Projektowanie wzmacniacza tranzystorowego OE

Transkrypt

1 Pojetowanie wzacniacza tanzystooweo OE Poniżej pzedstawiono dwa pzyłady pojetu wzacniacza tanzystooweo pacująceo w oniuacji OE. Piewsze z zadań pzedstawia pojet uładu, tóeo zadanie jest uzysanie na zadanej watości ezystancji obciążenia wzacniacza oeślonej aplitudy nieznieształconeo napięcia sinusoidalneo. Dodatowo wyznaczone są paaety obocze uładu oaz podany został sposób oaniczenia pasa pacy wzacniacza. Pzeanalizowana została taże ziana paaetów oboczych uładu w pzypadu bau pojeności boczniującej ezysto eiteowy (wpowadzenie loalneo spzężenia zwotneo). W zadaniu nue zapojetowano wzacniacz tanzystoowy spełniający następujące wyaania: oeślone wzocnienie napięciowe, właściwości szuowe (dobó puntu pacy) oaz zadane paso pacy uładu.

2 Zadanie Zapojetować wzacniacz tanzystoowy pacujący w oniuacji OE (ys. ), tóeo inialna aplituda napięcia wyjścioweo będzie ówna WYin.5V dla ezystancji obciążenia uładu L Ω. Częstotliwość dolna d powinna wynosić 80Hz, a częstotliwość óna 00Hz. Wyznaczyć paaety obocze oaz óną częstotliwość aniczną zapojetowaneo wzacniacza w pzypadu bau w uładzie pojeności C. W uładzie zastosować tanzysto BC57 o paaetach: BE 0.65V, Cesat 0.5V, β 0 00, c b c 4.5pF, T 50MHz, bb 0. ezystancja eneatoa jest ówna Ω. Wszystie wyznaczone watości ezystancji i pojeności unoować do szeeu E4. ozwiązanie ys... Scheat pojetowaneo wzacniacza tanzystooweo Aby na wyjściu wzacniacza óc uzysać oeśloną watość nieznieształconej aplitudy napięcia, pzy zadanej watości ezystancji obciążenia, należy odpowiednio dobać punt pacy tanzystoa (, CEQ ). Do oeślenia watości pądu oletoa poocna będzie analiza ziennopądowa wyjścia wzacniacza (ys..). ys... Scheat ziennopądowy wzacniacza: a) uwzlędniający wszystie eleenty, b) uposzczony popzez uwzlędnienie połączenia ównolełeo ezystancji Pzedstawione na ys..b ezystancje dane są następującyi zależnościai:

3 B (.) obc L. (.) Analizując scheat z ys..b ożna napisać, ozystając z pawa Oha, że: u WY i WY. (.) obc ys... Chaateystyi wyjściowe tanzystoa z naniesiony punte pacy i zianai napięcia CE i pądu C Widziy taże z ys.., że asyalna aplituda pądu wyjścioweo i WY wzacniacza jest ówna co do watości pądowi tanzystoa w puncie pacy. Pądy i WY i ają pzeciwne zwoty. Kozystając z zależności (.) ożey wyznaczyć inialną watość aplitudy pądu wyjścioweo wzacniacza, a co za ty idzie inialną watość pądu oletoa tanzystoa w puncie pacy. Ponieważ nie znay watości ezystancji obciążenia obc, pzed obliczeniai usiy założyć watość ezystancji oletoowej. Watość ezystancji załaday w anicach pojedynczych ilooów. Dla uposzczenia obliczeń założono L Ω. Stąd, ozystając z zależności (.) obc.5ω i inialna watość aplitudy pądu wyjścioweo wzacniacza wynosi: i uwy in.5v in A (.4).5Ω WY in Aby spełnić waune na inialną aplitudę nieznieształconeo napięcia wyjścioweo wzacniacza z pewny zapase pzyjęto watość pądu oletoa tanzystoa w puncie pacy.5a. Watość napięcia oleto eite tanzystoa w puncie pacy wyznaczono ozystając z ys... Aby tanzysto nie wchodził w stan nasycenia dla obc

4 oeślonej inialnej aplitudy napięcia wyjścioweo wzacniacza inialna watość napięcia CEQ usi spełniać zależność: CEQ in CEsat uwy in (.5) dzie jest zapase napięcia uwzlędniający ziany puntu pacy wywołane zianai tepeatuy. Zazwyczaj pzyjuje się ( )V. Pzyjując V napięcie CEQin wynosi: uwy in 0.5V.5V V. V (.6) CEQ in CEsat 75 Następnie, ozystając ze scheatu stałopądoweo wzacniacza (ys..4), wyznaczay watość napięcia zasilania wzacniacza oaz watości pozostałych ezystancji w uładzie. W celu zapewnienia dobej stabilności tepeatuowej puntu pacy spade napięcia na ezystoze eiteowy 4 powinien być iluotnie więszy od watości napięcia baza eite tanzystoa: 4 ( ) BEQ Kozystając z powyższeo wyznaczay watość napięcia : 4 (.7) 4 BEQ 0.65V. 95V (.8) Następnie, ożna zapisać ównanie: ys. 4. Scheat stałopądowy wzacniacza CC in.5a Ω CEQ in 4.75V.95V 0.V CEQ in 4 (.9)

5 Noując watość napięcia zasilania do watości standatowych pzyjęto CC V, co spowodowało wzost napięcia oleto eite do watości CEQ 5.55V. Załadając, że EQ, ożna wyznaczyć watość ezystoa 4 : 4.95V 4.Ω (.0).5A Watość pądu bazy tanzystoa BQ wyznaczay z zależności:.5a 7.5 A. (.) β 00 BQ µ 0 Dla zapewnienia dobej stabilności tepeatuowej puntu pacy załada się, że podział pądu na dzielniu bazowy wynosi: Załadając, że 0 BQ wyznaczay: BQ (5 0) (.) 0 75 A (.) BQ µ Kozystając z pawa Kichoa ożey zapisać, że: Następnie wyznaczay watość ezystoa : 8.5 A (.4) BQ BQ µ BEQ 4.6V 4.666Ω 6Ω 75µ A (.5) ezysto wyznaczay ozystając z zależności: CC CC BEQ 4 9.4V.99Ω 0Ω 8.5µ A (.6) Pzed wyznaczenie watości pojeności C, C i C należy wyznaczyć paaety obocze wzacniacza. Na ys..5 pzedstawiono scheat ziennopądowy wzacniacza z tanzystoe zastąpiony jeo odele hybyd π.

6 ys..5. Scheat ziennopądowy wzacniacza Jeżeli posiaday doładne dane ataloowe tanzystoa to z zawatych w nich chaateysty ożey odczytać watości poszczeólnych eleentów odelu hybyd π tanzystoa (w nstucji do Ćwiczenia laboatoyjneo dane te są zawate w dołączonej tabeli). Gdy dysponujey tylo paaetai podstawowyi, taii ja podane w teści zadania, paaety odelu hybyd π ożey oszacować, ozystając ze znajoości puntu pacy tanzystoa. ta: β 0ϕ T V b ' e. 5Ω.5A (.7).5A 56. S (.8) ϕ 6.5V 6 T Y 66. Ω (.9) ce 6 dzie: φ T jest to potencjał teiczny złącza ówny w tepeatuze poojowej 6.5V, Y jest to napięcie Ealy eo ówne 00V dla tanzystoów NPN lub 60V dla tanzystoów typu PNP. Nie zaznaczoną na ys. 5 pojeność c b e wyznaczay pzeształcając ównanie: T (.0) π ( cb' e cb' c ) ta na podstawie podanych w teści zadania danych ataloowych tanzystoa BC57 : 56.6S cb' e cb' c 4.5 pf 55. 5pF π 50MHz T (.) Wzocnienie napięciowe uładu wyznaczay ozystając z zależności: V ( obc ce ) 56.6S.46Ω 8 V (.) ezystancja wejściowa wzacniacza dana jest zależnością: B b ' e. Ω (.)

7 ezystancja wyjściowa uładu jest ówna: ce. Ω (.4) WY 87 Współczynni wyozystania napięcia eneatoa wynosi:.ω γ (.5) Ω.Ω Wzocnienie napięciowe suteczne uładu dane jest zależnością: V γ 6. V (.6) SK 87 Góną częstotliwość aniczną wzacniacza wyznaczyy ozystając ze scheatu ziennopądoweo uładu, pzy czy tanzysto został zastąpiony jeo pełny odele hybyd π (uwzlędniający pojeności c b e i c b c, pzy bb 0). Scheat ten pzedstawiono na ys..6. ys..6. Scheat wzacniacza z tanzystoe zastąpiony pełny odele hybyd π Kozystając z napięcioweo twiedzenia Millea uład pzeształcay do postaci pzedstawionej na ys..7. ys..7. Scheat zienno-synałowy wzacniacza po zastosowaniu twiedzenia Millea Wyznaczenie częstotliwości ónej wzacniacza spowadza się do wyznaczenia częstotliwości anicznej uładu pzedstawioneo na ys..8:

8 ys..8. Scheat wzacniacza poocny w wyznaczaniu częstotliwości ónej uładu Pojeność wejściowa uładu dana jest zależnością: ( ) c 55.5 pf 78pF 4. pf c cb' e b' c 5 (.7) Tansitancja napięciowa wzacniacza z ys..8 dana jest zależnością: SK ( s) ( ) obc ce sc sc sc sc (.8) dzie s jω j. Po pzeształceniach zależność (.8) pzybiea postać: SK ( s) s c (.9) Znalezienie ónej częstotliwości anicznej uładu polea na ozwiązaniu ównania: Ostatecznie częstotliwość aniczna wzacniacza wynosi: s c 0 (.0) Ω. Ω Hz c π Ω 4.5 pf (.) Aby oaniczyć częstotliwość óną wzacniacza do 00Hz należy poiędzy bazę a oleto tanzystoa dołączyć dodatową pojeność C d. W odelu wzacniacza pzedstawiony na ys..6 pojeność ta dodaje się do pojeności c b c tanzystoa, pzez co ostateczny wzó na pojeność wejściową uładu c (ys..8) będzie wynosił:

9 ( )( c C ) c cb' e b' c d (.) Aby wyznaczyć watość pojeności C d, dla tóej óna częstotliwość wzacniacza będzie ówna 00 Hz, należy, uwzlędniając ównanie (.), pzeształcić zależność (.). ta pojeność C d dana będzie zależnością: Ω cb' e 55.5 pf Cd c. b' c Ω 4.5 pf 7.4 pf 7. 5pF π 00Hz Ω ( ) Pojeności C, C i C ożna wyznaczyć znając watość częstotliwości dolnej d wzacniacza. Tansitancja napięciowa wzacniacza w zaesie ałych częstotliwości posiada tzy bieuny s, s i s. Załadając, że bieuny te są niezależne wzlęde siebie częstotliwość dolną wzacniacza ożna wyznaczyć z zależności: d (.) dzie częstotliwości, i są związane ze wsponianyi bieunai zależnością sn n, n,,. Watości poszczeólnych częstotliwości są uncjai pojeności C, C i C. C C WY L ( β 0 ) 4 ( ) ( ) C 4 B b' e (.4) (.5) (.6) Aby uzysać dobą stabilność wzacniacza w zaesie dolnych częstotliwości należy odpowiednio ozieścić bieuny na osi częstotliwości (odsepaować). Zazwyczaj załada się, że bieun wywołany pojenością eiteową C jest bieune doinujący (ający najwięszy wpływ na watość częstotliwości anicznej), natoiast pozostałe bieuny są dużo niejsze od nieo: > > > (.7) ta na pzyład ożna założyć następujące elacje poiędzy poszczeólnyi częstotliwościai:,. Wtedy zależność (.) pzybieze postać: 0 5 d

10 Po pzeształceniu otzyujey: d 79.44Hz (.8).007 Pozostałe częstotliwości pzyjują watości: 7.944Hz, 5. 9Hz.Po pzeształceniu zależności (.4) (.6) ożey wyznaczyć watości pojeności C C : C C 4.85µ F 4.7µ F (.9) ( ) 5.µ F 5.6µ F (.40) ( WY L ) ( β 0 ) 4 B b ' e C 9µ F 4 00µ F (.4) Gdy w zapojetowany wzacniaczu nie występuje pojeność C wzacniacz jest objęty pętlą spzężenia zwotneo pądowo-szeeoweo zealizowaneo za poocą ezystoa eiteoweo 4. Wtedy paaety obocze uładu dane są zależnościai: ce obc V. V 4 (.4) [ ( ) ] 4. Ω B b' e 4 (.4) 58 WY Ω (.44) γ 0.96 (.45) V γ. V (.46) SK 07 Góną częstotliwość aniczna wzacniacza ze spzężenie zwotny ożna obliczyć ozystając z zależności: ( b ' e β 04 ) B 6. 4MHz b ' e b ' e cb' e ( ce obc ) cb' c b ' e 0 4 b ' e 0 β β 4 (.47)

11 Dolną częstotliwość aniczną wyznaczyy z zależności: dzie: 6. Hz (.48) d 6. Hz C 05 π ( ) 4. Hz C 7 π ( ) WY L (.49) (.50)

12 Zadanie Zapojetować nisoszuny, austyczny (paso 0Hz 0Hz) wzacniacz tanzystoowy o wzocnieniu napięciowy ówny -0 V/V, pacujący w oniuacji OE, na tanzystoze BC57 o paaetach: BE 0.65V, Cesat 0.5V, β 0 00, c b c 4.5pF, T 50MHz, bb 0. Scheat uładu pzedstawiono się na ys.. Wzacniacz będzie pacował z ezystancją obciążenia ówną 5. Ω. ezystancja eneatoa jest ówna 600Ω. Podać asyalną watość nieznieształconej aplitudy napięcia wyjścioweo uładu. ozwiązanie ys... Scheat wzacniacza tanzystooweo Jeżeli wzacniacz a się chaateyzować nisii szuai należy odpowiednio dobać punt pacy tanzystoa (patz Tabela Wyład n 4 E). Pąd oletoa tanzystoa w puncie pacy powinien ieścić się w pzedziale (0 00)μA (dy nie a wyou dotycząceo paaetów szuowych uładu pąd oletoa dobieay z zaesu ( 5)A)). Natoiast napięcie oleto eite CEQ powinno pzybieać watości z pzedziału (-5)V. Załaday wstępnie 00μA, CEQ 5V. Dalszą część obliczeń pzepowadziy ozystając ze scheatu ziennopądoweo wzacniacza w tóy tanzysto zastąpiono jeo odele ałosynałowy hybyd π (ys..). ys... Scheat ziennopądowy wzacniacza Wzocnienie napięciowe uładu OE wyaża się zależnością: ( ) ce (.) L

13 Jeżeli posiaday doładne dane ataloowe tanzystoa użyteo we wzacniaczu to dla daneo pądu oletoa w puncie pacy znajdujey paaety odelu hybyd π (w nstucji do Ćwiczenia laboatoyjneo dane te są zawate w dołączonej tabeli). Jeżeli jedna znay jedynie paaety podstawowe tanzystoa, ja w ozwiązywany zadaniu, ożey sozystać z zależności uposzczonych i wyznaczyć pzybliżone watości eleentów odelu ałosynałoweo tanzystoa: β 0ϕ T V b ' e 5Ω 0.A (.) 0.A. 77S (.) ϕ 6.5V T Y 00V MΩ 0.A ce (.4) dzie: φ T jest to potencjał teiczny złącza ówny w tepeatuze poojowej 6.5V, Y jest to napięcie Ealy eo ówne 00V dla tanzystoów NPN lub 60V dla tanzystoów typu PNP. Nie zaznaczoną na ys.. pojeność c b e wyznaczay pzeształcając ównanie: T (.5) π ( cb' e cb' c ) ta na podstawie podanych w teści zadania danych ataloowych tanzystoa BC57 : 56.6S cb' e cb' c 4.5 pf 0. 5pF π 50MHz T Wyznaczona watość jest oczywiście nieealna (pojeność nie oże pzyjować watości ujenych). jena watość pojwności wsazuje na to, że ożna pojeność c b e poinąć w dalszych obliczeniach. Mając obliczone paaety ałosynałowe tanzystoa ożey wyznaczyć, pzeształcając zależność (), watość ezystancji oletoowej :.77S ( Ω ) ( Ω ) ce L M Ω 5.6Ω (.5) V 0 V Pozostałe ezystoy wyznaczyy w opaciu o scheat stałopądowy pzedstawiony na ys... W celu zapewnienia dobej stabilności tepeatuowej puntu pacy spade napięcia na ezystoze eiteowy 4 powinien być iluotnie więszy od watości napięcia baza eite tanzystoa: 4 ( ) BEQ Kozystając z powyższeo wyznaczay watość napięcia 4 : 4 (.6)

14 0.65V. V (.7) 4 BEQ Następnie, ożna zapisać ównanie: ys... Scheat stałopądowy wzacniacza CC 0.A 5.6Ω CEQ 4 5V.V 6.86V CEQ 4 (.8) Noując watość napięcia zasilania do watości standatowych pzyjęto CC 5V, co spowoduje spade napięcia oleto eite do watości CEQ.4V. Watość ta ieści się nadal w zaesie napięć oleto eite dla wzacniaczy nisoszunych. Załadając, że, ożna wyznaczyć watość ezystoa 4 : EQ 4.V 4 Ω (.9) 0.A Watość pądu bazy tanzystoa BQ wyznaczay z zależności: 0.A 0.5 A. (.0) β 00 BQ µ 0 Dla zapewnienia dobej stabilności tepeatuowej puntu pacy załada się, że podział pądu na dzielniu bazowy wynosi:

15 Załadając, że 0 BQ wyznaczay: BQ (5 0) (.) 0 5 A (.) BQ µ Kozystając z pawa Kichoa ożey zapisać, że: Następnie wyznaczay watość ezystoa : 5.5 A (.) BQ BQ µ BEQ 4.95V 90Ω 5µ A (.4) ezysto wyznaczay ozystając z zależności: CC CC BEQ 4.05V Ω 560Ω 5.5µ A (.5) Teaz ożna wyznaczyć, ozystając ponownie z ys.., pozostałe paaety obocze uładu. ezystancja wejściowa wzacniacza dana jest zależnością: B b ' e Ω (.6) 4 ezystancja wyjściowa uładu jest ówna: ce 5. Ω (.7) WY 57 Współczynni wyozystania napięcia eneatoa wynosi: 4Ω γ (.8) 0.6Ω 4Ω Wzocnienie napięciowe suteczne uładu dane jest zależnością: V γ 9. V (.9) SK 86 Góną częstotliwość aniczną wzacniacza wyznaczyy ozystając ze scheatu ziennopądoweo uładu, pzy czy tanzysto został zastąpiony jeo pełny odele hybyd π (uwzlędniający pojeności c b e 0 i c b c, pzy bb 0). Scheat ten pzedstawiono na ys..4.

16 ys..4. Scheat wzacniacza z tanzystoe zastąpiony pełny odele hybyd π Kozystając z napięcioweo twiedzenia Millea uład pzeształcay do postaci pzedstawionej na ys..5. ys..5. Scheat zienno-synałowy wzacniacza po zastosowaniu twiedzenia Millea Wyznaczenie częstotliwości ónej wzacniacza spowadza się do wyznaczenia częstotliwości anicznej uładu pzedstawioneo na ys..6: ys..6. Scheat wzacniacza poocny w wyznaczaniu częstotliwości ónej uładu Pojeność wejściowa uładu dana jest zależnością (pzy c b e poijalnie ały): ( ) c 0 pf 49.5 pf 49. pf c cb' e b' c 5 (.0) Tansitancja napięciowa wzacniacza z ys..6 dana jest zależnością:

17 SK ( s) ( ) obc ce sc sc sc sc (.) dzie s jω j. Po pzeształceniach zależność (.) pzybiea postać: SK ( s) s c (.) Znalezienie ónej częstotliwości anicznej uładu polea na ozwiązaniu ównania: Ostatecznie częstotliwość aniczna wzacniacza wynosi: s c 0 (.) 0.6Ω 4 Ω 5. 4MHz c π 0.6Ω 49.5 pf (.4) Aby oaniczyć częstotliwość óną wzacniacza do 0Hz należy poiędzy bazę a oleto tanzystoa dołączyć dodatową pojeność C d. W odelu wzacniacza pzedstawiony na ys..4 pojeność ta dodaje się do pojeności c b c tanzystoa, pzez co ostateczny wzó na pojeność wejściową uładu c (ys..6) będzie wynosił: ( )( c C ) c cb' e b' c d (.5) Aby wyznaczyć watość pojeności C d, dla tóej óna częstotliwość wzacniacza będzie ówna 0 Hz, należy, uwzlędniając ównanie (.5), pzeształcić zależność (.4). ta pojeność C d dana będzie zależnością: 0.6Ω cb' e 0 pf Cd c 4 b' c Ω 4.5 pf.f. nf π 0Hz 0.6Ω ( ) Pojeności C, C i C ożna wyznaczyć znając watość częstotliwości dolnej d wzacniacza. Tansitancja napięciowa wzacniacza w zaesie ałych częstotliwości posiada tzy bieuny s, s i s. Załadając, że bieuny te są niezależne wzlęde siebie częstotliwość dolną wzacniacza ożna wyznaczyć z zależności: d (.6)

18 dzie częstotliwości, i są związane ze wsponianyi bieunai zależnością sn n, n,,. Watości poszczeólnych częstotliowści są uncjai pojeności C, C i C. C C WY L ( β 0 ) 4 ( ) ( ) C 4 B b' e (.7) (.8) (.9) Aby uzysać dobą stabilność wzacniacza w zaesie dolnych częstotliwości należy odpowiednio ozieścić bieuny na osi częstotliwości (odsepaować). Zazwyczaj załada się, że bieun wywołany pojenością eiteową C jest bieune doinujący (ający najwięszy wpływ na watość częstotliwości anicznej), natoiast pozostałe bieuny są dużo niejsze od nieo: > > > (.0) ta na pzyład ożna założyć następujące elacje poiędzy poszczeólnyi częstotliwościai:,. Wtedy zależność (.6) pzybieze postać: 0 5 d Po pzeształceniu otzyujey: d 9.86Hz (.).007 Pozostałe częstotliwości pzyjują watości:.986hz,. 4Hz. Po pzeształceniu zależności (.7) (.9) ożey wyznaczyć watości pojeności C C : C.8µ F.µ F (.) ( ) C.µ F 5µ F (.) ( WY L )

19 ( β 0 ) 4 B b ' e C 0.6µ F 4 µ F (.4) Ostatnią zeczą do wyznaczenia jest oeślenie asyalnej nieznieształconej aplitudy napięcia wyjścioweo wzacniacza. Do obliczeń poocny będzie ys..7. Masyalna aplituda napięcia wyjścioweo jest oaniczona pzez dwa zjawisa: nasycenia i odcięcia tanzystoa. Nasycenie tanzystoa występuje wtedy dy napięcie CE < Cesat. Wynia stąd waune na asyalną aplitudę napięcia wyjścioweo: u.4v 0.5V. V (.5) WY ax 89 CEQ CEsat ys..7. Chaateystyi wyjściowe tanzystoa z naniesiony punte pacy i zianai napięcia CE i pądu C Natoiast odcięcie tanzystoa następuje wtedy dy C 0. Dzieje się ta wtedy, dy aplituda pądu wyjścioweo i WY jest więsza od watości pądu oletoa tanzystoa w puncie pacy. Czyli asyalna, nieznieształcona aplituda pądu wyjścioweo wzacniacza dana jest wyażenie i WY ax.

20 ys..8. Scheat ziennopądowy wzacniacza: a) uwzlędniający wszystie eleenty, b) uposzczony popzez uwzlędnienie połączenia ównolełeo ezystancji Kozystając z pawa Oha ożna zapisać, że (ys..8): u WY iwy obc (.6) Wtedy: ( ) 0.A.669Ω 0. V uwy ax iwy ax 66 (.7) obc obc Otzyaliśy dwie watości oeślające asyalną aplitudę napięcia wyjścioweo wzacniacza: - pzeoczenie tóej powoduje nasycenie tanzystoa -.89V - pzeoczenie tóej powoduje odcięcie tanzystoa V. Poszuiwaną watością jest oczywiście niejsza z aplitud, czyli ostatecznie ożey napisać, że: uwy ax 0. 66V L