: 7 10 200 7 1000 10 Το πραγματικό κέρδος είναι: x 200 ΤΗΜΜΥ 34

Πως μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον ενισχυτή στην πράξη; Πως θα συνδέσουμε το φορτίο; RB1 10V 5mA 1kΩ RB2 vbe vin? speaker vo 10Ω ΤΗΜΜΥ 35

Ακόλουθος εκπομπού Συνθήκες πόλωσης: RB1 10V RB2 vin RE IC στα 10mA VCE στα 5V vo Τάση στη βάση 5.6V Τάση στον εκπομπό 5V Ρέυμα στον συλλέκτη 10mA R E = 500Ω R B1 /R B2 44/56 Έστω R B1 =440kΩ και R B2 =560kΩ V E = V B 0.6 οπότε για μικρό σήμα, V E = V B ή v o = v in Κέρδος = v o / v in = 1 ΤΗΜΜΥ 36

Μοντέλο μικρού σήματος για τον ακόλουθο εκπομπού 10V B C RB1 g m v RB1 RB2 BE E E RB2 vin vo RE RE vo rπ ~ ro ΤΗΜΜΥ 37

Μοντέλο μικρού σήματος για τον ακόλουθο εκπομπού vin RB1 RB2 i B C B rin E rπ ~ g m v BE E ro vo RE r in H αντίσταση εισόδου είναι: r r v i in B v i E B v BE v i B r (1 ) R E E i E v i BE B v i ve /(1 ) E B Η οποία είναι πολύ μεγάλη (καλό)!! ΤΗΜΜΥ 38

Η αντίσταση εξόδου είναι: που είναι πολύ μικρή (καλό)!! B C rπ ro im E E rout vm RE g m v BE ~ Μοντέλο μικρού σήματος για τον ακόλουθο εκπομπού BE m B E BE m m out v g i i v i v r m E E m E E E g r R v g r v i v 1 1 1 m E m m E g R g g R 1 1 1 1 m E g R 1 ΤΗΜΜΥ 39

Μοντέλο μικρού σήματος για τον ακόλουθο εκπομπού Ισοδύναμο Thevenin: πολύ μεγάλη R E (1/g m ) πολύ μικρή v in r π (1 β)r E v o 1 v in Μεγάλη αντίσταση εισόδου Μικρή αντίσταση εξόδου Κέρδος τάσης = 1 Δεν «τραβάει» ρεύμα από το προηγούμενο στάδιο Καλό για κάθε φορτίο ΤΗΜΜΥ 40

Ένας βελτιωμένος emitter follower 10V RB1 Η αντίσταση εισόδου είναι πολύ μεγάλη γιατί R E =. Η αντίσταση εξόδου είναι 1/g m. vin RB2 vo IE 1/gm Gain = 1. Το κύκλωμα αυτό ονομάζεται και στάδιο εξόδου CLASS A. ΤΗΜΜΥ 41

Ενισχυτής κοινού εκπομπού με ακόλουθο εκπομπού ως απομονωτή 10V RB1 RL emitter follower (μοναδιαίο κέρδος) vin RB2 vbe speaker IE 1 10Ω commonemitter amplifier (υψηλό κέρδος) gm vo ΤΗΜΜΥ 42

Επιπλέον σκέψεις Επηρεάζουν οι αντιστάσεις πόλωσης το κέρδος; Rbias RL Φαίνεται πως όχι, αφού το κέρδος = g m R L το οποίο δεν εξαρτάται από την R bias. vo vin Όπως μια πραγματική πηγή τάσης έχει πεπερασμένη εσωτερική αντίσταση. Αυτό θα επηρεάσει το κέρδος. ΤΗΜΜΥ 43

Πηγή εισόδου με πεπερασμένη αντίσταση Στην είσοδο υπάρχει ένας διαιρέτης τάσης v BE v RBIAS R R r r BIAS Οπότε το κέρδος μειώνεται σε v v o in s in RBIAS R R Υποθέτοντας ότι η r o είναι πολύ μεγάλη s r r BIAS g m R L ΤΗΜΜΥ 44

Παράδειγμα Κατά πόσο μειώνεται το κέρδος; 10V 94kΩ 5mA 1kΩ 50Ω 50Ω vin Rbias vbe rπ vo vin 600Ω 94k 600 = 596Ω g m = 5mA/25mV = 0.2A/V r π = β/g m = 100/0.2 = 500Ω Εξασθένηση στον διαιρέτη τάσης = R 50 R BIAS r r BIAS 596 500 50 596 500 0.845 Έτσι, το κέρδος μειώνεται στο 0.845(g m R L ) = 169 ΤΗΜΜΥ 45

Επιπλέον σκέψεις Θυμηθείτε ότι το καλύτερο σχήμα πόλωσης πρέπει να είναι ανεξάρτητο του β 10V 5mA 1kΩ 84kΩ vo vin 16kΩ 200Ω Ένα καλό σχήμα είναι ο εκφυλισμός (degeneration) εκπομπού. Χρησιμοποιούμε την R E για να επιλέξουμε το ρεύμα πόλωσης. Εδώ, αφού η V B είναι περίπου 1.6V, που επιλέγεται με τον διαιρέτη τάσης στην βάση, η V E είναι περίπου 1V. Οπότε, I C V E /R E = 5mA (δεν χρειάζεται το β) Ερώτηση: Θα επηρεάσει αυτό το σχήμα πόλωσης το κέρδος; ΤΗΜΜΥ 46

Ενισχυτής κοινού εκπομπού με εκφυλισμό εκπομπού Άσκηση: Βρείτε το κέρδος μικτού σήματος αυτού του ενισχυτή. VCC RB1 RL vo vin RB2 RE Απάντηση: vo gm RL v in 1 1 1 g gm RL RL 1 g R R m m R Το κέρδος είναι πολύ μικρότερο Έχουμε καλή πόλωση, αλλά φτωχό κέρδος! Μπορούμε να βελτιώσουμε το κέρδος; ΤΗΜΜΥ 47

Ενισχυτής κοινού εκπομπού με απόζευξη (bypass) εκπομπού VCC RB1 RL Προσθήκη του C E έτσι ώστε η ενεργή αντίσταση του εκπομπού να γίνει μηδέν στη συχνότητα του σήματος. vo vin RB2 RE CE Έτσι, αυτό το κύκλωμα έχει καλή πόλωση και το κέρδος είναι μεγάλο. Gain = g m R L Το οποίο δεν επηρεάζεται από την R E η οποία είναι βραχυκυκλωμένη στη συχνότητα του σήματος. Ο C E ονομάζεται πυκνωτής απόζευξης. ΤΗΜΜΥ 48

C B v BE g m v BE r o rπ E E V T είναι η θερμική τάση 25mV V A είναι η τάση Early 100 V Ανακεφαλαίωση Βασικό μοντέλο AC μικρού σήματος του BJT: C A o m T C C m I V r g r V I q kt I g ΤΗΜΜΥ 49

Ανακεφαλαίωση Μοντέλο AC μικρού σήματος του ενισχυτή κοινού εκπομπού: RL vin Rbias vbe rπ gmvbe ro RL vo Rbias vo vin Gain = g m R L Αντίσταση εισόδου: R bias r π (αρκετά μεγάλη επιθυμητό) Αντίσταση εξόδου: R L r o R L (μεγάλη ανεπιθύμητο) ΤΗΜΜΥ 50

Ανακεφαλαίωση Μοντέλο AC μικρού σήματος του ακόλουθου εκπομπού: rπ Rbias vbe gmvbe vin Rbias vin RE vo RE vo Gain = 1 Αντίσταση εισόδου: R bias [r π (1β)R E ] (αρκετά μεγάλη επιθυμητό) Αντίσταση εξόδου: R E (1/g m ) (μικρή επιθυμητό) ΤΗΜΜΥ 51

Ενδεικτικές Ασκήσεις V A =100V, β=200, V T =25mV Εικόνα 3.7 Άσκηση Εργαστηρίου και του V Τ Εικόνα 3.12 Εικόνα 3.72 ΤΗΜΜΥ 52

ΤΗΜΜΥ