amplificatoare de semnal mic cu tran zistoare partea i – amplificatoare cu tranzistoare bipolare

Amplificatoare de semnal mic cu tranzistoare

Partea I – Amplificatoare cu tranzistoare bipolare

Partea II – Amplificatoare cu tranzistoare MOS

Analiza etajelor de amplificare cu tranzistoare consta in următoarele:

• ANALIZA CIRCUITULUI ÎN REGIM DE CURENT CONTINUU ecuaţiile care determină Punctul Static de Funcţionare al

tranzistorului.

• ANALIZA CIRCUITULUI ÎN REGIM VARIABIL DE SEMNAL MIC în domeniul frecvenţelor medii rezistenţa de intrare în circuit Ri rezistenţa de ieşire din circuit Ro factorul de amplificare IDEAL (al amplificatorului izolat) factorul de amplificare in tensiune REAL (al amplificatorului

conectat la circuitele externe)

I. Amplificatoare de semnal mic cu tranzistoare bipolare

Tipuri de amplificatoare cu tranzistoare bipolare:

• etaj de amplificare în conexiunea EMITOR COMUN:– Varianta cu condensator in emitor

– Varianta fara condensator in emitor

• etaj de amplificare în conexiunea COLECTOR COMUN• etaj de amplificare în conexiunea BAZĂ COMUNĂ

Schemele electronice ale amplificatoarelor cu TB conectate la circuitele externe

Emitor comun cu condensator in emitor Emitor comun fara condensator in emitor

Colector comun Baza comuna

1. Etaj de amplificare cu tranzistor bipolar (TB) în

conexiunea Emitor Comun (EC) – varianta cu condensator in emitor

semnalul de intrare si de iesire au ca borna comuna emitorul

RB RC

RE CE

Q iI(t)

iO(t)

vI(t)

vO(t)

Schema electrica a etajului de amplificare cu TB în conexiunea EC cu condensator in emitor

borne intrare

borne iesire

borne alimentare

1. Bornele de alimentare: se aplică sursa de tensiune continuă, necesară furnizării energiei electrice circuitului

2. Bornele de intrare: se aplică semnalul de intrare = informaţia

3. Bornele de ieşire: se furnizează semnalul de ieşire = informaţia amplificată

RB RC

RE CE

Q iI(t)

iO(t)

vI(t)

vO(t)

Conectarea circuitelor externe la amplificator – pe aceasta schema electronica se scot in evidenta

pierderile de semnal si se calculeaza amplificarile reale

borne intrare

borne iesire

borne alimentare

+- VCC

Sursa de tensiune continuă

Generator semnal

CG

RL

CL

sarcina

Condensatoarele de cuplare au capacitati mari (mai mari decit 1uF)

A. Analiza funcţionării amplificatorului în regim de curent continuu.

Scop: calcularea PSF-ului tranzistorului şi verificarea regiunii de funcţionare atranzistorului bipolar; se reaminteşte că într-un circuit de amplificare, un tranzistor bipolar trebuie să funcţioneze în regiunea activă normală (RAN).

RB RC

RE CE

Q

Determinarea circuitului echivalent în curent continuu

+

- VCC


Generator semnal

CG

RL

CL

sarcina

Determinarea circuitului de polarizare: 1. se elimină (nu se mai desenează) RAMURILE care conţin condensatoare2. se pasivizează sursele INDEPENDENTE şi VARIABILE (adică, sursele de

tensiune se înlocuiesc cu un fir – scurtcircuit aplicat între cele 2 bornele ale sursei, iar sursele de curent se elimină = nu se mai desenează).

BE

BECCC RR

VVI

ECCCCCE RRIVV

VVVV CCCE 15,0

VCE

IC

B. Analiza funcţionării amplificatorului în regim variabil de semnal mic.

Scop:

calcularea parametrilor de semnal mic ai amplificatorului, care vor fi utilizaţi pentru modelarea acestuia, în scopul determinării amplificărilor reale, determinate în condiţiile în care amplificatorului i se conectează circuite externe

Determinarea circuitului echivalent în regim variabil de semnal mic:1. condensatoarele de capacităţi mari (mai mari decât aproximativ 1F) se înlocuiesc

cu un fir aplicat între armături2. se pasivizează sursele INDEPENDENTE şi CONTINUE (adică, sursele de tensiune

se înlocuiesc cu un fir – scurtcircuit aplicat între cele 2 bornele ale sursei, iar sursele de curent se elimină = nu se mai desenează).

3. tranzistorul se înlocuieşte cu circuitul echivalent de semnal mic, valabil pentru domeniul frecvenţelor medii.

RB RC

RE CE

iI(t)

iO(t)

vI(t)

vO(t)

+

- VCC


Generator semnal

CG

RL

CL

sarcina

Q rπ

Vbe

gmVbe

Determinarea circuitului echivalent în regim variabil de semnal mic

Circuitul echivalent al amplificatorului izolat, în regim variabil de semnal mic, în domeniul frecvenţelor medii.

Formulele de calcul pentru parametrii de semnal mic ai tranzistorului bipolar

V

mAIg Cm 40 k

gr

m

BE

BECCC RR

VVI

β

β

panta tranzistorului biploar: rezistenta baza-emitor in semnal mic:

Metoda de calcul a rezistenţei Ri de intrare a amplificatorului - metoda de calcul nu se cere pentru colocviu; se cere doar

formula finala de calcul a rezistentei

tBt IrRV rRB

t

ti I

VR

rRi

Circuitul de calcul

tt IrV

valoare mică/medie = kΩ

Metoda de calcul a rezistenţei Ro de ieşire a amplificatorului - metoda de calcul nu se cere pentru colocviu; se cere doar

formula finala de calcul a rezistentei

t

to I

VR

Co RR

Circuitul de calcul

tCt IRV

valoare medie = kΩ

Metoda de calcul a amplificarii în tensiune ideale - metoda de calcul nu se cere pentru colocviu; se cere doar formula finala de

calcul a amplificarii si relatia intre amplitudinile semnalelor

i

oV V

VA

CmV RgA

Circuitul de calcul

Cbemo RVgV

bei VV CmV RgA

iCmo VRgV

semnul “-” indică un defazaj de 1800 între vo şi vi

valoare mare

relatia intre amplitudini

0 2

Defazaju

l de 180

0

gmRCVi

Vi

-Vi

volti

vo(t) = tensiune de ieşire

vi(t) = tensiune de intrare

- gmRCVi

Formele de unda ale tensiunilor de intrare, respectiv de iesire ale amplificatorului

Metoda de calcul a amplificarii în curent ideale - metoda de calcul nu se cere pentru colocviu; se cere doar formula finala de

calcul a amplificarii si relatia intre amplitudinile semnalelor

i

oI I

IA

rgA mI

Circuitul de calcul

bembemC

Co VgVgR

RI

0

rR

VI

r

VII

rR

RI

B

bei

bebi

B

Bb

IA

io II

rRB

r

VI bei

semnul “+” indică un defazaj de 00 între io şi ii

valoare mare

relatia intre amplitudini

0 2

0

βIi

Ii

-Ii

amperi

io(t) = curent de ieşire

ii(t) = curent de intrare

- β Ii

Defazaj

de 00

Formele de unda ale curentilor de intrare, respectiv de iesire ai amplificatorului

Metoda de calculul a amplificarii reale in tensiune a amplificatorului cu TB in conexiunea EC

CmV RgA

LC

L

gCmVg RR

R

rR

rRgA

π

π

gg RZ

oL

L

gi

iVVg ZZ

Z

ZZ

ZAA

Amplificarea ideala in tensiune

Se utilizeaza formula generala a amplificarii reale in tensiune in care amplificarea ideala si impedantele se vor particulariza in functie structura si datele circuitului

rRZ ii Coo RRZ

Parametrii amplificatorului cu TB in conexiunea EC izolat:

LL RZ

Impedanţele circuitelor externe conectate la bornele amplificatorului cu TB in conexiunea EC

Amplificarea reala in tenisune a amplificatorului cu TB in conexiunea EC

LC

L

gCmVg RR

R

rR

rRgA

π

π

Criteriile de proiectare ale amplificatorului necesare pentru eliminarea pierderilor de tensiune la bornele de intrare/ieşire:

gRr LC RR

Eliminarea pierderilor de tensiune la bornele de semnal ale amplificatorului conectat la circuitele externe

Pierderile de tensiune la intrare

Pierderile de tensiune la iesire

Lo

o

ig

gIIg ZZ

Z

ZZ

ZAA

Metoda de calcul a amplificarii reale in curent a amplificatorului cu TB in conexiunea EC

IA

gg RZ

rRZ ii Coo RRZ

LL RZ

LC

C

g

gIg RR

R

rR

RA

Amplificarea ideala incurent

Parametrii amplificatorului cu TB in conexiunea EC izolat:

Impedanţele circuitelor externe conectate la bornele amplificatorului cu TB in conexiunea EC

Amplificarea reala in curent a amplificatorului cu TB in conexiunea EC

Se utilizeaza formula generala a amplificarii reale in curent in care amplificarea ideala si impedantele se vor particulariza in functie structura si datele circuitului

Condiţiile de proiectare care trebuie îndeplinite de amplificator pentru a nu exista pierderi de curent la bornele de intrare/ieşire:

gRr LC RR

LC

C

g

gIg RR

R

rR

RA

Eliminarea pierderilor de curent la bornele de semnal ale amplificatorului conectat la circuitele externe

Pierderile de curent la intrare

Pierderile de curent la iesireVAVA

Exemplul 1: se consideră amplificatorul cu TB din figura de mai jos, în care: VCC=10V, VBE=0.6V, =100, RB=910kΩ, RE=330Ω, RC=4.7kΩ, CG=CE=CL=100uF.

Se cer: PSF-ul tranzistorului, determinarea valorilor parametrilor de semnal mic Ri, Ro şi Av şi estimarea pierderilor de tensiune în cazul în care la intrarea amplificatorului se conectează un generator de semnal a cărui rezistenţă internă este 600Ω, iar la ieşire o rezistenţă de sarcină de 1kΩ.

RB RC

RE CE

Q iI(t)

iO(t)

vI(t)

vO(t)

borne intrare

borne iesire

borne alimentare

+

- VCC

RL

CL

CG Rg

+

- vG(t)

1. Calcul PSF: BE

BECCC RR

VVI

ECCCCCE RRIVV

VVVV CCCE 15,0

mA

k

V

kk.

V.IC 1

943

940

910330100

6010100

VV.Vk.k.mAVVCE 50351033074110

2. Verificarea funcţionării tranzistorului în RAN:

ADEVARATVVVVV, 9110550

3. Calcularea parametrilor de semnal mic ai tranzistorului bipolar:

V

mAIg Cm 40

kg

rm

βπ

V

mA

V

mAgm 40140

k.kr 5240

100π

4. Determinarea parametrilor de semnal mic ai amplificatorului

5. Amplificatorul cu TB poate fi echivalat cu modelul amplificatorului de tensiune:

Co RR

rRi

CmV RgA

k.Ri 52

k.Ro 74

1887440

k.V

mAAV

6. Calcularea amplificării reale în tensiune şi estimarea pierderilor de tensiune la bornele amplificatorului

Lo

L

ig

iVVg RR

R

RR

RAA

kk

k

kk

kAVg 17.4

1

5.26.0

5.2188

175.08.0188 VgA

Pierderile de tensiune la intrare

Pierderile de tensiune la iesire

32.26VgA

BE

BECCC RR

VVI

ECCCCCE RRIVV

Punctul static de funcţionare

rRi

CmV RgA

Co RR

Parametrii de semnal mic ai amplificatorului

valoare mica = maxim kΩ

valoare medie = kΩ

amplificare mare; defazaj 1800

IA amplificare mare; defazaj 00

Schema electrica si formulele de calcul ale etajului de amplificare cu TB în conexiunea EC cu condensator in emitor

2. Etaj de amplificare cu tranzistor bipolar în

conexiunea Emitor Comun

varianta fara condensator in emitor

Schema electrica si relatiile de calcul ale etajului de amplificare cu TB în conexiunea EC – varianta făra condensator in emitor

Ei RrR 1

E

CV R

RA

Co RR

BE

BECCC RR

VVI

ECCCCCE RRIVV



valoare medie = zeci kΩ

valoare medie = kΩ

amplificare mică; defazaj 1800

IA amplificare mare; defazaj 00

3. Etaj de amplificare cu tranzistor bipolar (TB) în conexiunea Colector

Comun (CC)

semnalul de intrare si de iesire au ca borna comuna colectorul

Ei RrR β1π

1

rRo

BE

BECCC RR

VVI

ECCCCE RIVV



valoare mare = sute kΩ

valoare mică = zeci Ωutilizat pentru adaptarea impedanţelor a două circuite conectate.

Schema electrica si relatiile de calcul ale etajului de amplificare cu TB în conexiunea CC

1VA

EB

BI RR

RA

1

1

nu amplifică in tensiune; defazaj 00

amplificare in curent mare; defazaj 1800

Schema electrica a amplificatorului cu TB în conexiunea CC conectat la circuitele externe – pe aceasta schema se calculeaza

amplificarea reala precum si pierderile de semnal

generator de tensiune: daca marimea electrica de intrare de interes este tensiunea

generator de curent: daca marimea electrica de intrare de interes este curentul electric

Exemplul 2: utilizarea amplificatorului cu TB în conexiunea CC ca buffer; buffer = etaj de adaptare a impedanţelor a două circuite

Se consideră în primul caz, 2 amplificatoare de tensiune conectate direct, caracterizate de parametri de semnal mic din figura de mai jos. Să se determine amplificarea reală de tensiune. Se consideră un al doilea caz, în care, cele 2 amplificatoare sunt conectate prin intermediul unui “repetor pe emitor”. Să se determine amplificarea reală de tensiune.

Se considera Rg=50Ω, iar RL=100kΩ iar datele pentru amplificatoare sunt:

Amplificatoarele 1 şi 2 sunt amplificatoare cu TB in conexiunea EC care au urmatoarele date: VCC=10V, VBE=0.6V, =100, RB=910kΩ, RE=330Ω, RC=4.7kΩ. (datele din problema precedenta).

Amplificatorul cu TB in conexiunea CC: VCC=10V, VBE=0.6V, =100, RB=910kΩ, RE=3.3kΩ.

g

i

i

o

o

o

g

oVG v

v

v

v

v

v

v

vA 1

1

1

1

22

Primul raport din relaţia de mai sus se determină observând că RL şi Ro2 formează un divizor de tensiune pentru tensiunea Av2Vi2= Av2Vo1 (Vi2 = Vo1), generată de generatorul de tensiune comandat în tensiune a celui de-al 2lea amplificator liniar:

221

2

122

2

VoL

L

o

o

oVoL

Lo

ARR

R

v

v

vARR

Rv

Al 2lea raport din relaţia de mai sus se determină observând că Ri2 şi Ro1 formează un divizor de de tensiune pentru tensiunea Av1Vi1, generată de generatorul de tensiune comandat în tensiune a primului amplificator liniar:

112

2

1

1

1112

21

Voi

i

i

o

iVoi

io

ARR

R

v

v

vARR

Rv

Al 3lea raport din relaţia de mai sus se determină observând că Ri1 şi Rg formează un divizor de tensiune pentru tensiunea vg, generată de generatorul de tensiune sinusoidala aplicat la intrarea circuitului:

gi

i

g

i

ggi

ii

RR

R

v

v

vRR

Rv

1

11

1

11

212

2

1

121

2

oL

L

oi

i

gi

iVV

g

oVG RR

R

RR

R

RR

RAA

v

vA

k.k

k

k.k.

k.

k.k.

k.AVG 74100

100

7452

52

05052

52188188

95035098035344 ...AVG Pierderile tensiune la intrare

Pierderile tensiune la conectarea

celor 2 amplificatoare

Pierderile tensiune la iesire

11517VGA

Folosind relatiile obtine in slide-ul precedent, se determina amplificarea reala in tensiune

Se utilizeaza rezultatele numerice obtinute in problema precedenta

1. Calcul PSF: BE

BECCC RR

VVI

ECCCCE RIVV

mA

k

V

kk

VIC 75,0

943

940

9103,3100

6.010100

VVVkmAVVCE 525,7475,2103,375,010

2. Calcularea parametrilor de semnal mic ai tranzistorului bipolar:

V

mAIg Cm 40

kg

rm

βπ

V

mA

V

mAgm 3075,040

kkr 3,330

100

3. Determinarea parametrilor de semnal mic ai amplificatorului cu TB in conexiunea CC

Ei RrR β1π

1VA

1

rRo

kkkRi 3373,31013,3

1VA

32101

33 k.Ro

Determinarea parametrilor de semnal mic amplificatorul cu TB in conexiunea CC

g

i

i

o

o

or

or

o

g

oVG v

v

v

v

v

v

v

v

v

vA 1

1

1

1

22

Fiecare bloc scos in evidenta reprezintă un divizor de tensiune:

22

2

22

2

VoL

L

or

o

orVoL

Lo

ARR

R

v

v

vARR

Rv

ori

i

o

or

oori

ior

RR

R

v

v

vRR

Rv

2

2

1

12

2 1

gi

i

g

i

ggi

ii

RR

R

v

v

vRR

Rv

1

11

1

11

111

1

111

1

Voir

ir

i

o

iVoir

iro

ARR

R

v

v

vARR

Rv

22

2

11

121

2

oL

L

ori

i

oir

ir

gi

iVV

g

oVG RR

R

RR

R

RR

R

RR

RAA

v

vA

k.k

k

k.

k.

k.k

k

k.k.

k.AVG 74100

100

3252

52

74337

337

05052

52188188

95099098098035344 ....AVG

31925VGA

Folosind relatiile obtine in slide-ul precedent, se determina amplificarea reala in tensiune

Se utilizeaza rezultatele numerice obtinute atit in problema precedenta cit si cele obtinute in calculul amplificatorului cu TB in conexiunea CC

Se observa ca prin introducerea amplificatorului cu TB in conexiunea CC intre cele 2 amplificatoare cu TB in conexiunea EC, amplificarea reala in tensiune a crescut de la

11517 la 31925

4. Etaj de amplificare cu tranzistor bipolar (TB) în conexiunea Baza

Comuna (BC)

semnalul de intrare si de iesire au ca borna comuna baza

Schema electrica si relatiile de calcul ale etajului de amplificare cu TB în conexiunea BC

Co RR

BE

BECCC RR

VVI

β

β

ECCCCCE RRIVV

β1π

r

Ri CmV RgA

1IA


Parametrii de semnal mic ai amplificatorului:

valoare mică = zeci Ω

valoare medie = kΩ

amplificare mare defazaj 00

nu amplifică; defazaj 1800

Schema electrica a amplificatorului cu TB în conexiunea BC conectat la circuitele externe – pe aceasta schema se calculeaza


Partea II – Amplificatoare cu tranzistoare MOS

Tipuri de amplificatoare de semnal mic cu tranzistoare MOS

• etaj de amplificare în conexiunea SURSĂ COMUNĂ– cu condensator in sursa

– fara condensator in sursa

• etaj de amplificare în conexiunea DRENĂ COMUNĂ• etaj de amplificare în conexiunea GRILĂ COMUNĂ

Schemele electronice ale amplificatoarelor cu MOS conectate la circuitele externe

Sursa comuna cu condensator in sursa

Drena comuna Grila comuna

Sursa comuna fara condensator in sursa

5. Amplificator cu tranzistor MOS in conexiunea Sursa Comuna (SC) cu condensator in sursa

semnalul de intrare si de iesire au ca borna comuna sursa

Schema electrica si relatiile de calcul ale etajului de amplificare cu tranzistor MOS în conexiunea SC

2THGSD VVkI

SDDDDDS RRIVV

DDGG

GGG V

RR

RV

21

1

THGSDSTHGS VVVsiVV

21

21

GG

GGGGi RR

RRRundeRR

Do RR

DmV RgA Dm Ikg 2

GmI RgA




valoare medie = kΩ


0 GGSDGS VRIV ....I. D 2

THGS VV .....1

verificarea funcţionării MOS in reg. saturaţie

unde:


Schema electrica a amplificatorului cu MOS în conexiunea SC conectat la circuitele externe – pe aceasta schema se calculeaza


6. Amplificator cu tranzistor MOS in conexiunea Sursa Comuna (SC) fara condensator in sursa

semnalul de intrare si de iesire au ca borna comuna sursa

Schema electrica si relatiile de calcul ale etajului de amplificare cu tranzistor MOS în conexiunea SC fara condensator in sursa

21

21

GG

GGGGi RR

RRRundeRR

Do RR




valoare medie = kΩ

amplificare mică; defazaj 1800

identic ca pentru primul amplificator

S

DV R

RA

GmI RgA amplificare mare; defazaj 00

7. Amplificator cu tranzistor MOS in conexiunea Drena

Comuna (DC)

semnalul de intrare si de iesire au ca borna comuna drena

Schema electrica si calculelel etajului de amplificare cu tranzistor MOS în conexiunea DC

2THGSD VVkI

SDDDDS RIVV

DDGG

GGG V

RR

RV

21

1

THGSDSTHGS VVVsiVV

21

21

GG

GGGGi RR

RRRundeRR

1VA

Dm Ikg 2GmI RgA


Parametrii de semnal mic


valoare mică = zeci Ω




....V. GS 1


Sm

o

Rg

R1

1

Schema electrica a amplificatorului cu MOS în conexiunea DC conectat la circuitele externe – pe aceasta schema se calculeaza


8. Amplificator cu tranzistor MOS in conexiunea Grila

Comuna (GC)

semnalul de intrare si de iesire au ca borna comuna grila

Schema electrica si relatiile de calcul ale etajului de amplificare cu tranzistor MOS în conexiunea GC

2THGSD VVkI

SDDDDDS RRIVV

DDGG

GGG V

RR

RV

21

1

THGSDSTHGS VVVsiVV

Do RR

DmV RgA

Dm Ikg 2


Parametrii de semnal mic

valoare mică = zeci Ω valoare medie = kΩ




....V. GS 1


Sm

i

Rg

R1

1

Sm

mI

Rg

gA

1

Schema electrica a amplificatorului cu MOS în conexiunea GC conectat la circuitele externe – pe aceasta schema se calculeaza


Exemplul 3: se consideră amplificatorul cu tranzistor MOS din figura de mai jos, în care, parametrii tranzistorului MOS sunt: V

TH=1V, k=0.25mA/V2. Se cer: PSF-ul tranzistorului, determinarea valorilor

parametrilor de semnal mic Ri, Ro şi Av, Ai, factorul de amplificare de tensiune real, pentru cazul în care la intrarea amplificatorului se conectează un generator de semnal a cărui rezistenţă internă este 600Ω, iar la ieşire o rezistenţă de sarcină de 4kΩ. Să se deseneze formele de undă ale tensiunii de intrare vG şi de ieşire vO pentru cazul în care vG(t)=1xsin(t) [V]. Să se determine factorul de amplificare în curent real.

2THGSD VVkI

SDDDDDS RRIVV

DDGG

GGG V

RR

RV

21

1

THGSDS VVV


0 GGSDGS VRIV


VGG

VGS

ID

ID

VVkk

kVGG 510

5050

50

21250 GSD V.I

052 DGS IV

0521250222502250 2 .V.V.V GSGSGS 05450 2 .V. GS

VVVV GSGS 33 21 se alege soluţia VGS>VTHVVGS 3

22

13250 VVV

mA.ID

mAID 1

VDS

VVVkkmAVVDS 461024110

atvaradeVVV 134

21

21

GG

GGGGi RR

RRRundeRR

Do RR

DmV RgA

Dm Ikg 2

GmI RgA


kkk

kkRi 50

100100

100100

kRo 4

V

mAmA

V

mAgm 1125.02

2

441

kV

mAAV

50501

kV

mAAI

kRi 50 kRo 4 4VA 50IA

Calcularea amplificarii reale în tensiune

kRi 50 kRo 44VA

Lo

L

ig

iVVg RR

R

RR

RAA

kk

k

kk

kAVg 44

4

6,050

504

509904 ,,AVg 2VgA

0 2

Defazaju

l de 180

0

2

1

-1

volti

vo(t) = tensiune de ieşire

vG(t) = tensiune de intrare

- 2

Formele de undă ale tensiunii de intrare şi de ieşire

Calcularea amplificarii reale în curent

kRi 50 kRo 450IA

Lo

o

ig

gIIg RR

R

RR

RAA

kk

k

kk

kAIg 44

4

506,0

6,050

5,0012,050 IgA 3,0IgA

amplificatoare de semnal mic cu tran zistoare partea i – amplificatoare cu tranzistoare bipolare

Documents