Enotita 1

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΙT.E.I. ΠΑΤΡΑΣ – ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ 1

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΙ

∆ρ. Λάμπρος ΜπισδούνηςΑναπληρωτής Καθηγητής


∆ιδάσκων και ώρες / αίθουσα διδασκαλίας

• ∆ιδάσκων: Λάμπρος Μπισδούνης

• Γραφείο: Γραφ. Προϊσταμένου Τμ. Ηλεκτρολογίας,Ισόγειο Σ.Τ.Ε.

• Τηλέφωνο: 2610 369238

• E-mail: [email protected]

• ∆ιδασκαλία μαθήματος:

Τετάρτη, 15:00 – 18:00Αίθουσα Ζ18, 1ος όροφος Σ.Τ.Ε.


Βιβλία μαθήματος

Βασικό βιβλίο μαθήματος:

Γ. Χαριτάντη, Ηλεκτρονικά ΙΙ (Αναλογικά Ηλεκτρονικά), Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Αράκυνθος, 2007.

Βοηθητικό βιβλίο:

Γ. Χαριτάντη, Ηλεκτρονικά Ι (Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά), Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Αράκυνθος, 2006.

Η διδασκαλία του μαθήματος βασίζεται στα δύο παραπάνωβιβλία, το δεύτερο από τα οποία διανέμεται στα πλαίσια τουμαθήματος Ηλεκτρονικά Ι του προηγούμενου εξαμήνου.

Ωστόσο, η ύλη του μαθήματος μπορεί να καλυφθεί και απόκεφάλαια του ακόλουθου βιβλίου, τα οποία μπορούν ναχρησιμοποιηθούν επικουρικά:

Α. Sedra, K. Smith, Μικροηλεκτρονικά Κυκλώματα, Εκδόσεις Παπασωτηρίου, 1994.


Πρόσθετο διδακτικό υλικό

• Ιστοσελίδα του μαθήματος:

http://eclass.teipat.gr/eclass/courses/487107

• Οι διαλέξεις θα γίνονται με προβολέα (projector)και θα περιλαμβάνουν παραδείγματα και λυμένεςασκήσεις.

• Όλο το υλικό των διαλέξεων θα αναρτάται στηνιστοσελίδα του μαθήματος, στην οποία η πρόσβασηείναι ελεύθερη.


Ενότητες του μαθήματος

• Η πιο συνηθισμένη επεξεργασία αναλογικών σημάτων είναι η ενίσχυση τους, που επιτυγχάνεται με ηλεκτρονικά κυκλώματα που ονομάζονται ενισχυτές.

• Η σχέση αναλογίας που υπάρχει στους ενισχυτές μεταξύ του σήματος εισόδουκαι του σήματος εξόδου, τους χαρακτηρίζει ως αναλογικά κυκλώματα.

• Οι ενισχυτές αποτελούν και το βασικό αντικείμενο του μαθήματος.

• Οι ενότητες που θα μελετηθούν είναι οι παρακάτω:

1. Ανασκόπηση βασικών στοιχείων και απλές βαθμίδες ενισχυτών.

2. Τα τρανζίστορ στις υψηλές συχνότητες.

3. Απόκριση συχνότητας ενισχυτών.

4. Ενισχυτές πολλών βαθμίδων.

5. Ανατροφοδότηση στους ενισχυτές.

6. Τελεστικός ενισχυτής.

7. Ενισχυτές ισχύος.


1η ενότητα:ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΒΑΣΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΑΙ

ΑΠΛΕΣ ΒΑΘΜΙΔΕΣ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ


Περιεχόμενα 1ης ενότητας

• Στην πρώτη ενότητα θα ασχοληθούμε κυρίως με απλές βαθμίδες ενισχυτών.

• H ενότητα αντιστοιχεί στα:

κεφάλαιο 1 βασικού βιβλίου (απλές βαθμίδες ενισχυτών),

κεφάλαιο 6 βοηθητικού βιβλίου (το διπολικό τρανζίστορ ως ενισχυτής).

• Επίσης, θα γίνει ανασκόπηση:

βασικών στοιχείων ανάλυσης κυκλωμάτων,

λειτουργίας του διπολικού τρανζίστορ (κεφάλαιο 5 βοηθητικού βιβλίου),

λειτουργίας του MOSFET (κεφάλαιο 7 βοηθητικού βιβλίου).


• Ανασκόπηση βασικών στοιχείων ανάλυσης κυκλωμάτων: κανόνεςKirchhoff, διαιρέτες και πραγματικές πηγές τάσης και ρεύματος, μετασχηματισμοί Thevenin και Norton, ημιτονικά σήματα.

• Ανασκόπηση λειτουργίας διπολικού τρανζίστορ.

• Εισαγωγή στους ενισχυτές και στις απλές βαθμίδες ενισχυτών.

• Μελέτη απλών βαθμίδων ενισχυτών με διπολικό τρανζίστορ στο συνεχές(πόλωση).

• Μελέτη απλών βαθμίδων ενισχυτών με διπολικό τρανζίστορ στοεναλλασσόμενο.

• Εισαγωγή στην απόκριση συχνότητας ενισχυτών.

• Ανασκόπηση λειτουργίας τρανζίστορ MOSFET και μελέτη απλής βαθμίδαςενισχυτή με MOSFET στο συνεχές (πόλωση).

• Μελέτη απλής βαθμίδας ενισχυτή MOSFET στο εναλλασσόμενο.

• Συμπεράσματα και ασκήσεις.

Περιεχόμενα 1ης ενότητας


Ανασκόπηση: 1ος κανόνας Kirchhoff

0IN

1ii∑

=

=Το αλγεβρικό άθροισμα τωνρευμάτων σε έναν κόμβο

ισούται με 0:

Στο αλγεβρικό άθροισμα των ρευμάτων ενός κόμβου, στα ρεύματα πουεισέρχονται στον κόμβο θέτουμε θετικό πρόσημο, ενώ στα ρεύματα

που εξέρχονται από τον κόμβο θέτουμε αρνητικό πρόσημο:

0IIIII 54321 =+−−−


Ανασκόπηση: 2ος κανόνας Kirchhoff

0VM

1ii∑

=

=Το αλγεβρικό άθροισμα τωντάσεων σε έναν βρόχο (δηλ. κλειστό κύκλωμα) ισούται με 0:

Όταν διατρέχουμε ένα βρόχο δεξιόστροφα, στις πηγές τάσης θέτουμε θετικόπρόσημο, εάν συναντάμε πρώτα τον θετικό ακροδέκτη (πόλο) τους και αρνητικόπρόσημο εάν συναντάμε πρώτα τον αρνητικό ακροδέκτη (πόλο) τους. Στιςπτώσεις τάσης των αντιστάσεων θέτουμε θετικό πρόσημο, εάν η φορά πουδιατρέχουμε το βρόχο είναι ίδια με τη φορά του ρεύματος που διαρρέει τις

αντιστάσεις και αρνητικό πρόσημο εάν η φορά που διατρέχουμε το βρόχο είναιαντίθετη με τη φορά του ρεύματος που διαρρέει τις αντιστάσεις.

0ERIERIRIERI 2433211 =−⋅++⋅+⋅+−⋅


Ανασκόπηση: διαιρέτες τάσης και ρεύματος

VRR

RRIV21

11R1

⋅+

=⋅=

VRR

RRIV21

22R 2

⋅+

=⋅=

∆ιαιρέτης τάσης

V

V V

∆ιαιρέτης ρεύματος

V

IRR

RR

IRRVI

21

2

111 ⋅

+=

⋅== ολ

IRR

RR

IRRVI

21

1

222 ⋅

+=

⋅== ολ


Ανασκόπηση: πραγματικές πηγές ρεύματος και τάσης

⇔

SS

VRR

RV ⋅+

= SS

S IRR

RI ⋅+

=

VVS

S

S

RVI =VS


Ανασκόπηση: μετασχηματισμοί Thevenin και Norton

• Θεώρημα Thevenin: Κάθε γραμμικό κύκλωμα δύο ακροδεκτών μπορεί να αντικατασταθείμε μία πηγή τάσης ίση με την τάση ανοιχτού κυκλώματος μεταξύ των ακροδεκτών, σεσειρά με την αντίσταση R που φαίνεται από τους ακροδέκτες αυτούς.

• Θεώρημα Norton: Κάθε γραμμικό κύκλωμα δύο ακροδεκτών μπορεί να αντικατασταθείμε μία πηγή ρεύματος ίσου με το ρεύμα βραχυκυκλώματος μεταξύ των ακροδεκτών, παράλληλα με την αντίσταση R που φαίνεται από τους ακροδέκτες αυτούς.

• Η αντίσταση R υπολογίζεται εάν θεωρήσουμε βραχυκυκλωμένες όλες τις πηγές τάσηςκαι ανοιχτές όλες τις πηγές ρεύματος.

VRR

RV

21

2

+=′

21

21

RRRR

R+

=′

RV′′ R′


Ανασκόπηση: ημιτονικά σήματα


Ανασκόπηση: διαφορά φάσης ημιτονικών σημάτων

V(ωt)

π

Vm1

2π ωt

V1(ωt) = Vm1 sin(ωt) = Vm1 sin(2πf t)

Vm2

φ

φ

V1(ωt)

V2(ωt)

V2(ωt) = Vm2 sin(ωt - φ) = Vm2 sin(2πf t - φ)

Προηγείται η κυματομορφή της V1 κατά φ


Ανασκόπηση: λειτουργία διπολικού τρανζίστορ (BJT)

• Με τον όρο πόλωση του τρανζίστορ αναφερόμαστε στη λειτουργία του στοσυνεχές ρεύμα και εννοούμε τον τρόπο με τον οποίο πολώνονται οι επαφέςπου συνιστούν το τρανζίστορ.

• Το τρανζίστορ λειτουργεί ως ενισχυτική βαθμίδα όταν η επαφή βάσης-εκπομπού πολώνεται ορθά και η επαφή βάσης-συλλέκτη πολώνεταιανάστροφα (πόλωση στην ενεργό περιοχή).

• Τα ρεύματα φορέων μειονότητας (ηλεκτρονίων βάσης και οπών συλλέκτη) έχουν μικρή συνεισφορά στο ρεύμα συλλέκτη, δηλ. το ρεύμα ανάστροφηςπόλωσης επαφής συλλέκτη ICBO μπορεί να θεωρηθεί αμελητέο.

Πόλωση στηνενεργό περιοχή

(τρανζίστορ npn)


• Το τρανζίστορ προσεγγιστικά λειτουργεί ως δρόμος ρεύματος από τονσυλλέκτη στον εκπομπό και το μέγεθος του ρεύματος αυτού ελέγχεται απότο ρεύμα βάσης που «σταματά» στη βάση (εάν θεωρήσουμε ότι β >> 1).

• Το συνεχές δυναμικό βάσης είναι υψηλότερο από το δυναμικό εκπομπού(VBE ≅ 0,7 V για τρανζίστορ πυριτίου τύπου npn) και το συνεχές δυναμικόσυλλέκτη είναι υψηλότερο από το δυναμικό βάσης

• β: ενίσχυση ρεύματος στο συνεχές (αναφέρεται και ως hFE), που κυμαίνεταισυνήθως από 50 έως 350.

Ανασκόπηση: λειτουργία διπολικού τρανζίστορ (BJT)

Προσεγγιστική λειτουργία στο συνεχές

β >>1

IE


Ανασκόπηση: τρόποι σύνδεσης διπολικού τρανζίστορ

Σύνδεση κοινής βάσης

Σύνδεση κοινού εκπομπού

Σύνδεση κοινού συλλέκτη


• Χαρακτηριστικές καμπύλες εισόδου και εξόδου διπολικού τρανζίστορ σεσύνδεση κοινού εκπομπού:

• Τα ρεύματα συλλέκτη και βάσης διαφέρουν περίπου κατά δύο τάξεις μεγέθους.

• Το τρανζίστορ λειτουργεί ως ενισχυτική βαθμίδα όταν πολώνεται στην ενεργόπεριοχή (όπου ισχύει προσεγγιστικά: IC = β ΙΒ), ενώ όταν λειτουργεί ωςδιακόπτης αλλάζει κατάσταση αγωγής μεταξύ των περιοχών κόρου & αποκοπής.

Ανασκόπηση: χαρακτηριστικές διπολικού τρανζίστορ

Ενεργός περιοχή

VCE0V

2V5V

Χαρακτηριστικές εισόδου Χαρακτηριστικές εξόδου

Περιοχή κόρου

Περιοχή αποκοπής


Εισαγωγή στους ενισχυτές

• Η πιο συνηθισμένη επεξεργασία αναλογικών σημάτων είναι η ενίσχυση τουςπου επιτυγχάνεται με δίθυρα ηλεκτρονικά κυκλώματα μίας κατεύθυνσης (απότην είσοδο προς την έξοδο) που ονομάζονται ενισχυτές.

• Σήματα από πηγές τάσης ή ρεύματος που εφαρμόζονται στην είσοδο ενόςενισχυτή, αναπαράγονται ενισχυμένα στην έξοδό του.

• Ο λόγος του σήματος εξόδου προς το σήμα εισόδου καθορίζει το κέρδος (gain) ή αλλιώς την ενίσχυση (amplification) του ενισχυτή.

• Επειδή τα σήματα μπορεί να είναι τάσεις ή ρεύματα, ο λόγος τους μπορεί ναεκφράζει ενίσχυση τάσης, ενίσχυση ρεύματος, διαγωγιμότητα ή διεμπέδηση.

• Ένας ενισχυτής παρεμβάλλεται μεταξύ μίας πηγής σήματος και ενός φορτίου, ενεργεί δηλαδή ως βαθμίδα προσαρμογής του φορτίου προς την πηγή σήματος.

• Η βασική συμπεριφορά των ενισχυτών προσδιορίζεται από την ενίσχυσή τους, την αντίσταση (ή εμπέδηση) εισόδου και την αντίσταση (ή εμπέδηση) εξόδου.

• Η σχέση αναλογίας που υπάρχει στους ενισχυτές μεταξύ του σήματος εισόδουκαι του σήματος εξόδου, τους χαρακτηρίζει ως αναλογικά κυκλώματα.


Απλές βαθμίδες ενισχυτών• Η ενίσχυση ενός σήματος επιτυγχάνεται μέσω ελεγχόμενων πηγών σήματος.

• Οι ελεγχόμενες πηγές σήματος υλοποιούνται με τρανζίστορ, τα οποίααποτελούν και τη βάση για τη δημιουργία ενισχυτών.

• Μία απλή βαθμίδα ενισχυτή (ενισχυτής μίας βαθμίδας) δημιουργείται απόδιακριτά στοιχεία, όπως ένα τρανζίστορ, αντιστάσεις και πυκνωτές.

• Οι ενισχυτές παρεμβάλλονται μεταξύ μιας πηγής σήματος (που μπορεί να είναιμία πραγματική πηγή ή μία προηγούμενη ενισχυτική βαθμίδα) και ενός φορτίου(που μπορεί να είναι και μία επόμενη ενισχυτική βαθμίδα).

• Η πηγή σήματος οδηγεί την είσοδο του ενισχυτή με το σήμα εισόδου, το οποίοαφού ενισχυθεί από τον ενισχυτή εφαρμόζεται ενισχυμένο στο φορτίο.

• Για την μελέτη ενός ενισχυτή, αρχικά προσδιορίζουμε τα μεγέθη (τάσεις, ρεύματα) που αφορούν τη λειτουργία του στο συνεχές ρεύμα (δηλ. μόνο μετην εφαρμογή συνεχούς τάσης τροφοδοσίας) με χρήση κανόνων Kirchhoff και των σχέσεων που διέπουν τη λειτουργία του τρανζίστορ και στη συνέχειαδιενεργούμε ανάλυση λειτουργίας του ενισχυτή στο εναλλασσόμενο ρεύμα(δηλ. με ταυτόχρονη εφαρμογή εναλλασσόμενου σήματος στην είσοδό τουενισχυτή).


Μελέτη ενισχυτών στο συνεχές (πόλωση)• Με τον όρο πόλωση ενός τρανζίστορ αναφερόμαστε στη λειτουργία του στοσυνεχές και εννοούμε τον τρόπο με τον οποίο πολώνονται οι δύο επαφές του.

• Για να λειτουργήσει ένα διπολικό τρανζίστορ ως ενισχυτής θα πρέπει ναπολωθεί στην ενεργό περιοχή.

• Το ζεύγος τιμών (VCE, IC) που προκύπτει με την εν λόγω πόλωση, καθορίζειστις χαρακτηριστικές εξόδου του τρανζίστορ ένα σημείο Q που αναφέρεται ωςσημείο λειτουργίας ή σημείο ηρεμίας.

Ενεργός περιοχή


• Η ανάλυση ενός ενισχυτή για τον προσδιορισμό των ηλεκτρικών παραμέτρωντου και του σημείου λειτουργίας βασίζεται στους κανόνες του Kirchhoff και στιςσχέσεις που διέπουν την προσεγγιστική λειτουργία του διπολικού τρανζίστορ.

• Υπάρχουν αρκετές τοπολογίες κυκλωμάτων κατάλληλες για την πόλωση τουδιπολικού τρανζίστορ τύπου npn στην ενεργό περιοχή.

• Κύκλωμα σταθερής πόλωσης: χρησιμοποιεί μία πηγή συνεχούς τάσης VCC καιδύο αντιστάσεις και το ρεύμα βάσης δεν εξαρτάται από το ρεύμα συλλέκτη.

Σταθερή πόλωση

Με 2ο κανόνα Kirchhoff:

Με τις σχέσεις αυτέςυπολογίζεται εύκολα τοσημείο λειτουργίας τουτρανζίστορ (VCE, IC) εάνείναι γνωστά η τάσητης πηγής συνεχούς και

οι αντιστάσεις ήαντίστροφα

VBE ≈ 0.7 V για τρανζίστορ Si


Εάν είναι επιθυμητό το σημείο λειτουργίας για κύκλωμα σταθερής πόλωσηςενός διπολικού τρανζίστορ πυριτίου να είναι Q (VCE, IC) = Q (5V, 1mA) να

υπολογιστούν οι αντιστάσεις RB και RC. ∆ίνονται VCC = 10V, β=100 και VBE = 0.7V.

Παράδειγμα 1ο: σταθερή πόλωση

k

k

VBE = 0.7V ⇒επαφή βάσης-εκπομπού ορθά πολωμένη

VCE = VCB + VBE ⇒ VBC = VBE – VCE = − 4.3V ⇒επαφή βάσης-συλλέκτη ανάστροφα πολωμένη


Πόλωση από το συλλέκτη


Κύκλωμα με πόλωση από το συλλέκτη


Πόλωση με διαιρέτη τάσης και αυτοπόλωση εκπομπού


Κύκλωμα με διαιρέτητάσης και αυτοπόλωση

εκπομπού⇔

Ισοδύναμο κύκλωμα κατά Thevenin


Να προσδιοριστεί το σημείο λειτουργίας για κύκλωμα με διαιρέτη τάσης καιαυτοπόλωση εκπομπού, όταν δίνονται R1 = 85kΩ, R2 = 20kΩ, RC = 2kΩ,

RΕ = 0.5kΩ, β = 200, VCC = 10 V και VBE = 0.73V.

Παράδειγμα 2ο: πόλωση με διαιρέτη τάσης

⇔

⇒ ⇒

⇒ Q (VCE, IC) = Q (5V, 2mA)


Πόλωση με συμμετρική πηγή τάσης

Κύκλωμα πόλωσης μεσυμμετρική πηγή τάσης

0VR)II(V EEEBCBE =−++


EBCCECCEECC R)II(VRIVV +++=+

CCV

ov+

_+

_

RC

iv

ΕΕV

RΕ

IB

IC

IE


Πόλωση με σταθερή πηγή ρεύματος

Κύκλωμα πόλωσης μεσταθερή πηγή ρεύματος

Ι⋅β+

=⇒Ι⋅+ββ

=⇒+=β=

/111I

1IIII CC

II

BC

CB


BECCCCCE

CEBECCCC

ECBECCCC

CBCCCC

VRIVV0)VV(RIV0)VV(RIV

0VRIV

+−=⇒=−−+−⇒=+−+−

⇒=++−

Το κύκλωμα αυτό έχει το πλεονέκτημα ότι το ρεύμα Ι πουπαρέχεται στον εκπομπό του τρανζίστορ είναι σχεδόν ανεξάρτητο

από την τιμή της ενίσχυσης ρεύματος β του τρανζίστορ.

Εάν θεωρήσουμε ότι β >> 1 τότε IC = I.



Πόλωση με σταθερή πηγή ρεύματος

RVVIRIVV BECC

RRBECC−

=⇒+=

Η πηγή σταθερού ρεύματος υλοποιείταιμε κύκλωμα καθρέπτη ρεύματος πουαποτελείται από 2 διπολικά τρανζίστορ.

Σύνδεση με Ετου BJT πουεπιθυμούμενα πολώσουμε

Η επαφή ΕΒ του αριστερού τρανζίστορλειτουργεί ως δίοδος. Οι VBE των τρανζίστορ

είναι ίσες και αφού τα τρανζίστορ είναι όμοια, ταρεύματα βάσης και συλλέκτη είναι επίσης ίσα.

Με 2ο κανόναKirchhoff:

RVV

/211I

RVV

2I

2I0II2I

BECCC

BECCC

RC

II

RBC

CB

−⋅

β+=

⇒−

⋅+ββ

=

⇒Ι⋅+ββ

=⇒=−⋅+β=

Με 1ο κανόνα Kirchhoff (κόμβος Β):

Για β >> 1 προκύπτει ότι το ρεύμα πουπαρέχει η πηγή ρεύματος είναι σταθερό

(IC = ΙR). Για παράδειγμα, όταν β=100, τορεύμα αυτό είναι κατά 2% μόνο μικρότεροαπό το σταθερό ρεύμα που διαρρέει την R.

VBE1 = VBE2 = VBE , β1 = β2 = βΙC1 = IC2 = IC , IB1 = IB2 = IB


Παράδειγμα 3ο: πόλωση με σταθερή πηγή ρεύματοςΓια την παρακάτω πηγή (καθρέπτη) ρεύματος που περιλαμβάνει δύο όμοια

τρανζίστορ, να προσδιοριστεί η τιμή της αντίστασης R, ώστε το ρεύμα εξόδου τηςνα είναι 1 mA. ∆ίνονται: β = 100, VCC = 15 V και VBE = 0.7 V. Να προσδιοριστείεπίσης η ποσοστιαία μεταβολή του ρεύματος εξόδου της πηγής όταν β = 200. Στησυνέχεια να προσδιοριστεί το σημείο λειτουργίας ενός επίσης όμοιου τρανζίστορ μεRc = 10 kΩ, εάν για την πόλωσή του χρησιμοποιηθεί η παρακάτω πηγή ρεύματος.

B

VCC

R IR

IB2

IC2

IC1IB1

Ω=−

⋅+ββ

=⇒−

⋅+ββ

=

⇒Ι⋅+ββ

=⇒=−⋅+β=

k14I

VV2

RR

VV2

I

2I0II2I

C

BECCBECCC

RC

II

RBC

CB

mA0099.1R

VV2

I200 BECCC =

−⋅

+ββ

=⇒=β

Ποσοστιαία μεταβολή: %99.01001

10099.1=⋅

−


Παράδειγμα 3ο: πόλωση με σταθερή πηγή ρεύματος

mA99.0I

/111

1IIII

C

mA1I

C

II

BC

CB

=⇒

Ι⋅β+

=Ι⋅+ββ

=⇒+=

=

β=

V8.5VVRIVV

CE

BECCCCCE

=⇒+−=

Q (VCE, IC) = Q (5.8 V, 1 mA)

Εάν θεωρήσουμε ότι β >> 1 τότε IC = I = 1 mA.

Οι τοπολογίες κυκλωμάτων πόλωσης που εξετάσαμε αφορούν διπολικότρανζίστορ τύπου npn. Ζητήματα πόλωσης διπολικού τρανζίστορ τύπου pnp

εξετάζονται στις ασκήσεις 2 και 5 της 1ης ενότητας.


Γραμμή φορτίου ενισχυτή στο συνεχές

Εάν χαράξουμε στους ίδιους άξονες με τις χαρακτηριστικές εξόδου τουτρανζίστορ, τη γραφική παράσταση της σχέσης που δίνει την εξάρτησητου IC από την VCE, προκύπτει μία ευθεία γραμμή με κλίση (-1/RC) πουαναφέρεται ως γραμμή φορτίου (ή ευθεία φόρτου) στο συνεχές καικαθορίζει την ευθεία στην οποία κινείται το Q για διάφορες τιμές του

IB, το οποίο καθορίζεται από την RB (με δεδομένα VCC, RC)

2ος κανόνας Kirchhoffστο βρόχο εξόδου:

CCCCCECCCEC RVI0V,VV0I =⇒==⇒=

CECCCC VRIV +=

Κύκλωμασταθερήςπόλωσης

Κλίση = − 1 / Rc

Γραμμή φορτίουστο συνεχές

Σημείο λειτουργίας

C

CCCE

CC R

VVR1I +−=


Μελέτη ενισχυτών στο εναλλασσόμενο• Με τον όρο λειτουργία ενισχυτών στο εναλλασσόμενο, εννοούμε ότι στην είσοδοτου ενισχυτή εφαρμόζεται μικρό (ασθενές) ημιτονικό σήμα & διενεργείται ανάλυσηγια να διαπιστωθεί πως το σήμα αυτό μεταφέρεται στην έξοδο του ενισχυτή.

• Για την ανάλυση της λειτουργίας των ενισχυτών στο εναλλασσόμενο, χρησιμοποιούμε την περιγραφή τους ως δίθυρα κυκλώματα.

• Για παράδειγμα το διπολικό τρανζίστορ σε σύνδεση κοινού εκπομπού μπορεί νααντιμετωπιστεί και να αναλυθεί ως δίθυρο κύκλωμα:

= vbe vce =

i b = = i c


• Για να μελετήσουμε τη λειτουργία του διπολικού τρανζίστορ στο εναλλασσόμενοχρησιμοποιούμε το h-υβριδικό ισοδύναμο μοντέλο που περιγράφει τη λειτουργία τουτρανζίστορ στην περιοχή των μεσαίων και χαμηλών συχνοτήτων.

• Το μοντέλο είναι γραμμικό και συνίσταται από μία ελεγχόμενη πηγή ρεύματος και έναωμικό στοιχείο και οι παράμετροί του δεν εξαρτώνται από τη συχνότητα λειτουργίας.

• Στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων υφίσταται επίδραση από τις εσωτερικέςχωρητικότητες των επαφών του τρανζίστορ και έτσι το γραμμικό μοντέλο δενπροσεγγίζει με επαρκή ακρίβεια τη συμπεριφορά του τρανζίστορ.

• Το απλοποιημένο ισοδύναμο μοντέλο (κύκλωμα) του τρανζίστορ σε σύνδεση κοινούεκπομπού περιγράφεται μέσω των h-παραμέτρων hie (ωμικό στοιχείο εισόδου) και hfe(καθαρός αριθμός που δηλώνει την ενίσχυση ρεύματος του τρανζίστορ):

Ισοδύναμα μοντέλα διπολικού τρανζίστορ


• Οι τιμές ηρεμίας ρευμάτων και τάσεων υπολογίζονται με τη μέθοδο της πόλωσης καιδεν επηρεάζουν την ανάλυση λειτουργίας του ισοδύναμου κυκλώματος μικρού σήματος.

• Το ισοδύναμο κύκλωμα μικρού σήματος χρησιμοποιείται μόνο για τον υπολογισμό τωνμεταβολών των τάσεων και των ρευμάτων σε σχέση με το σημείο λειτουργίας (δηλ. μετα μεγέθη VCE, IC που υπολογίστηκαν από την ανάλυση λειτουργίας στο συνεχές), πουπροκαλούνται από την εφαρμογή μικρού (ασθενούς) σήματος στην είσοδο του ενισχυτή.

• Κατά τη δημιουργία του ισοδύναμου κυκλώματος μικρού σήματος, οι πηγές σταθερήςτάσης και οι πυκνωτές αντιμετωπίζονται ως βραχυκυκλώματα, ενώ οι πηγές σταθερούρεύματος ως ανοιχτά κυκλώματα.

• Η ισοδυναμία των εξωτερικών πυκνωτών με βραχυκυκλώματα δεν είναι ακριβής στηνπεριοχή των χαμηλών συχνοτήτων, αλλά είναι ακριβής στις μεσαίες συχνότητες.

• Αντικαθιστούμε το(α) τρανζίστορ με το ισοδύναμο κύκλωμά του(ς), διατηρώντας τουςακροδέκτες Β, C, E και τα υπόλοιπα στοιχεία στις ίδιες θέσεις με το αρχικό κύκλωμα.

• Υπολογίζουμε τα ζητούμενα μεγέθη (τάσεις, ρεύματα κλπ.) με εφαρμογή των κανόνωνKirchhoff στους κόμβους και τους βρόχους του γραμμικού κυκλώματος που προκύπτει.

• Συμβολισμοί τάσεων και ρευμάτων: με κεφαλαία γράμματα και δείκτες (π.χ. IB) συμβολίζονται οι τιμές ηρεμίας, με μικρά γράμματα και δείκτες οι τιμές των μεταβολώνμικρού σήματος (π.χ. ib), ενώ με μικρά γράμματα και κεφαλαίους δείκτες οι ολικέςστιγμιαίες τιμές (π.χ. iB).



Εκτός από το μοντέλο του διπολικού τρανζίστορ σε σύνδεση κοινούεκπομπού, έχουν προσδιοριστεί και μοντέλα διπολικού τρανζίστορ γιασύνδεση κοινής βάσης και σύνδεση κοινού συλλέκτη. Τα μοντέλα αυτάπροκύπτουν με βάση το απλοποιημένο μοντέλο κοινού εκπομπού.

Ισοδύναμο μοντέλοκοινής βάσης

Ισοδύναμο μοντέλοκοινού συλλέκτη



Απλή βαθμίδα ενισχυτή κοινού εκπομπού• Ο ενισχυτής συνδέεται με πηγή τάσηςεσωτερικής αντίστασης Rs και φορτίοRL και η λειτουργία του περιγράφεταιπλήρως όταν προσδιοριστούν η ενίσχυσηχωρίς φορτίο και οι αντιστάσεις εισόδουκαι εξόδου.

• Έτσι, αποδεικνύεται η ισοδυναμίατου με ελεγχόμενη πηγή, αφού δεν είναιδυνατή η ύπαρξη ενισχυτή χωρίς τηνπαρουσία ελεγχόμενης πηγής.

• Παρατηρείστε ότι στο ισοδύναμοκύκλωμα δεν υπάρχουν ποσότητεςσυνεχούς, δηλ. η τάση τροφοδοσίας(Vcc) έχει αντικατασταθεί απόβραχυκύκλωμα, αφού ο ακροδέκτηςτου κυκλώματος που συνδέεται σεαυτή έχει πάντα σταθερή τάση.

• Με άλλα λόγια κάθε ακροδέκτης τουκυκλώματος που συνδέεται σε σταθερήπηγή θεωρείται γείωση όσον αφορά τηλειτουργία μικρού σήματος.

ii


Ενίσχυση τάσης:

Ενίσχυση ρεύματος:

Αντίσταση εισόδου: Αντίσταση εξόδου:Ενίσχυση ισχύος:

Ενίσχυση τάσης χωρίς φορτίο:

Ενίσχυση ρεύματος χωρίς φορτίο:

Βασικά μεγέθη ενισχυτή

Απλή βαθμίδα ενισχυτή κοινού εκπομπού

oL ii −=

s

s s

s


⇒

⇒

⇒

Απλή βαθμίδα ενισχυτή κοινού εκπομπού

s

s

Ri


Ενισχυτής κοινού εκπομπού ως ελεγχόμενη πηγή

• Μετά τον προσδιορισμό των ενισχύσεων τάσης και ρεύματοςχωρίς φορτίο και των αντιστάσεων εισόδου και εξόδου, οενισχυτής μπορεί να θεωρηθεί ως ελεγχόμενη πηγή (τάσηςή ρεύματος) με γνωστές όλες τις παραμέτρους της.

• Η θεώρηση αυτή είναι χρήσιμη για τη μελέτη ενισχυτών μεπερισσότερες βαθμίδες.

Lo

Lvo

i

ovi RR

RAvvA

+==

si

i

Lo

Lvo

si

ivi

s

i

i

o

s

ovs

RRR

RRRA

RRRA

vv

vv

vvA

+⋅

+

=+

=⋅==


Παράδειγμα 4ο: ενισχυτής κοινού εκπομπού∆ίνεται ο ενισχυτής του σχήματος με ημιτονική τάση εισόδου πλάτους 10 mV και συχνότητας

20 kHz. Για το διπολικό τρανζίστορ δίνονται hfe = 250 και hie = 4 kΩ και θεωρούμε ότι οενισχυτής λειτουργεί στην περιοχή μεσαίων συχνοτήτων (επομένως οι πυκνωτές ισοδυναμούνμε βραχυκυκλώματα). Ζητείται να προσδιοριστεί το σήμα (τάση) εξόδου σε σχέση με το σήμα

που εφαρμόζεται στην είσοδο και να χαραχθούν οι δύο κυματομορφές.


Παράδειγμα 4ο: ενισχυτής κοινού εκπομπού

Ω== k20R//RR 21B

Ω==′ k19,0R//RR CLL


• Το μείον που προκύπτει στην ενίσχυση σημαίνειδιαφορά φάσης 180ο, μεταξύ του σήματος εισόδουκαι του σήματος εξόδου.

• Στην χάραξη των κυματομορφών είναι εμφανής ηενίσχυση του σήματος εισόδου κατά 9 φορές περίπου, καθώς επίσης και η διαφορά φάσης των 180ο.

Παράδειγμα 4ο: ενισχυτής κοινού εκπομπού


Απλή βαθμίδα ενισχυτή κοινής βάσης

iie

fee v

h)h1(i +

=

s


Απλή βαθμίδα ενισχυτή κοινής βάσης

oL ii −=s s


Παράδειγμα 5ο: ενισχυτής κοινής βάσης

∆ίνεται ο ενισχυτής του σχήματος με ημιτονική τάση εισόδου πλάτους 10 mV και συχνότητας20 KHz. Για το διπολικό τρανζίστορ δίνονται hfe = 545 και hie = 11,9 kΩ και θεωρούμε ότι οενισχυτής λειτουργεί στην περιοχή μεσαίων συχνοτήτων. Ζητείται να προσδιοριστεί το σήμαεξόδου σε σχέση με το σήμα που εφαρμόζεται στην είσοδο (δηλ. ζητείται η ενίσχυση Αvs).


Επομένως, η τάση εξόδουπαρουσιάζεται κατά 25 φορέςενισχυμένη σε σχέση με τηνεφαρμοζόμενη τάση εισόδουκαι χωρίς διαφορά φάσης.

Παράδειγμα 5ο: ενισχυτής κοινής βάσης

Ω800R//RR LCL ==′

iL

fe

ie

iLeo v7.36R

h1hvRiv ⋅=′

+

=′=

Ω3.21RR//h1

hR iEfe

iei =⇒

+=

sissis

ii v68.0vv

3.21103.21v

RRRv ⋅=⇒

+=

+=

95.24vvA95.24

vvv68.07.36vv7.36v

s

ovs

s

osoio ==⇒=⇒⋅⋅=⇒⋅=

eife

ie

h1h+


• Η απλή βαθμίδα ενισχυτή κοινού συλλέκτη περιλαμβάνει ένα διπολικό τρανζίστορσε σύνδεση κοινού συλλέκτη και αναφέρεται ως ακολουθητής ή ακόλουθοςεκπομπού.

• Τα κύρια χαρακτηριστικά του ενισχυτή αυτού είναι η μεγάλη αντίσταση εισόδου, η μικρή αντίσταση εξόδου και η περίπου μοναδιαία ενίσχυση τάσης, που τονκαθιστά εύχρηστο ως απομονωτή τάσης (buffer).

Απλή βαθμίδα ενισχυτή κοινού συλλέκτη


Απλή βαθμίδα ενισχυτή κοινού συλλέκτη

i

1R)h1(h

R)h1(AAEfeie

EfeRvivo L

≈++

+== ∞=

Η παρουσία της vo στοκύκλωμα εισόδου, που

σημαίνει επίδραση της εξόδουεπί της εισόδου (δηλ.

ανατροφοδότηση), επιδρά έτσιώστε η ενίσχυση τάσης ναείναι περίπου μοναδιαία.


Παράδειγμα 6ο: ενισχυτής κοινού συλλέκτη∆ίνεται ο ενισχυτής του σχήματος με ιδανική πηγή ημιτονικής τάσης πλάτους 10 mVκαι συχνότητας 20 kHz. Για το διπολικό τρανζίστορ δίνονται hfe = 545 και hie = 9.2 kΩ και θεωρούμε ότι ο ενισχυτής λειτουργεί στην περιοχή μεσαίων συχνοτήτων.

Ζητείται να προσδιοριστούν τα μεγέθη Avs και Avo καθώς επίσης και να χαραχθούν οικυματομορφές της τάσης εισόδου και της τάσης εξόδου σε κοινούς άξονες.


Παράδειγμα 6ο: ενισχυτής κοινού συλλέκτη

0.74R)h(1h

R)h(1vv

ALfeie

Lfe

s

ovs =

′++′+

==

0.98s


Η τάση εξόδου παρουσιάζεται εξασθενημένη σε σχέση με τηνεφαρμοζόμενη τάση εισόδου και χωρίς διαφορά φάσης.

Παράδειγμα 6ο: ενισχυτής κοινού συλλέκτη

vs

vo


Χαρακτηριστικά μεγέθη ενισχυτών απλής βαθμίδας

• Απλή βαθμίδα ενισχυτή ΚΕ:

Μεγάλη ενίσχυση τάσης και ρεύματος, οπότε και μεγάλη ενίσχυση ισχύος

Μεγάλες αντιστάσεις εισόδου & εξόδου

• Απλή βαθμίδα ενισχυτή ΚΒ:

Μεγάλη ενίσχυση τάσης

Μοναδιαία ενίσχυση ρεύματος

Πολύ μικρή αντίσταση εισόδου

Μεγάλη αντίσταση εξόδου

• Απλή βαθμίδα ενισχυτή ΚΣ:

Μοναδιαία ενίσχυση τάσης

Μεγάλη ενίσχυση ρεύματος

Πολύ μεγάλη αντίσταση εισόδου

Πολύ μικρή αντίσταση εξόδου

ΚΕ

ΚΒ

ΚΣ


• Όταν ένας ενισχυτής παρεμβάλλεται μεταξύ μιας πηγής και ενός φορτίου ήόταν παρεμβάλλεται μεταξύ δύο άλλων βαθμίδων, η αντίσταση εισόδου έχειτο ρόλο αντίστασης φορτίου για τη βαθμίδα που προηγείται και η αντίστασηεξόδου έχει το ρόλο αντίστασης πηγής για τη βαθμίδα που ακολουθεί.

• Μερικές φορές σχηματίζεται η εντύπωση ότι οι παράγοντες ενίσχυσης έχουντον κυρίαρχο ρόλο σε έναν ενισχυτή.

• Ωστόσο, οι αντιστάσεις εισόδου και εξόδου (όπως είδαμε κατά τον καθορισμότων ενισχύσεων στις τρεις συνδέσεις ενισχυτών απλής βαθμίδας) συχνάεπηρεάζουν την ενίσχυση και γενικότερα τη λειτουργία ενός ενισχυτή.

• Για παράδειγμα εάν σε μία εφαρμογή επιδιώκουμε την απομόνωση μεταξύ δύοβαθμίδων με παρεμβολή ενισχυτή απομόνωσης (buffer) ώστε να μην υπάρχειεπίδραση της μίας βαθμίδας επί της άλλης, τότε ο ρόλος των αντιστάσεωνεισόδου και εξόδου είναι καθοριστικός.

Χαρακτηριστικά μεγέθη ενισχυτών απλής βαθμίδας


Ενισχυτές απομόνωσης

• Η συμπεριφορά των ενισχυτών απομόνωσης προσεγγίζεται από έναν ενισχυτήκοινού συλλέκτη, ο οποίος παρουσιάζει περίπου μοναδιαία ενίσχυση τάσης, μεαποτέλεσμα η συνάρτηση μεταφοράς του συνολικού κυκλώματος να ισούται μετο γινόμενο των συναρτήσεων μεταφοράς των επιμέρους κυκλωμάτων.

• Λόγω της μεγάλης αντίστασης εισόδου, ο ενισχυτής απομόνωσης δεν «φορτώνει»την προηγούμενη βαθμίδα, αφού «τραβάει» πολύ λίγο ρεύμα εισόδου και επίσης ητάση εξόδου του ενισχυτή απομόνωσης δεν επηρεάζεται από το φορτίο που θα τουσυνδεθεί (δηλ. από την επόμενη βαθμίδα) λόγω της πολύ μικρής αντίστασηςεξόδου του.

Ενισχυτής απομόνωσης

v1 v2 v3 v4Av1 Av2Av = 1

2v1v1vv2v1

2

2

3

3

4

1

4 AAAAAvv

vv

vv

vv

⋅=⋅⋅=⋅⋅=


• Η γραμμή φορτίου (ή ευθεία φόρτου) στο συνεχές είναι η γραφική παράστασητου 2ου κανόνα Kirchhoff στο βρόχο εξόδου του κυκλώματος στο συνεχές.

• Η γραμμή φορτίου (ή ευθεία φόρτου) στο εναλλασσόμενο προκύπτει με όμοιοτρόπο από τον βρόχο εξόδου του ισοδύναμου κυκλώματος μικρού σήματος.

• Υπενθυμίζεται ότι με κεφαλαία γράμματα και δείκτες (π.χ. IC) συμβολίζονται οιτιμές ηρεμίας, με μικρά γράμματα και δείκτες οι τιμές των μεταβολών μικρούσήματος (π.χ. ic), ενώ με μικρά γράμματα και κεφαλαίους δείκτες οι ολικέςστιγμιαίες τιμές (π.χ. iC).

Γραμμή φορτίου ενισχυτή στο εναλλασσόμενο

Ισοδύναμο κύκλωμα ενισχυτή κοινού εκπομπού

( )

CL

CECE

LC

LCCCECE

Lcceo

IRVv

R1i

RIiVv

Rivv

+′

+′

−=

⇒′−−=−

⇒′−==ic


L

CECCCE

LCCECEC

RVIi0v

RIVv0i

′+=⇒=

′+=⇒=

Η γραμμή φορτίου στοεναλλασσόμενο έχει κλίση(-1/R'L) και διέρχεται απότο σημείο λειτουργίας (Q):

Γραμμή φορτίου ενισχυτή στο εναλλασσόμενο

CL

CECE

LC I

RVv

R1i +

′+

′−=


Γραμμή φορτίου ενισχυτή στο εναλλασσόμενοΟι 2 γραμμές φορτίουσυναντώνται στο Qτου τρανζίστορ καικαθορίζουν τηδιαδρομή της vο

Η μέγιστη διαδρομήτης vο καθορίζεταιαπό το όριο α (Vsat) και το όριο β (τέρμαγραμμής φορτίου στοεναλλασσόμενο). Πέρα από αυτά ταόρια εμφανίζεταιψαλιδισμός της vo

Για συμμετρικήλειτουργία της vo καιαξιοποίηση όλης τηςπεριοχής, θα πρέπειτο Q να τίθεται στημέση των ορίων

'LC RI ⋅

Γραμμή φορτίου στο συνεχέςπου εκφράζει τις μόνιμεςμετακινήσεις του Q

Γραμμή φορτίου στο εναλλασσόμενο πουκαθορίζει τη δυναμική συμπεριφορά ενισχυτή

VΟ

Μικρόεναλλασσόμενορεύμα βάσης(μΑ) προκαλείμεγάλο ρεύμασυλλέκτη (mA) το οποίο με τησειρά του

δημιουργεί τηντάση εξόδου

LC RI ′⋅

5

VCE

IC

vo

α β

Vsat


Παράδειγμα 7ο: γραμμές φορτίου (dc, ac)Για τον ενισχυτή του σχήματος να προσδιοριστούν το σημείο λειτουργίας, οι γραμμέςφορτίου στο συνεχές και στο εναλλασσόμενο και να καθοριστούν τα όρια της μέγιστηςδιαδρομής της τάσης εξόδου. ∆ίνονται: β = 200, VCC = 10 V, VBE = 0,73V, Vsat = 300 mV.

⇒

⇒ Q (VCE, IC) = Q (5V, 2mA)


Παράδειγμα 7ο: γραμμές φορτίου (dc, ac)

2ος κανόνας Kirchhoff για το βρόχο εξόδουτου ενισχυτή στο συνεχές:

Γραμμήφορτίου στοσυνεχές

Γραμμή φορτίουστο εναλλασσόμενο

2ος κανόνας Kirchhoff για το βρόχο εξόδου του ενισχυτή στο εναλλασσόμενο:

( ) CCCCECE RIiVv −−

Στο εναλλασσόμενο η REείναι βραχυκυκλωμένη, λόγω της παρουσίας τουπυκνωτή στα άκρα της

=−C

C

CECE

CC I

RVv

R1i ++−=


Παράδειγμα 7ο: γραμμές φορτίου (dc, ac)

V4k2mA2RIRI CC'LC =Ω⋅=⋅=⋅

CC

CECE

CC I

RVv

R1i ++−=

Το κάτω όριο της μέγιστηςδιαδρομής της vο είναι ηVsat = 300mV και το άνωόριο υπολογίζεται ως εξής:


Γραμμή φορτίου στοεναλλασσόμενο

Q

V9V4V5RIVv0i CCCECEC

=+==+=⇒=

CCRI


Παράδειγμα 8ο: μελέτη ενισχυτή (dc, ac)Για τον ενισχυτή κοινού εκπομπού του σχήματος να προσδιοριστούν το σημείολειτουργίας, οι ενισχύσεις τάσης, τις γραμμές φορτίου στο συνεχές και στο

εναλλασσόμενο, η κυματομορφή του σήματος εξόδου και το άνω όριο του πλάτουςσήματος εξόδου χωρίς ψαλιδισμό. ∆ίνονται: β = 100, VBE = 0,775V, hfe = 100 και

hie = 2,5 kΩ και τάση εισόδου πλάτους 30 mV και συχνότητας 20 KHz.Λειτουργία στο συνεχές:

k


Λειτουργία στο εναλλασσόμενο:

Παράδειγμα 8ο: μελέτη ενισχυτή (dc, ac)

2,5 ΚΩ

Ω==′

Ω===

Ω==

==

k8,0R//RR

k4RivR

k09,2h//RR

LCL

C0R,0vo

oo

ieBi

Ls


Μέγιστο πλάτοςτάσης εισόδου:

30mV x 0.676 = 20.28 mVΜέγιστο πλάτοςρεύματος βάσης: 20.28mV / 2.5kΩ

= 8.11μΑ

Μέγιστο πλάτοςρεύματος συλλέκτη:

100 x 8.11μΑ = 811μΑ

Μέγιστο πλάτοςτάσης εξόδου:

811μΑ x 0.8kΩ = 649mVκαι διαφορά φάσης 180ο

0.676

Παράδειγμα 8ο: μελέτη ενισχυτή (dc, ac)

V6.174V0.824V5.35

RIV 'LCCE

=+

=⋅+

Γραμμή φορτίου στοεναλλασσόμενο


8.11 μΑ811 μΑ

-

+VCE + vceo = 5.35 V + 649 mV = 5.999Vδεν υφίσταται ψαλιδισμόςαφού 5.999 V < 6.174 V V6.174

V0.824V5.35RIV '

LCCE

=+

=⋅+

vceo = 649 mV


Εισαγωγή στην απόκριση συχνότητας ενισχυτών• Οι ενισχύσεις που υπολογίσαμε ήταν σταθερές, κάτι που όμως δε συμβαίνειστην πράξη όπου οι ενισχύσεις μεταβάλλονται ανάλογα με τη συχνότητα τουεφαρμοζόμενου σήματος εισόδου.

• Η καμπύλη του μέτρου της ενίσχυσης συναρτήσει της συχνότηταςαναφέρεται ως απόκριση συχνότητας μέτρου ενός ενισχυτή.


• Η τιμή του μέτρου ενίσχυσης που υπολογίσαμε μέχρι τώρα ισχύει μόνοστην περιοχή των μεσαίων συχνοτήτων, όπου ο ενισχυτής παρουσιάζειωμική συμπεριφορά.

• Το υβριδικό μοντέλο του τρανζίστορ περιγράφει τη λειτουργία τουτρανζίστορ μόνο στην περιοχή των χαμηλών και μεσαίων συχνοτήτων.

• Η απόκλιση που εμφανίζεται στην περιοχή των χαμηλών συχνοτήτωνοφείλεται στο ότι για τον προσδιορισμό του ισοδύναμου κυκλώματος τουενισχυτή θεωρήσαμε τους εξωτερικούς πυκνωτές ως βραχυκυκλώματα, κάτι που δεν είναι ακριβές στην περιοχή αυτή.

• Η συμπεριφορά του ενισχυτή στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτωνοφείλεται στις εσωτερικές χωρητικότητες των επαφών του τρανζίστορ, οι οποίες περιορίζουν την ενίσχυση στις υψηλές συχνότητες.

Εισαγωγή στην απόκριση συχνότητας ενισχυτών


Ανασκόπηση: λειτουργία τρανζίστορ MOSFET• Στο τρανζίστορ nMOS όταν η τάσηπύλης-πηγής υπερβαίνει την τάσηκατωφλίου (VT), δημιουργείταιαγώγιμο κανάλι τύπου n (ρεύμαηλεκτρονίων).

• Αντίστοιχα, στο pMOS δημιουργείταιρεύμα οπών.

• Τα MOSFET αναφέρονται ωςμονοπολικά τρανζίστορ αφού τορεύμα που δημιουργείται συνίσταταιαπό ένα είδος φορέων.

• VGS > VT, VDS < VGS – VT: ομοιόμορφοκανάλι και το ρεύμα απαγωγού (ID) μεταβάλλεται γραμμικά σε σχέση μετην VDS (ωμική περιοχή).

• VGS > VT, VDS ≥ VGS – VT: το κανάλιστενεύει στην περιοχή του απαγωγούκαι το ID παραμένει σχεδόν σταθερόσε σε σχέση με την VDS (περιοχήκόρου).

VGS > VT, VDS ≥ VGS – VT

ID

VDSVGS - VT

Πόλωση στην περιοχή κόρου

VGS > VT, VDS < VGS – VT

ID

VDSVGS - VT

Πόλωση στην ωμική περιοχή

Πηγή Πύλη Απαγωγός


Ανασκόπηση: χαρακτηριστικές εξόδου MOSFET

Στην περιοχή κόρου (που αντιστοιχεί στην ενεργό περιοχή του διπολικούτρανζίστορ), όσο αυξάνεται η VDS, προκαλεί μία μικρή γραμμική αύξηση στο ID λόγωτου ότι μειώνεται το ενεργό μήκος του καναλιού (διαμόρφωση μήκους καναλιού).

Η εξάρτηση αυτή λαμβάνεται υπόψη όταν επιθυμούμε να περιγράψουμε μεαυξημένη ακρίβεια τη λειτουργία του τρανζίστορ στην περιοχή κόρου.


Λειτουργία ενισχυτή MOSFET στο συνεχές (πόλωση)

( ) TGSDSTGSDSDS

TGSp

D VVV,VV,V2

VVVL

WKI −<>⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ −−

⋅=

( ) ( ) TGSDSTGSDS2

TGSp

D VVV,VV,V1VVL2WK

I −≥>λ+⋅−⋅⋅

=

TGSD VV,0I ≤= DSGSG V,V,0I ∀=

Ωμική περιοχή

Περιοχή κόρου:λειτουργίαενισχυτή

Κp: παράμετρος διαγωγιμότητας του τρανζίστορ, W: πλάτος καναλιού, L: μήκος καναλιού, β = Kp W / L (παράγοντας κέρδους),

λ: παράμετρος διαμόρφωσης μήκους καναλιού


Παράδειγμα 9ο: πόλωση τρανζίστορ MOSFET

( ) ( )DS2

TGSp

D V1VVL2WK

I λ+⋅−⋅

⋅=

V5.35.04

RIVRR

RVVV 3DDD21

2SGGS

=−=

=−+

=−=

Για τον ενισχυτή κοινής πηγής του σχήματος ναπροσδιοριστεί ο λόγος W/L των διαστάσεων του

τρανζίστορ, όταν το ρεύμα ηρεμίας (ΙD) είναι 0.5 mA. ∆ίνονται: VT = 0.75 V, Kp = 50 μΑ/V2, λ = 0.2.

Εφόσον πρόκειται για ενισχυτή, το τρανζίστορείναι πολωμένο στην περιοχή του κόρου(VGS > VT, και VDS ≥ VGS – VT) , οπότε:

( )V5.45.0)510(

RIRIVVVV 3DDDDDSDDS

=−−==−−=−=

42.2LW

=

G

D

S

Σημείο ηρεμίας (Q): ID = 0.5 mΑ, VDS = 4.5 V


Λειτουργία ενισχυτή MOSFET στο εναλλασσόμενο

Το MOSFET σε σύνδεση κοινής πηγής αντιμετωπίζεται στο εναλλασσόμενο ωςδίθυρο κύκλωμα (πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από τάση), περιγράφεται με τη

βοήθεια των παραμέτρων y (διαγωγιμότητα gm και ισοδύναμη αντίσταση εξόδου ro), οι οποίες καθορίζουν και το αντίστοιχο ισοδύναμο κύκλωμα.

Ισοδύναμοκύκλωματρανζίστορσε σύνδεσηκοινής πηγής

DDDSTGS

Dm 2)V1(2

VVI2g Ιβ≈Ιλ+β=−

=

( ) DDS

D2TGS

o

IV1IVV

2r1

λ≈λ+λ

=λ−β

=


Απλή βαθμίδα ενισχυτή κοινής πηγής

D

Θεωρήθηκε αμελητέα η διαμόρφωσημήκους καναλιού (λ), επομένως δε λήφθηκε

υπόψη η ro (=∞) του MOSFET

s

s


Παράδειγμα 10ο: ενισχυτής κοινής πηγής∆ίνεται ο ενισχυτής κοινής πηγής του σχήματος με ημιτονική τάση εισόδου πλάτους10 mV και συχνότητας 20 KHz. Για το MOSFET δίνονται Kp = 50 μΑ/V2, λ = 0, ρεύμαηρεμίας (ΙD) 0.42 mA. θεωρούμε ότι ο ενισχυτής λειτουργεί στην περιοχή των μεσαίωνσυχνοτήτων. Ζητείται να προσδιοριστούν τα μεγέθη: Avi, Αvs, Ri, Ro, και να χαραχθούν οι

κυματομορφές του σήματος πηγής εισόδου και του σήματος εξόδου.

vs

vo


= −3.2423.3

RRR

vv

vv

vv

SB

Bvi

s

i

i

o

s

ovs −=

+Α===Α

D = 5 kΩ

RB = R1 // R2 = 0.75 MΩ

S6482g Dm μ=Ιβ≈

• Το μείον που προκύπτει στην ενίσχυση σημαίνει διαφορά φάσης 180ο, μεταξύ του σήματοςεισόδου και του σήματος εξόδου.

• Στην χάραξη των κυματομορφών είναι εμφανής η ενίσχυση του σήματος εισόδου πουπροέκυψε από τους παραπάνω υπολογισμούς, καθώς επίσης και η διαφορά φάσης των 180ο.

Παράδειγμα 10ο: ενισχυτής κοινής πηγής

Limo Rvgv ′−=


so v23.3v −=

Παράδειγμα 10ο: ενισχυτής κοινής πηγής


Συμπεράσματα

• Ενισχυτής είναι ένα δίθυρο κύκλωμα με έλεγχο της εξόδου από την είσοδο.

• Ένας ενισχυτής παρεμβάλλεται μεταξύ μίας πηγής σήματος και ενός φορτίου.

• Η πηγή σήματος οδηγεί την είσοδο του ενισχυτή με εναλλασσόμενο σήμα, τοοποίο αφού ενισχυθεί από τον ενισχυτή, εφαρμόζεται στο φορτίο.

• Η δημιουργία ενός ενισχυτή είναι εφικτή όταν έχουμε στη διάθεσή μας έναηλεκτρονικό στοιχείο του οποίου η ηλεκτρική συμπεριφορά είναι συμπεριφοράελεγχόμενης πηγής τάσης ή ρεύματος.

• Τέτοια στοιχεία παρέχουν τη δυνατότητα ενίσχυσης ισχύος σήματος και για τολόγο αυτό αναφέρονται ως ενεργά στοιχεία ή βαθμίδες σε αντιπαράθεση με ταπαθητικά ηλεκτρικά στοιχεία (αντιστάσεις, πυκνωτές, πηνία).

• Το διπολικό τρανζίστορ συμπεριφέρεται ως ελεγχόμενη πηγή ρεύματος, όπου τορεύμα βάσης προκαλεί και ελέγχει το ρεύμα συλλέκτη, συγκριτικά με το οποίοείναι πολύ μικρότερο.

• Η ροή ρεύματος στο τρανζίστορ επιτυγχάνεται μέσω πηγής συνεχούς τάσης(τροφοδοσία), ενώ οι αντιστάσεις του ενισχυτή καθορίζουν τις τιμές ρευμάτωνκαι τάσεων συνεχούς (πόλωση) και την επιθυμητή ενίσχυση.


• Το διπολικό τρανζίστορ, όταν το σημείο λειτουργίας του βρίσκεται στην ενεργόπεριοχή των χαρακτηριστικών του, μπορεί να λειτουργήσει ως ενισχυτής μετρεις τρόπους σύνδεσης (κοινού εκπομπού, κοινής βάσης και κοινού συλλέκτη).

• Η σύνδεση κοινού εκπομπού είναι η μόνη που παρέχει ταυτόχρονα ενίσχυσηρεύματος και τάσης.

• Ο προσδιορισμός του σημείου λειτουργίας γίνεται με χρήση των απλώνγραμμικών κανόνων Kirchhoff, θεωρώντας το τρανζίστορ ως γραμμικό στοιχείο.

• Η μελέτη ενισχυτών στο εναλλασσόμενο γίνεται με χρήση ισοδύναμωνμοντέλων μικρού σήματος των ενεργών βαθμίδων.

• Όπως τα ενεργά στοιχεία έτσι και ο ενισχυτής μπορεί να αντικατασταθεί απόισοδύναμο κύκλωμα (στην περιοχή των μεσαίων συχνοτήτων) εάν είναι γνωστάτα χαρακτηριστικά μεγέθη του, όπως η ενίσχυση τάσης ή ρεύματος και οιαντιστάσεις εισόδου και εξόδου του ενισχυτή.

• Στην περιοχή των μεσαίων συχνοτήτων, τα χαρακτηριστικά μεγέθηπαραμένουν σταθερά και δεν εξαρτώνται από τη συχνότητα.



• Ιδιαίτερη σημασία στους ενισχυτές, έχει το γεγονός ότι μπορούν ναπροκαλέσουν ταυτόχρονη ενίσχυση εναλλασσόμενης τάσης και ρεύματοςστην έξοδο.

• Μονομερής ενίσχυση τάσης θα μπορούσε να επιτευχθεί και με ένανμετασχηματιστή.

• Η ταυτόχρονη ενίσχυση τάσης και ρεύματος που επιτυγχάνουν οι ενισχυτέςσυνεπάγεται αύξηση της στάθμης ισχύος στην έξοδο.

• Η ενίσχυση ισχύος του σήματος στην έξοδο ενός ενισχυτή γίνεται εις βάροςτης πηγής τροφοδοσίας συνεχούς, η οποία παρέχει την κύρια ροή ρεύματοςστον ενισχυτή, αφού η μεταβολή του ρεύματος αυτού δημιουργεί το σήμαεξόδου.



Ασκήσεις 1ης ενότητας


Άσκηση 1η

Για τον ενισχυτή του σχήματος επιθυμούμε να προσδιορίσουμε το σημείολειτουργίας Q του διπολικού τρανζίστορ, όταν δίνονται β = 200, VCC = 10Vκαι VBE = 0.7V. Να χαραχθεί η γραμμή φορτίου για το συνεχές και να

σημειωθεί σε αυτή το σημείο λειτουργίας Q.

RC

RB

+

_

vi

BI

CI

+

outv

CCV

Κ2

Κ200

Εφαρμόζουμε το 2ο κανόνα Kirchhoff στους δύοβρόχους του κυκλώματος και χρησιμοποιούμε τη

σχέση ρεύματος συλλέκτη και βάσης

Q (3.8V, 3.08mA)


Άσκηση 1η

Για να χαράξουμε την γραμμή φορτίου εφαρμόζουμε τον 2ο κανόναKirchhoff στο βρόχο εξόδου του ενισχυτή:

+

β+

−= CEC

C

C

β+ C

C

CC

RR

VVRR

1I

⇒+βΙ

+=++= CECC

CCECBCCC VR)I(VR)II(V


β+ C

C

CC

RR

V

β+ C

C

CC

RR

V

β+

−C

CRR

1

Άσκηση 1η


Άσκηση 2η

Για τον ενισχυτή του σχήματος επιθυμούμε να προσδιορίσουμε το σημείολειτουργίας Q του διπολικού τρανζίστορ, όταν δίνονται β = 200 και VBE= - 0.7V.

• Ο ενισχυτής περιλαμβάνει τρανζίστορ pnp και όχι npn και ητάση πόλωσης (VCC) είναι αρνητική.

• Η τοπολογία του κυκλώματος πόλωσης είναι όμοια με εκείνητου τρανζίστορ npn με τη διαφορά ότι η τάση τροφοδοσίαςείναι αρνητική.

• Αντιμετωπίζουμε το pnp τρανζίστορ αρχικά όπως ένα npnτρανζίστορ, δηλ. εφαρμόζουμε το 2ο κανόνα Kirchhoff θεωρώντας θετική την τάση τροφοδοσίας καθώς και τιςυπόλοιπες συνεχείς τάσεις αλλά και ρεύματα.

• Στο τέλος θέτουμε αντίθετο πρόσημο στα συνεχή ρεύματακαι στις συνεχείς τάσεις που προκύπτουν.

RC

RB

+

vi

BI

CI

-

outv

V10VCC −=

pnp

K4M86,1

Q (-6V, -1mA)

V6VVRIVmA1II

5IVRIV

CECECCCC

BC

BBEBBCC

=⇒+==β=

Αμ=⇒+=

V6VmA1I

5I

CE

C

B

−=−=

Αμ−=


Άσκηση 3η

Για τον ενισχυτή του σχήματοςνα προσδιοριστούν οι τιμές τωναντιστάσεων R1 και RC ώστε το

σημείο λειτουργίας του τρανζίστορνα είναι Q(4V, 2mA). ∆ίνονται:β = 200 και VBE = 0.7 V.

RCR1

+

vi

BI

CI

+

outv

CCV

R2 RΕ

K1K15

V10=

BI

CI

outv

CCV

BV

Στον ενισχυτή που δίνεται έχουμε κύκλωμαπόλωσης με διαιρέτη τάσης και αυτοπόλωση

εκπομπού, οπότε αρχικά εξάγουμε το ισοδύναμοκύκλωμα του ενισχυτή κατά Thevenin:

CC21

2B V

RRRV+

=21

21B RR

RRR

+=


Άσκηση 3η

BI

CI

outv

CCV

BV

CC21

2B V

RRRV+

=

A10II CB μ=

β=

ECBEBBB RIVRIV ++≈

Ω= k35.50R1

21

21B RR

RRR

+=

Ω=⇒++≈ k2RRIVRIV CECCECCCC

Θεωρήσαμε κατά προσέγγιση ότιστον εκπομπό του τρανζίστορ

ρέει το ρεύμα του συλλέκτη, δηλ. ότι: ΙC + (1/β) IC = IC (β >> 1).


Άσκηση 4η

Για τον ενισχυτή του σχήματος επιθυμούμε να προσδιορίσουμε το σημείολειτουργίας Q του διπολικού τρανζίστορ, όταν δίνονται β = 200 και VBE= 0.7V.

mA93.0I

0VR)/II(V

0VR)II(V

C

EEECCBE

EEEBCBE

=⇒

=−β++

⇒=−++

V8.3VR)/II(VRIVV

R)II(VRIVV

CE

ECCCECCEECC

EBCCECCEECC

=⇒β+++=+⇒+++=+

Εφαρμόζουμε το 2ο κανόνα Kirchhoff σε δύο βρόχους του κυκλώματος καιχρησιμοποιούμε τη σχέση ρεύματος

βάσης και συλλέκτη:

Q (3.8V, 0.93mA)Το τρανζίστορ έχει πολωθείμε συμμετρική πηγές.

CCV

ov+

_+

_

RC

iv

ΕΕV

RΕ

IB

IC

IE

= 2K

= 4.6 K


Για τον ενισχυτή του σχήματος επιθυμούμε να προσδιορίσουμε τα σημεία λειτουργίαςτων τρανζίστορ, όταν δίνονται για κάθε τρανζίστορ: β = 200 και ⎜VBE⎜= 0.7 V.

Υποθέστε ότι β>>1.

Άσκηση 5η

• Ο ενισχυτής αποτελεί περίπτωση πόλωσηςτρανζίστορ npn και pnp στο ίδιο κύκλωμαμε κοινή (θετική) τάση τροφοδοσίας.

• Λόγω της θετικής τάσης τροφοδοσίας, η τοπολογία πόλωσης του pnp τρανζίστορπαρουσιάζεται ανεστραμμένη, με στόχονα διατηρηθούν η επαφή βάσης-εκπομπούορθά πολωμένη και η επαφή βάσης-συλλέκτη ανάστροφα πολωμένη.

BI outv

V10VCC =

2CI

ER

M86.1 K4K5.1

K2

1CI


Άσκηση 5η

Όπως αναμενόταν, οι τιμές ηρεμίας (ρεύμα συλλέκτη και τάση συλλέκτη-εκπομπού) του διπολικού τρανζίστορ τύπου npn, προκύπτουν αρνητικές.

Θεωρήσαμε κατά προσέγγιση ότι στον εκπομπόκάθε τρανζίστορ ρέει το ρεύμα του συλλέκτη,

δηλ. ότι: ΙC + (1/β) IC = IC (β >> 1).

Q1 (6V, 1mA)

Q2 (−2.3V, −2.2mA)

V6VVRIVR)II(V

mA1IIIA5IVRIV

1CE

1CE1C1C1CE1C2B1CCC

1C1B1C

1B1BEB1BCC

=⇒+≈++=

=⇒⋅β=μ=⇒+=

V3.2VV)RR(IVmA2.2IVVRIV

2CE2ECE2C2CCC

2C1CE2EBE2CCC

−=⇒++−≈−=⇒++−≈BI outv

V10VCC =

2CI

ER

M86.1 K4K5.1

K2

1CI1

B2I


Στο παρακάτω σχήμα δίνεται το ισοδύναμο κύκλωμα ενός ενισχυτή, όπου Riείναι η αντίσταση εισόδου, Ro η αντίσταση εξόδου και Αio η ενίσχυση ρεύματοςτου ενισχυτή. Προσδιορίστε τα παραπάνω στοιχεία για κάθε έναν από τουςενισχυτές που επίσης δίνονται στο παρακάτω σχήμα χρησιμοποιώντας τα

ισοδύναμα μοντέλα των διπολικών τρανζίστορ και συγκρίνετε τα αποτελέσματα.

Άσκηση 6η


Ri = hie

fe

iei h1

hR+

=

Ro = RC

Co RR =

Aio = − hfe

Aio = 1

ΣύνδεσηCE (ΚΕ)

ΣύνδεσηCB (ΚΒ)

Άσκηση 6η


Ebfe2 Ri)h+(1 = v

)h+(1h

)h+(1h//R =

h)h+(1

R1

1 R

hv)h1(

Rv

v= i)h1(

Rv

v = iv = R

fe

ie

fe

ie

ie

fe

E

o

ie

2fe

E

2

2

bfeE

2

20v

e

2o i

≈+

=⇒

++++

Ε

=

feio h1A +=

Efeiei

b

Ebfebie

b

2bie

b

ii

R)h1(hRi

Ri)h1(ih= i

vih = iv = R

++=⇒

+++

Σύνδεση CC (ΚΣ)

Άσκηση 6η

Υπάρχει ανατροφοδότησητης εξόδου (v2) στην είσοδοπου επηρεάζει τις αντιστάσεις

εισόδου και εξόδου.


Άσκηση 6η

• Οι συνδέσεις CE και CC παρουσιάζουν μεγάλη αντίσταση εισόδου (της τάξης KΩ για τησύνδεση CE και μερικών δεκάδων KΩ για τη σύνδεση CC, αφού η αντίσταση εισόδου τουτρανζίστορ hie είναι συνήθως της τάξης του ΚΩ), ενώ η σύνδεση CB παρουσιάζει πολύ μικρήαντίσταση εισόδου (μερικά Ω, αφού η αντίσταση εισόδου του τρανζίστορ hie είναι συνήθωςτης τάξης του ΚΩ, αλλά η ενίσχυση ρεύματος του τρανζίστορ hfe λαμβάνει συνήθως τιμέςμεγαλύτερες του 100).

• Οι συνδέσεις CE και CΒ παρουσιάζουν μεγάλη αντίσταση εξόδου (της τάξης KΩ αφού ηαντίσταση συλλέκτη είναι συνήθως της τάξης του ΚΩ), ενώ η σύνδεση CC παρουσιάζει πολύμικρή αντίσταση εξόδου (μερικά Ω).

• Οι συνδέσεις CE και CC παρουσιάζουν μεγάλη ενίσχυση ρεύματος (αφού η ενίσχυσηρεύματος του τρανζίστορ hfe λαμβάνει συνήθως τιμές μεγαλύτερες του 100), ενώ η σύνδεσηCB δεν παρουσιάζει ενίσχυση ρεύματος.

Σύγκριση αποτελεσμάτων


Άσκηση 7η

Για τον ενισχυτή του σχήματος να προσδιοριστεί η ενίσχυση τάσης Αvs στηνπεριοχή μεσαίων συχνοτήτων όπου οι πυκνωτές C1 και C2 λειτουργούν ως

βραχυκυκλώματα. ∆ίνονται: hfe =150 και hie = 1,5 kΩ.

bfeihiehBR CR

LR

Ισοδύναμο κύκλωματου ενισχυτή

στο εναλλασσόμενο


Ω== k66.1R//RR CL'L

bfeihiehBR CR

LR

sssieB

ieBi v333.0v

R)h//R()h//R(v ⋅=⋅+

=

3s

3

3i

3

b3'

Lbfeo 105.1v333.010249

105.1v10249i10249Rihv

⋅⋅⋅⋅

−=⋅

⋅⋅−=⋅⋅−=−=

3,55vvA

s

ovs −==

Άσκηση 7η


Άσκηση 8η

Για τον ενισχυτή του σχήματος να προσδιοριστεί η ενίσχυση ρεύματος ΑiLστηνπεριοχή μεσαίων συχνοτήτων του ενισχυτή όπου οι πυκνωτές C1 , C2 και CE λειτουργούν ως βραχυκυκλώματα. ∆ίνονται: hfe = 200 και hie = 2.72 kΩ.

RCR1

+

outv

CCV

R2 RΕK1K15

V10=

K40 K2

K2Rs =

u1

u1

u10

K2RL =sv

1C

2C

EC

si

Li

_

Rs

vs

+

is

vo

ib

bfeihiehBR CR

LRLi

Ισοδύναμο κύκλωματου ενισχυτή


Ω== k9.10R//RR 21B


_

Rs

vs

+

is

vo

ib

bfeihiehBR CR

LRLi

Υπολογίζουμε το ρεύματου φορτίου μέσω τωνδύο διαιρετών ρεύματοςπου προκύπτουν στηνέξοδο και στην είσοδοτου ισοδύναμουκυκλώματος.

80hR

RRR

Rh

iiA

ieB

B

LC

Cfe

s

LiL −=

+⋅

+⋅−==

Άσκηση 8η

s


Άσκηση 9η

Για τον ενισχυτή του σχήματος που συνίσταται από δύο όμοιες βαθμίδες, ναπροσδιοριστεί η ενίσχυση τάσης Avs στην περιοχή μεσαίων συχνοτήτων όπου όλοιοι πυκνωτές λειτουργούν ως βραχυκυκλώματα. ∆ίνονται: hfe = 200, hie = 2.72 kΩ.

K2RL =

RCR1

CCV

R2 RΕK1K15

V10=

K40 K2

K2Rs =

u1

u1

u10

sv

1C2C

EC

+

outv

K1K15

K40K2

u1

u10

2C

EC

3R

4R

2CR

2ER

bfeihiehBR CR

iehBR CRLR

2bfeih

2bi Ισοδύναμο κύκλωματου ενισχυτή



Άσκηση 9η

bfeihiehBR CR

iehBR CRLR

2bfeih

2bi

2928Av2928i10200Rihv vss2b3'

L2bfeo =⇒⋅=⋅−=−=

s3

bbfeie

2b v1064.14i64.76ihhR

Ri ⋅⋅−=⋅−=⋅+

−= −

Α

Α

sssieB

ieBi v52.0v

R)h//R()h//R(v ⋅=⋅+

=

s3

3s

ie

ib v10191.0

1072.2v52.0

hvi ⋅⋅=

⋅⋅

== −

Ω== k1R//RR CL'L

Ω=== k9.10R//RR//RR 4321B

Ω==Α k69.1R//RR BC

Η τάση εξόδου είναισυμφασική με την τάσηεισόδου, αφού ο ενισχυτής

αποτελείται από δύοσυζευγμένες βαθμίδεςκοινού εκπομπού


Άσκηση 10η

Για τον ενισχυτή κοινής βάσης του σχήματος προσδιορίστε για την περιοχή μεσαίωνσυχνοτήτων: ενισχύσεις τάσης Αvi και Αvs, ενίσχυση ρεύματος Ais, ενίσχυση ισχύος

Αp, αντιστάσεις εισόδου και εξόδου, ισοδύναμο μοντέλο του ενισχυτή ωςελεγχόμενη πηγή τάσης με γνωστές παραμέτρους. ∆ίνονται: hfe = 100, hie = 1 kΩ.

O ενισχυτής αυτός, στο εναλλασσόμενοαντιστοιχεί στο παρακάτω κύκλωμα. Κάθε ακροδέκτης που συνδέεται σεσταθερή πηγή θεωρείται γείωση όσοναφορά τη λειτουργία μικρού σήματος. Επίσης, οι πυκνωτές θεωρούνται ως

βραχυκυκλώματα. Συνεπώς, οι αντιστάσειςR1, R2 είναι βραχυκυκλωμένες και δε

λαμβάνονται υπόψη στο εναλλασσόμενο.L


Άσκηση 10η

Κατά την ανάλυση αγνοούμε την RE διότι RE >> hie/(1+hfe). Εάν δεν αγνοηθεί η αντίστασηεκπομπού, η ανάλυση γίνεται με παρόμοιο τρόπο.

R.i= v Leo ′Ω=′ k4.2R//R = R LCL

242.4= h

R)h+(1 = vv = R

h+1hv = v

ie

Lfe

iviL

fe

ie

io

′Α⇒′ ο

( )( )[ ] 40

Rh+1hh+1hA

vvA

vv

vv

vv= A

sfeie

feievi

s

vi i

s

i

isvs =

+⋅=

⋅=⋅= οο

h+1hv i

fe

ie

ie =

L

⇔ac

i


iR+R

R = i eLc

cL 0.4 =

R+RR =

ii =A

Lc

c

s

Lis

97= .A = i.vi. v

= PP = A iLvi

si

Lo

i

Lp Α

Ω≈ 10 = h+1

hh+1

h//R = R fe

ie

fe

ieEi

Ωk4 = R = R Co

Για τον προσδιορισμό του ισοδύναμου μοντέλου του ενισχυτή ως ελεγχόμενη πηγή μεγνωστές τις παραμέτρους της, χρειαζόμαστε τα μεγέθη Ri, Ro και την ενίσχυση Αvο.

404hRhAAie

CfeRvivo

L=−==

∞=

Άσκηση 10η

L

i


Άσκηση 11η

Στον ενισχυτή του σχήματος, τα δύο τρανζίστορ είναι όμοια. Προσδιορίστε το ρεύμα βάσηςκαι συλλέκτη, καθώς και την τάση συλλέκτη-εκπομπού των δύο τρανζίστορ. Για την περιοχήμεσαίων συχνοτήτων προσδιορίστε την ενίσχυση τάσης Αvi, την ενίσχυση τάσης Αvs και τιςαντιστάσεις εισόδου και εξόδου. ∆ίνονται: β = hfe = 100, hie = 1 kΩ, VBE = 0.5 V, β >>1.

A10IIRI + V + RI VRI + V + RI V

1B1

E11BE11C

E1C1BE11C

μ==⇒⇒β=⇒=

2C2E1B1C II1mA =I I =−=⋅β=

12C

22 IA10 =μ=βΙ

=Ι=Ι Β

V3VRIVV+RI= V 1CEE1C1CE2BE22C =⇒++

V5.3VRI+VV+RI = V 2CEE1C1CE2CEC2CC =⇒+


Άσκηση 11η

sissi

is

sie1

ie1i v5.0vv

RRRv

R)h//R()h//R(v ⋅=⇒⋅

+=⋅

+=

ie

ifeCbfeCeCo h

vhR ihR = iR= v −=− A

vv

R hhvi

o

i

C fe

ie= = − = −150

kΩ1hh//RR ieie1i =≈=

kΩ5.1RR Co ==

75 5.0Avv

vv

vv= A vi

s

i

isvs −=⋅=⋅= οο

Τ1: σύνδεση κοινού εκπομπού, Τ2: σύνδεση κοινής βάσης


Άσκηση 12η

Στον ενισχυτή του σχήματος, τα τρανζίστορ είναι ίδια. Προσδιορίστε την ενίσχυση ρεύματοςAiLκαι τις αντιστάσεις εισόδου και εξόδου. Επίσης, προσδιορίστε το ισοδύναμο μοντέλο τουενισχυτή ως ελεγχόμενη πηγή ρεύματος με γνωστές παραμέτρους. Θεωρείστε ότι ο ενισχυτής

λειτουργεί στην περιοχή των μεσαίων συχνοτήτων. ∆ίνονται: hfe = 100, hie = 1 kΩ.

M

L


Άσκηση 12η

iiefe1

1b

fe

1iebib

fe

1ii

fe

1ibbfeb1i

ih)h2(R

Rih2

)R/hi(ii

h2)R/v(i

h2iiiihi2ii

++=⇒

+−

=

⇒+

−=

+−

=⇒++=

bfeLC

CL ih

RRRi+

−=98.0A

h)h2(RR

)RR(hR

iiA

iL

iefe1

1

LC

feC

i

LiL

−=

⇒++

⋅+

−==

Li


Ω=++

=++

== 8.9

hvh

hv2

Rv

v

ihhv2

Rv

vivR

ie

ife

ie

i

1

i

i

bfeie

i

1

i

i

i

ii

kΩ10RivR C

R,0io

oo

Ls

===∞==

98.0AAA iL0RiLioL

−=≈==

Άσκηση 12η

-0.98 ii9.8


Άσκηση 13η

Στον ενισχυτή κοινής πηγής του σχήματος να προσδιορίσετε το σημείο ηρεμίας Q(VDS, ID) του MOSFET. Για τη συγκεκριμένη κατάσταση λειτουργίας του MOSFETνα προσδιορίσετε επίσης τη διαγωγιμότητά του (gm) και την ισοδύναμη αντίστασηεξόδου του (ro). Για το MOSFET δίνονται: VGS = 3.5 V, VT = 0.75 V και λ = 0.02.

Σημείο ηρεμίας: Q (4.5 V, 0.5 mA)

Εφόσον πρόκειται για ενισχυτή, τοτρανζίστορ είναι πολωμένο στην περιοχήτου κόρου (VGS > VT, και VDS ≥ VGS – VT).

V5.4VRIRIVV DS3DDDDDDS =⇒−−=

mA5.0IVVRR

RR1I

RIVRR

RV

DGSDD21

2

3D

3DDD21

2GS

=⇒⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

+=

⇒−+

=


Άσκηση 13η

S363gVV

I2g mTGS

Dm μ=⇒

−=

Ω=⇒λ+λ

= k109rV1

Ir1

oDS

D

o

02.0V75.0V

mA5.0IV5.3VV5.4V

T

D

GS

DS

=λ====

∆ιαγωγιμότητα του MOSFET

Ισοδύναμη αντίσταση εξόδου του MOSFET


Άσκηση 14η

Για τον ενισχυτή κοινής πηγής του σχήματος, να προσδιοριστούν: η πόλωση τουτρανζίστορ (σημείο ηρεμίας) και η ενίσχυση τάσης για την περιοχή των μεσαίων

συχνοτήτων όπου οι εξωτερικοί πυκνωτές λειτουργούν ως βραχυκυκλώματα. Για τοMOSFET δίνονται: VGS = 1 V, gm = 2.4⋅10-4 S και ro = 1 MΩ.

Το MOSFET έχει πολωθεί μεσυμμετρική πηγή συνεχούς τάσης.

Αμ=⇒=−+ 26I0VRIV D23DGS

V5.3VRIVRIVV DS3DDS1D21 =⇒++=+

Σημείο ηρεμίας: Q (3.5 V, 26 μA)

vo


Άσκηση 14η

6.21ARgvvA vsLm

s

ovs −=⇒′−==

Ω=+⋅

==′ M09.0rRrRr//RR

o1

o1o1L

Ισοδύναμο κύκλωμα του ενισχυτήστο εναλλασσόμενο:

S

DG


Τέλος 1ης ενότητας

Enotita 1

Documents

Transcript of Enotita 1