I. GRAFICZNE PRZEDSTAWIENIE PUNKTU PRACY.

Transkrypt

1 . GAFZN PZDAWN PNK PAY. Na rys. 1 przedstawono wzmacnacz w konfracj wspólneo emtera oraz jeo schemat stałoprądowy zmennoprądowy. a) b) rys. 1. Wzmacnacz w konfracj jeo schemat stałoprądowy (a) oraz zmennoprądowy (b). Pojemnośc sprzęające 1, oraz pojemność blokjąca zostały tak dobrane, Ŝe dla częstotlwośc synałów wzmacnanych przez kład ch mpedancje są blske zer. W kładze występją wartośc chwlowe napęć prądów: + (1) Q Q c + () ce

2 ą one sperpozycją składowych stałych Q, Q składowych zmennych c, ce. kładowe stałe prąd napęca są zwązane zaleŝnoścą: + Q( ) Q (3) Jest to równane statycznej prostej pracy w pol charakterystyk wyjścowych ( ) tranzystora (rys. a). rys.. tatyczna (a) dynamczna (b) prosta pracy w pol charakterystyk wyjścowych ( ) tranzystora. Pnkt pracy Q leŝy w przecęc statycznej prostej pracy z charakterystyką wyjścową tranzystora określoną prądem bazy BQ : BQ 1 + BQ + BQ ( β + 1)( 1 + ) (4) + 1 Zwązek pomędzy składową zmenną prąd kolektora napęca kolektor-emter przedstawa zaleŝność opsjącą schemat z rys. 1b. c ce (5) + 1 Na podstawe zaleŝnośc (1), (), (5) otrzymjemy Q + Q + (6) Jest to równane dynamcznej prostej pracy w pol charakterystyk wyjścowych ( ) tranzystora (rys. b). Dynamczna prosta pracy przechodz przez pnkt pracy Q. hwlowy pnkt pracy, który jest wyznaczony chwlowym wartoścam prąd napęca porsza sę po dynamcznej prostej pracy w takt zman synał wejścoweo powodjąceo zmanę prąd bazy B oraz napęca baza-emter B. Zatem chwlowa wartość prąd kolektora moŝe maksymalne wzrosnąć do wartośc (pomjając dla proszczena obszar nasycena tranzystora)

3 Q Q + (7) + max ( 0) 1 oraz zmaleć do wartośc (pomjając dla proszczena obszar zatkana tranzystora) 0 mn (8) hwlowa wartość potencjał kolektora jest sperpozycją składowej stałej (rys. 1a) (9) Q składowej zmennej (rys. 1b) c c (10) + (11) c Korzystając z zaleŝnośc (11), (9), (10), (1) otrzymjemy wartość chwlową potencjał kolektora w fnkcj wartośc chwlowej prąd kolektora + (1) Q Q Wartość chwlowa potencjał kolektora moŝe osąnąć wartość maksymalną ) + max ( mn Q Q (13) analoczne mnmalną mn ( max ) Q Q (14) + 1 Przebe potencjał kolektora dla wzmacnacza pracjąceo w pnkce pracy Q (rys. ) dobranym blŝej stan zatkana w pełn wysterowaneo przebeem snsodalnym tak, aby ne występowały znekształcena przedstawono na rys. 3. rys. 3. Przebe potencjał kolektora z jeo oranczenam

4 Maksymalna ampltda przebe neznekształconeo potencjał kolektora c, a zatem napęca wyjścoweo wy (napęce wyjścowe jest równe potencjałow kolektora pozbawonem przez kondensator składowej stałej) jest mnejszą z wartośc: c wy mn{ Q, Q } (15) + 1 Zatem pnkt pracy jest dobrany optymalne, dy Q Q (16) + 1 czyl, dy leŝy on w połowe dynamcznej prostej pracy (rys. ). Prąd kolektora optymalneo pnkt pracy wyznaczony zaleŝnośc (3) (16) wynos: Qopt (17) Wtedy maksymalną ampltdę przebe neznekształconeo potencjał kolektora c opt napęca wyjścoweo wy opt określa zaleŝność: copt wy opt (18) kstremalne wartośc chwlowe potencjał kolektora mn, max moŝna wyznaczyć nną metodą analzjąc kład wzmacnacza przedstawony na rys. 4. Na rys. 4a zaznaczono wartośc napęć stałych na pojemnoścach,. ysnk 4b 4c przestawają kład z rys. 4a, w którym zodne z zasadą kompensacj (w sec skponej o jednoznaczne określonych prądach napęcach, w której na wyróŝnonym dwójnk występje napęce oraz prąd, dowolne napęca prądy ne leną zmane, jeśl wyróŝnony dwójnk zastąpmy dealnym źródłem napęcowym kompensjącym o sle elektromotorycznej e albo dealnym źródłem prądowym kompensjącym o wydajnośc j.) kondensatory zastąpmy dealnym źródłam napęca. kład z rys. 4b pozwala wyznaczyć maksymalną wartość chwlową potencjał kolektora (tranzystor zatkany w najwększym przyblŝen stanow rozwarce) + ( ) max Q (19) + + MoŜna wykazać, Ŝe zaleŝność (19) jest równowaŝna zaleŝnośc (13). Analoczne rozwaŝając rys. 4c moŝna wyznaczyć mn (tranzystor nasycony w najwększym przyblŝen stanow zwarce) 1 mn ( Q ) + Q (0)

5 ZaleŜność (0) jest równowaŝna zaleŝnośc (14). W analoczny sposób moŝna rozwaŝyć wzmacnacz w konfracj B. a) b) c) rys. 4. kłady do wyznaczana ekstremalnych wartośc potencjał kolektora.

6 . BLZAN WZMANAZA Z ZAPWNNM KŚLNG PNK PAY ANZYA. 1) Wyznaczane rezystorów, kładowe stałe prąd kolektora Q napęca kolektor-emter Q są zwązane zaleŝnoścą (statyczna prosta pracy): ( + ) + Q Q Wykorzystjąc praktyczną zaleŝność: 0, 1 pozwalającą osąnąć dobrą stablzację pnkt pracy jednocześne stosnkowo dŝą ampltdę synał wyjścoweo neznekształconeo otrzymjemy: 1,1 Q Q

7 ) Wyznaczane rezystorów 1, Potencjał bazy wynos: + + B Q B Zakładając, Ŝe wystarczającym warnkem sztywnośc dzelnka zaslająceo bazę jest 10-krotne wększy prąd dzelnka od prąd bazy BQ otrzymjemy zaleŝnośc pozwalające wyznaczyć 1, : B BB Q B BB 10 BQ 10 β0 β0 10Q BB1 BB Q BB1 11 BQ β0 β0 11 Q B 3) Wyznaczane nezbędnych parametrów małosynałowych. Q Q transkondktancja tranzystora m, 6mV β0 rezystancja rb ' e m 1 rb ' e rezystancja wejścowa wzmacnacza b 1 rb ' e 1 + 1rb ' e + r rezystancja obcąŝena tranzystora L + b skteczne wzmocnene napęcowe kso ml + zadana rezystancja eneratora G W b b' e + + ( G rezystor dołączany zewnętrzne, 00Ω - rezystancja wyjścowa eneratora synał G1, W 51Ω rezystancja rezystora przecwwzbdzenoweo w kładze). JeŜel wartość wzmocnena ne zadza sę z wartoścą zadaną, cykl oblczeń naleŝy powtórzyć rozsądne zmenając proporcje pomędzy prądem dzelnka 1, a prądem bazy (zwracając jednakŝe waę, aby rezystancja wejścowa wzmacnacza oranczona była łówne przez rezystancję r b e, tzn. aby rezystory 1, znaczne jej ne zmnejszały). Jeśl mmo teo ne osąnęto poŝądaneo rezltat naleŝy rozsądne zmenć warnek 0, 1, a przedtem sprawdzć oblczena.

8 . BLZAN WZMANAZA MAKYMALNJ AMPLDZ NZNKZAŁNG YGNAŁ WYJŚWG KŚLNYM WZMNN. 1) Dobór pnkt pracy moŝlwająceo zyskane maksymalnej ampltdy neznekształconeo synał wyjścoweo. Korzystając z rozwaŝań jętych w rafcznym przedstawen pnkt pracy adaptjąc je do ponŝszeo kład otrzymjemy kolejno zaleŝnośc: a) b) Q + c (1) Q + ce () ( + ) + (3) Q Q

9 + + + ( + 1) + c 1 BB 1 BB BQ 1 BQ BQ β (4) ce + Q + Q (6) + Q max ( 0) Q (7) (5) mn 0 (8) Q (9) c c (10) + (11) c Q + Q (1) + max ( mn ) Q Q (13) mn ( max ) Q Q (14) { }, c wy mn Q Q (15) Q Q (16) Qopt c opt + + (17) wy opt ) ( (18) + +

10 ZaleŜność (17) określa optymalną, pod wzlędem welkośc ampltdy neznekształconeo synał wyjścoweo, wartość prąd kolektora. ) Zapewnene wymaaneo wzmocnena skteczneo. Napęcowe wzmocnene skteczne badaneo kład wynos: k s b + b m ZałóŜmy, Ŝe rezystory dzelnka polaryzjąceo bazę 1, mają znkomy wpływ na rezystancję wejścową: b 1 rb ' e r b' e Wtedy wzmocnene określa zaleŝność: k s r β b' e m 0 rb' e + r b' e + 6mV r b' e β0 Q tąd k s β 0 6 mv β 0 + Q waa: rezystory 1, powodją zmnejszene skteczneo wzmocnena napęcoweo. Aby to wzlędnć moŝemy wymaaną wartość wzmocnena zwększyć np. o 10%. 3) blczane rezystorów,, współrzędnych pnkt pracy Q, Q oraz maksymalnej ampltdy napęca wyjścoweo wy opt. Korzystając z wcześnej wyprowadzonych zaleŝnośc określających Q opt (17), k s oraz z praktycznej zaleŝnośc 0,1 z kład równań: Q P + (17) + k s β 6 mv β + 0,1 QP

11 moŝemy wyznaczyć po pracochłonnych oblczenach dla zadanych zaslających, Q P,.,, β, k s napęć k β s k β s 11, 0, 06V β 0, 06V β ( 11, ( + + ) + ) + ( ) k β s 0, 06V β ( 11, ( + ( ) ) + ) + ( )( + ) 0, 06V β 11, k s + 0, 06V β 1, k s + ( )k s + ( + β ( )k s + ) 0 0, 06V β 11, k + [ 0, 06V β 1, k + ( )k + β ( s s s + ( )k s 0 )] + ozwązjąc powyŝsze równane np. dla następjących danych : 15 V -15 V 3,55 k 0 10 k β 0 40 k s -110*1,1 (zodne z poprzedną waą) korzystając z zaleŝnośc (17) otrzymjemy rozwązana : ( 3,17 k,,41 k, Q opt 5,09mA, Q 1,3V) oraz ( 48,9 k, 8,3 k, Q opt 0,48mA, Q 4,0V). Zatem stneją dwa take pnkty pracy, dla których jest spełnona zaleŝność (16). Jako optymalny pnkt pracy naleŝy znać ten, dla któreo zodne z zaleŝnoścą (18) maksymalna ampltda neznekształconeo napęca wyjścoweo jest wększa czyl dla rozwaŝanych danych Q opt 5,09mA. Wtedy wy opt 1,3 V. NaleŜy zastanowć sę czy oblczona wartość prąd kolektora ne spowodje wydzelana sę zbyt dŝej mocy strat w tranzystorze (P t ).

12 4) blczane rezystorów 1, ezystory 1, moŝna wyznaczyć w alorytm przedstawoneo przy oblczan wzmacnacza z zapewnenem określoneo pnkt pracy tranzystora. + + P B Q BQ 1 β 11 BB1 Q P B β 10 Q P B BB Dla rozwaŝaneo przykład: BB1 15 V, BB -15 V, BQ 0,7 V, 0,1 0,317 k trzymjemy: B -1,69 V k 10,9 k 5) prawdzene wartośc napęcoweo wzmocnena skteczneo. blczena wzmocnena naleŝy przeprowadzć w alorytm przedstawoneo przy oblczan wzmacnacza z zapewnenem określoneo pnkt pracy tranzystora. ranczając sę do naszeo przykład otrzymjemy: m 0,196 r b e 1,3 k b 1,095 k,41 k k s -111

13 V. GAFZN PZDAWN PNK PAY WÓNKA ŹÓDŁWG Z ANZYM M Z KANAŁM WZBGAANYM YP N Na rys.1 przedstawono wzmacnacz w konfracj wspólneo dren oraz jeo schemat stałoprądowy zmenno prądowy. a) + DD b) GQ Q - ys.1. Wzmacnacz w konfracj D jeo schemat stałoprądowy (a) oraz zmennoprądowy (b) Pojemność sprzęająca została tak dobrana, Ŝe dla częstotlwośc synałów wzmacnanych przez kład jej mpedancja jest blska zer. W kładze występją wartośc chwlowe napęć prądów: + D d + D ds (1) () ą one sperpozycją składowych stałych, składowych zmennych d, ds. kładowe stałe prąd napęca są zwązane zaleŝnoścą: + + (3) DD

14 Jest to równane statycznej prostej pracy w pol charakterystyk wyjścowych D ( D ) tranzystora (rys.a). ys.. tatyczna (a) dynamczna (b) prosta pracy w pol charakterystyk D ( D ) tranzystora. Pnkt pracy Q leŝy w przecęc statycznej prostej pracy z charakterystyką wyjścową tranzystora określoną napęcem bramka-źródło GQ : + (4) GQ Zwązek pomędzy składową zmenną prąd dren napęca dren-źródło przedstawa zaleŝność (5) opsjąca schemat z rys.1b. d ds (5) Na postawe zaleŝnośc (1), (), (5) otrzymjemy: (6) D D + + Jest to równane dynamcznej prostej pracy w pol charakterystyk wyjścowych D ( D ) tranzystora (rys.b). Dynamczna prosta pracy przechodz przez pnkt pracy Q. hwlowy pnkt pracy, który jest wyznaczony chwlowym wartoścam prąd napęca porsza sę po dynamcznej prostej pracy w takt zman synał wejścoweo powodjąceo zmanę napęca bramka-źródło G. Zatem chwlowa wartość prąd dren D moŝe maksymalne wzrosnąć (zakładając, Ŝe tranzystor pracje tylko w obszarze nasycena) do wartośc oraz zmaleć do wartośc ( ) (7) D max DP D DP

15 D mn 0 (8) hwlowa wartość potencjał źródła jest sperpozycją składowej stałej (rys.1a) + (9) składowej zmennej (rys.1b) s (10) d + s (11) Korzystając z zaleŝnośc (11), (9), (10), (1) otrzymjemy wartość chwlową potencjał źródła w fnkcj wartośc chwlowej prąd dren D + + (1) D Wartość chwlowa potencjał źródła moŝe osąnąć wartość maksymalną ) + + max ( D max ) ( D DP DP (13) analoczne mnmalną ) + mn ( D mn ) ( D 0 (14) Przebe potencjał źródła dla wzmacnacza pracjąceo w pnkce pracy Q (rys.) w pełn wysterowaneo przebeem snsodalnym tak, aby ne wystąpły znekształcena, przedstawono na rys.3. ys.3. Przebe potencjał źródła z jeo oranczenam Maksymalna ampltda przebe neznekształconeo potencjał źródła s, a zatem napęca wyjścoweo wy (napęce wyjścowe jest równe potencjałow źródła pozbawonem przez kondensator składowej stałej) jest równa (15) s wy

16 Wynka to z analzy wzajemneo połoŝena pnktów P Q. ównane charakterystyk tranzystora w obszarze nasycena dane jest zaleŝnoścą D K' W L ( G ) (16) K' W tałą moŝna wyznaczyć znając wartość prąd dren dla napęca bramka-źródło L równeo. K' W D ( G ) D ( ) (17) L zatem G D D ( ) 1 (18) Pnkt P leŝy na parabol D rozranczającej obszary nasycena lnowy G DP DP D( ) (19) Pnkt P spełna takŝe równane dynamcznej prostej pracy. (0) DP DP + + Korzystając z tych zaleŝnośc [(19), (0)] moŝna pokazać, Ŝe spełnona jest nerówność DP < (1)

17 1) blczene rezystancj rozpatrywaneo wtórnka źródłoweo zapewnającej zyskane zadanej ampltdy synał wyjścoweo wy. Korzystając z zaleŝnośc (4) (18) otrzymjemy równane pozwalające oblczyć napęce GQ. GQ GQ + D ( ) 1 () tąd GQ ( ) 4D D ( ) (3) Korzystając z zaleŝnośc (18) (3) oblczamy prąd. GQ D ( ) 1 Na podstawe zaleŝnośc (15) ampltda synał wyjścoweo wynos 4 D ( ) D ( ) D ( ) s wy (4) (5) Gdy spełnona jest nerówność ( ) D (6) zaleŝnośc (4) (5) moŝna przyblŝyć do następjącej postac ( ) s wy + (7) (8) Z zaleŝnośc (8) oblczamy rezystancję 1 (9) wy zapewnającą zyskane zadanej ampltdy synał wyjścoweo. Po oblczen rezystancj naleŝy sprawdzć czy spełnona jest nerówność (6). W raze jej nespełnena oblczena naleŝy powtórzyć w oparc o wzory neprzyblŝone.

18 ) Dolna częstotlwość ranczna wzmocnena napęcoweo k skteczneo wzmocnena napęcoweo k s. Dolną częstotlwość ranczną badaneo wtórnka wyznaczamy korzystając ze schemat zastępczeo przedstawoneo na rys.4. ys.4. chemat zastępczy wtórnka źródłoweo w zakrese m. cz. Korzystając z metody rozwarcowych stałych czas 1 1 ω d m ds m (30) 3) Górna częstotlwość ranczna skteczneo wzmocnena napęcoweo k s. Górną częstotlwość ranczną wzmocnena k s moŝna wyznaczyć posłjąc sę schematem zastępczym badaneo wtórnka pokazanym na rys.5. ys.5. chemat zastępczy badaneo wtórnka źródłoweo do wyznaczana k s (jω) chemat ten opsją następjące zaleŝnośc jω + G s s m s wy ( )( ω ) G j jω wy s G d s s s wy (31) (3)

19 k tąd + jω m s s GG m G ds j GG G s m G d { } ( + 1)( + ) ω + ω ( + ) ( + ) (33) Gdy pomędzy elementam kład spełnone są zaleŝnośc, G 1 1 1, ω ω d s m 1 m (34) (35) ZaleŜność opsjącą k s moŝna przyblŝyć do następjącej postac: k s G 1 j + ω G 1+ ω 1 ω s s ( ) d G (36) (37) Górną plsacją ranczną moŝna było wyznaczyć szybcej korzystając z metody rozwarcowych stałych czas. ezystancja G jest rezystancją wdzaną z zacsków pojemnośc d. Pojemność s wprowadza do transmtancj zero. JednakŜe wpływ teo zera pojawa sę dla dŝo wyŝszych częstotlwośc jak wpływ bena wprowadzaneo przez pojemność. d Z tej racj, Ŝe obe rezystancje ma stosnkowo małą wartość. G są stosnkowo dŝe órna częstotlwość ranczna ω s 4) Górna częstotlwość ranczna wzmocnena napęcoweo k PonewaŜ pojemność d ne wpływa na wzmocnene napęcowe k, a pojemność s wprowadza do transmtancj kład zero, węc aby określć órną częstotlwość ranczną schemat zastępczy naleŝy zpełnć o pojemność. Wzmocnene napęcowe k moŝna zyskać poprzez modyfkację zaleŝnośc opsjącej k s przyjmjąc w nej 0 oraz zamast G wpsjąc G + jω. Wtedy otrzymjemy ds ds k m + jω s ( ) + G + jω + m s ds (38)

20 Korzystając z poprzedneo przyblŝena tąd k k 1 m G m + jωs + jω + ( ) m s ds s 1+ jω m s + 1+ jω m ds (39) (40) (41) ω m ( ) s + ds s (4) Górna częstotlwość ranczna k badaneo kład jest dŝo wększa od órnej częstotlwośc rancznej wzmocnena skteczneo k s.