Curs 08

Amplificatoare de semnal mic cu tranzistoare

Partea I – Amplificatoare cu tranzistoare bipolare

1. Amplificatoare de semnal mic cu tranzistoare bipolare

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

Pentru toate etajele de amplificare analizate se vor determina 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 în tensiune al amplificatorului izolat şi factorul de

amplificare real în tensiune al amplificatorului conectat la circuitele externe– factorul de amplificare ideal în curent al amplificatorului izolat şi factorul de

amplificare real în curent al amplificatorului conectat la circuitele externe

RB RC

RE CE

Q iI(t)

iO(t)

vI(t)

vO(t)

Etaj de amplificare cu tranzistor bipolar în conexiunea Emitor Comun

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

borne intrare

borne iesire

borne alimentare

+

- VCC

Sursa de tensiune continuă

Generator semnal

CG

RL

CL

sarcina

1. 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

Sursa de tensiune continuă

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

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

Sursa de tensiune continuă

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.

Cm Ig 40 V

mAgm

mgr

kr

BE

BECCC RR

VVI

β

β

Calculul rezistenţei Ri de intrare a amplificatorului

tBt IrRV rRB

t

ti I

VR

rRi

Circuitul de calcul

tt IrV

valoare mică/medie = kΩ

Calculul rezistenţei Ro de ieşire a amplificatorului

t

to I

VR

Co RR

Circuitul de calcul

tCt IRV

valoare medie = kΩ

Amplificarea în tensiune ideală

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

0 2

Defazaju

l de 180

0

gmRCVi

Vi

-Vi

volti

vo(t) = tensiune de ieşire

vi(t) = tensiune de intrare

- gmRCVi

Amplificarea în curent ideală

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

0 2

0

βIi

Ii

-Ii

amperi

io(t) = curent de ieşire

ii(t) = curent de intrare

- β Ii

Defazaju

l de 00

Amplificarea în tensiune reală – determinată pentru amplificatorul conectat la circuitele externe

CmV RgA

LC

L

gCmVg RR

R

rR

rRgA

π

π

gg RZ

oL

L

gi

iVVg ZZ

Z

ZZ

ZAA

Pierderile de tensiune la intrare

Pierderile de tensiune la iesire

Amplificarea ideala in tensiune

Amplificarea reala in tensiune

VAVA

rRZ ii

Coo RRZ

Parametrii amplificatorului izolat

LL RZ

Impedanţele circuitelor externe

LC

L

gCmVg RR

R

rR

rRgA

π

π

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

gRr LC RR

Lo

o

ig

gIIg ZZ

Z

ZZ

ZAA

Amplificarea în curent reală – determinată pentru amplificatorul conectat la circuitele externe

IA

gg RZ

Pierderile de curent la intrare

Pierderile de curent la iesire

Amplificarea ideala in curent

Amplificarea reala in curent

VAVA

rRZ ii

Coo RRZ

Parametrii amplificatorului izolat

LL RZ

Impedanţele circuitelor externe

LC

C

g

gIg RR

R

rR

RA

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

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. Echivalarea amplificatorului 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 peirderilor de tensiune la bornele amplificatorului

LC

L

gVVg RR

R

rR

rAA

π

π

kk.

k

k.k.

k.AVg 174

1

5260

52180

175080180 ..AVg

Pierderile de tensiune la intrare

Pierderile de tensiune la iesire

225.AVg

2880002080180 ...AVg RL=10Ω (boxa audio)

Etaj de amplificare cu tranzistor bipolar în conexiunea Emitor Comun – varianta cu rezistor nedecuplat la masă

E

CV R

RA

Co RR

BE

BECCC RR

VVI

ECCCCCE RRIVV

Punctul static de funcţionare

Parametrii de semnal mic

valoare medie = zeci kΩ

valoare medie = kΩ

amplificare mică; defazaj 1800

EB

EBi RR

RRR

1

1

LC

LVVg RR

RAA

Amplificarea în tensiune reală

Etaj de amplificare cu tranzistor bipolar în conexiunea Colector Comun – repetor pe emitor

1VA

1

rRo

EB

BI RR

RA

1

1

BE

BECCC RR

VVI

ECCCCE RIVV

Punctul static de funcţionare

Parametrii de semnal mic

valoare mare = sute kΩ

valoare mică = zeci Ω

Nu amplifică; defazaj 00

amplificare mare; defazaj 1800

Bun pentru adaptarea impedanţelor a două circuite conectate

EB

EBi RR

RRR

1

1

Conectarea circuitelor externe la amplificatorul cu tranzistor bipolar în conexiunea Colector Comun

Amplificarea în tensiune reală Amplificarea în curent reală

L

L

EB

EBg

EB

EB

VVg

RrR

RR

RRR

RR

RR

AA

11

1

1

1

L

EB

EBg

gIIg

Rr

r

RR

RRR

RAA

1

1

1

1

Utilizarea amplificatorului cu tranzistor bipolar în conexiunea Colector Comun ca buffer – etaj de adaptare a impedanţelor ale două circuite

Exemplu 2: se consideră în primul caz, 2 amplificatoare de tensiune conectate direct, caracterizate de parametrii de semnal mic din figura. 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. Rg=50Ω, iar RL=100kΩ.

Datele pentru amplificatoare sunt:

Amplificatorul de tensiune 1 şi 2: VCC=10V, VBE=0.6V, =100, RB=910kΩ, RE=330Ω, RC=4.7kΩ.

Amplificatorul buffer: 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, 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 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

1. Calcul PSF: BE

BECCC RR

VVI

ECCCCE RIVV

mA.

k

V

kk.

V.IC 750

943

940

91033100

6010100

V.V.Vk.mA.VVCE 52574752103375010

2. Calcularea parametrilor de semnal mic ai tranzistorului bipolar:

V

mAIg Cm 40

kg

rm

βπ

V

mA

V

mA.gm 3075040

k.kr 3330

100π

3. Determinarea parametrilor de semnal mic ai amplificatorului

Ei RrR β1π

1VA

1

rRo

kk.k.Ri 3373310133

1VA

32101

33 k.Ro

Calcule pentru repetorul pe emitor

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 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

Etaj de amplificare cu tranzistor bipolar în conexiunea Bază Comună

Co RR

BE

BECCC RR

VVI

β

β

ECCCCCE RRIVV

β1π

r

Ri CmV RgA

1IA

Punctul static de funcţionare

Parametrii de semnal mic

valoare mică = zeci Ω

valoare medie = kΩ

amplificare mare defazaj 00

nu amplifică; defazaj 1800

Conectarea circuitelor externe la amplificatorul cu tranzistor bipolar în conexiunea Bază Comună

LC

L

g

VVg RR

Rr

R

r

AA

1

1

LC

C

g

gIIg RR

Rr

R

RAA

1

Amplificarea în tensiune reală Amplificarea în curent reală