Lucrarea Nr. 0 Etaje cu două tranzistoare. Polarizarea în RAN A.Scopul lucrării - Determinarea unor PSF-uri optime pentru tranzistoarele etajului - Obervarea influenţei neîmperecherii tranzistoarelor în circuite cu TB discrete; B.Scurt breviar teoretic Etajele elementare de amplificare cu tranzistoare (bipolare sau unipolare) se impart în două cateorii: cu un transistor şi cu două tranzistoare. În prima cateorie avem etajele EC, BC şi CC pentru TB şi respectiv SC, GC şi DC pentru TU. În a doua cateorie avem: a. etajul cascodă sau cascoda (EC+BC cu TB / SC+GC cu TU); b. etajul prafază sau cascadă (CC+BC cu TB / DC+GC cu TU); c. etajul diferenţial; Cascoda se poate realiza şi mixt (TB şi TU) în timp ce etajele parafază şi diferenţial se realizează obişnuit numai cu tranzistoare de acelaşi tip. În această lucrare ne m referi doar la primul etaj. a. Etajul cascodă cu TB O variantă simplă de polarizare în PSF pentru tranzistoarele etajului este reprezentată în fiura urmatoare: Fiura
. Curenţii de colector Cu toare comutatoarele deschise şi sursele CC, EE fixate, circuitul este în reim de CC. Cele două tranzistoare Q, Q fiind în serie şi având β, β de valoare mare (>00), m avea C C E şi EE BE EE 0.6 E = () RB RE RE + β + Relaţia () ia în consideraţie β >00 şi R E =R B =K. Deasemenea, relaţia () justifică posibilitatea relării curenţilor de PSF, C C, din sursa EE. Cu EE în plaja indicată în fiură se pot rela curenţi de colector la valorile ma, ma, 6mA. Să observăm ca relaţia () este adevarată numai dacă ambele TB sunt în RAN.. Tensiunile colector-emitor CE, CE Tensiunea de PSF a TB Q este aproximativ constantă, independentă de CC, în schema de polarizare din Fiura. Pe ochiul format de D, (BE), (CE), (BE) şi R B rezultă CE = D + RB B + BE BE Tranzistoarele Q, Q, funcţionând la curenţi de colector aproximativ identici (şi respectiv la aceeaşi temperatură), r avea tensiuni de comandă BE BE astfel încât rezultă: CE D + RB B D () dacă β >00 şi R B =K. De observat că intenţionat s-a adoptat pentru R valaorea 0.5K pentru ca la tensiunea minimă CC =5 să rezulte curentul ( D ) min >6mA (= C C = valoare maximă recomandată). În aceste condiţii se obţine pe diodă D > BE CE > BE şi Q nu va fi saturat. at Rezistenţa dinamică (se semnal mic) a diodei are expresia r d = şi, cu amaxt valorile precizate ( a [: ], T =5m, Dmin 8mA ), r d 7[ Ω], ceea ce D min asiură funcţionarea lui Q, în reim de semnal, cu baza la masă (nu este necesară prezenţa condensatorului de decuplare). Obsservaţie Se va vedea, la analiza de semnal mic a circuitului, că etajul cu Q (EC) din Fiura, nu are neie de tensiune de PSF, CE, mare; unica cerinţa este ca acesta să nu ajună în saturţie în reim de semnal. Etajul EC are, în Fiura, modulul amplificării în tensiunea de semnal a, amplificarea în tensiune a atajului cascoda fiind asiurată de v etajul BC realizat de Q. Pentru aceasta trebuie asiurat = CE CEoptim. D
Pentru suma tensiunilor CE si R C C avem la dispoziţie valoarea CC. Din Fiura rezultă: CC RC C + CE (3). Dacă urmărim adaptarea optimă între ieşirea etajului şi sarcina acestuia R L, este necesar ca R L =R C =K. În această situaţie, pentru excursii maxime aproximativ eale în cele două alternanţe ale semnalului de ieşire, este necesar ca (vezi L7): C ( RC // RL ) CE (4) Din relaţiile (3), (4) cu R L =R C va rezulta: CC CE optim R = CC = RC C C (5) 3 3 Relaţia (5) ne suerează cum se poate aranja CC astfel încât să se obţină pentru Q un PSF optim: se fixează C (din EE ) şi apoi se modifică CC până când intrarea în limitare (în reim de semnal, toate comutatoarele închise şi v pornit) a semnalului v o (t) se face în eală masură pentru ambele alternanţe. C. Modul de lucru a. Se realizează circuitul din Fiura cu R C =R L =K, R E =R B =K, D N448, C ~uf. b. K, K O deschise, se fixează un CC sufficient de mare pentru a asiura plasarea in RAN a lui Q şi se relează EE astfel încât RE = 6[] ( C, = 6[mA] ). c. Se determină din calcule valoarea CC astfel încât PSF(Q ) să fie în poziţia optimă pe drepta de sarcină. Se verifică acest fapt cu ajutorul osciloscopului (K, K O inchise, la creşterea amplitudinii semnalului de intrare limitarea semnalului de tensiune din colectorul lui Q să se realizeze în eală masură pentru ambele alternanţe). d. Se înlocuiesc tranzistoarele cu altele şi se observă diferenţe nesemnificative. Deducem ca acest etaj nu este sensibil la neîmperecherea tranzistoarelor componente. Condiţiile pe care trebuie sa le îndeplinească cele doua tranzistoare sunt β, β >> şi nu β =β. 3
. Analiza în semnal A.Scopul lucrării - Studiul comportării etajului Cascoda în reim de semnal; B.Scurt breviar teoretic În urma experimentelor din L7 s-a putut observa buna comportare în domeniul frecvenţelor înalte a etajului elementar BC: o valoare mare pentru amplificarea în tensiune de la emitor la colector şi cea mai înaltă frecvenţă limită superioară a benzii de trecere dintre toate conexiunile elementare. Însă acest etaj este caracterizat de un important dezavantaj: imposibilitatea de a conecta în cascadă mai multe etaje BC datorita discrepanţei majore dintre rezistenţa de intrare în etaj ( Rin BC ) şi cea de ieşire din etaj ( Rout ro BC ). Practic suntem în faţa m unei situaţii de non-adaptare flarantă între enerator şi sarcină. Divizarea tensiunii sursei de semnal între rezistenţa sursei (rezistenţa de ieşire a etajului BC) şi rezistenţa de intrare în etajul BC reduce mult amplificarea totală Rin A = A R + R Soluţia la această problemă este aceea de a cupla în cascadă un etaj EC/CC cu unul BC rezultând combinaţii numite cascode. În fiura următoare este reprezentată schema etajului cascoda EC-BC: in Fiura Pentru polarizarea tranzistorului se utilizează reţeaua cu rezistenţă serie în emitorul lui Q şi divizorul R B, R B, R B3. 4
Dacă prin proiectare se asiură div (R B, R B, R B3 ) >> B,, potenţialele terminalelor bază ale celor doua TB se r putea exprima pentru reimul de CC: RB3 B = CC R + R + R B RB3 + RB B = CC RB + RB + RB3 Folosind aceste rezultate rezultă imediat coordonatele PSF-urilor celor două TB: B BE C C = R CE CE = = B CC B R Pentru reimul de semnal Q va fi în conexiune EC datorită prezenţei condesatorului C E iar Q în conexiune BC, baza sa fiind pusă la masă în semnal prin condensatorul C B. Semnalul de la enerator este aplicat bazei lui Q prin condensatorul de cuplaj C B. Ca sarcină Q are în colector rezistenţa de intrare în emitorului lui Q. Sarcina R L este cuplată la ieşirea cascodei (colectorului lui Q ) prin condensatorul de cuplaj C L ce realizează blocarea trecerii componentei de CC spre sarcină. Modelul de semnal mic, pentru domeniul de frecvenţe corespunzător benzii de trecere, este reprezentat în fiura următoare: C B E C B3 B + BE Fiura 3 Modelul de semnal mic rezultă sub această formă deoarece condensatoarele C B, C B, C E şi C L sunt echivalente cu scurtcircuite în bandă ( X C 0), capacităţile parazite ale tranzistorilor ( C π, Cµ ) pot fi nelijate la fel ca şi rezistenţele extrinsece de bază r x şi rezistenţele de ieşire r o. Folosind modelul din Fiura 3 m determina parametrii dinamici ai etajului cascodă EC-BC: - amplificarea în tensiune realizată de Q este practic unitară (în condiţiile în care cele două TB sunt identice): m A v = = mrin, e = v in m 5
- amplificarea în tensiune realizată de etajul BC de la E la C A ( v = = m RC // RL ) - amplificarea în tensiune de la intrarea la ieşirea cascodei Av = = m( RC // RL ) vin - rezistenţa de intrare în cascodă r = in RB // RB3 // rπ - rezistenţa de ieşire rout = ro // RC RC Aşa cum arată şi expresiile de mai sus, în cascodă Q ( în conexiune EC) determină rezistenţa de intrare, nu contribuie la amplificare însă asiură atacul în curent al lui Q. Acesta din urmă, în conexiune BC, asiură întreaa amplificare în tensiune. C. Modul de lucru - Se realizează montajul experimental din Fiura 3 folosind R B =68K, R B =5K, R B3 =5K R C =K, R E =K, R L =K, C E =C B = C B =C L =47uF. Se masoara/verifica toate componenetele utilizate! Sunt disponibile pe fiecare placă de test cate 3 buc TB. Doar două dintre acestea au parametrul β corespunzator de valoare apropiată. Prin experiment se r alee pentru implementare acele TB care asiură A v =-. - În absenţa semnalului de la enerator se r determina mărimile de PSF: C, C, CE, CE. - Aplicând de la enerator semnal de frecvenţă 0KHz, se vizualizează cu ajutorul osciloscopului semnalul din ieşire. Se va creşte semnalul din intrare până la apariţia distorsiunilor prin limitare. Se determină amplificarea în tensiune ca fiind: out, m A =. Se compară rezultatul experimental cu cel teoretic. Pentru calculul in, m teoretic, valoarea parametrilor de semnal mic implicaţi se determină pornind de la PSF-ul obţinut experimental. - Cu un nivel al semnalului de intrare ca şi la punctul precedent, se va micşora frecvenţa semnalului furnizat de enerator pana când amplitudinea semnalului din ieşire scade la valoarea de 0.707 din cea care caracterizează semnalul de 0KHz. Frecvenţa corespunzatoare reprezintă limită inferioară a benzii de trecere f j. - Se va creste apoi frecvenţa semnalului pana cand la ieşire din nou amplitudinea semnalului din ieşire scade la valoarea de 0.707 din cea care caracterizează semnalul de 0KHz. Frecvenţa corespunzatoare f s reprezintă limită superioară a benzii de trecere. 6