Ηλεκτρονική Διπολικά Τρανζίστορ Ένωσης (ΙIΙ) Bipolar Junction Transistors (BJTs) (ΙIΙ) Φώτης Πλέσσας fplessas@inf.uth.gr Τμήμα Μηχανικών Η/Υ, Τηλεπικοινωνιών και Δικτύων

Δομή παρουσίασης Ενισχυτές ενός σταδίου με BJT Το μοντέλο υψηλών συχνοτήτων Απόκριση συχνότητας του ενισχυτή κοινού εκπομπού

Βασική δομή ενισχυτών με BJT Οικουμενικός ενισχυτής Οι πυκνωτές στους 3 ακροδέκτες χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση στην πηγή σήματος , στο φορτίο ή στη γη (σύζευξη ac) Έτσι δε επηρεάζονται οι συνθήκες πόλωσης sedr42021_0559.jpg

Βασική δομή ενισχυτών με BJT sedr42021_0559.jpg

Βασική δομή ενισχυτών με BJT Ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης των πυκνωτών αυτών δημιουργούνται τρεις τοπολογίες: κοινού εκπομπού (common emitter, CE) κοινού συλλέκτη (common collector, CC) κοινής βάσης (common base. CB) Στην ανάλυση που θα ακολουθήσει θεωρούμε του πυκνωτές ιδανικά άπειρους οπότε δεν επιδρούν στο κέρδος των ενισχυτών. Η πεπερασμένη τιμή τους προκαλεί μείωση του κέρδους του ενισχυτή στις χαμηλές συχνότητες. Αντίστοιχα οι εσωτερικές χωρητικότητες του τρανζίστορ μειώνουν το κέρδος στις υψηλές συχνότητες Στις μεσαίες συχνότητες θεωρούμε πως δεν υπάρχει καμία επίδραση sedr42021_0559.jpg

Εφαρμογή 1 Για το κύκλωμα του σχήματος (αριστερά) να υπολογίσετε τις τάσεις στους κόμβους και τα ρεύματα στους κλάδους καθώς και τα: gm , re , rπ , ro αν β=100. Σχεδιάστε το υβριδικό-π και το μοντέλο-Τ συμπεριλαμβάνοντας την ro sedr42021_e0541a.jpg Υπόδειξη: gm=IC/VT , re=VT/IE , rπ=VT/IB , ro=|VA|/IC

Ενισχυτής κοινού εκπομπού sedr42021_0560a.jpg Σχήμα 4.43 (a) Ο ενισχυτής κοινού εκπομπού

Ενισχυτής κοινού εκπομπού sedr42021_0560a.jpg Σχήμα 4.43 (b) Ισοδύναμο κύκλωμα που προκύπτει από την αντικατάσταση του τρανζίστορ με το υβριδικό-π μοντέλο του

Ενισχυτής κοινού εκπομπού sedr42021_0561a.jpg Σχήμα 4.44 (a) Ο ενισχυτής κοινού εκπομπού με αντίσταση Re μεταξύ εκπομπού και γης (b) Ισοδύναμο κύκλωμα που προκύπτει από την αντικατάσταση του τρανζίστορ με το μοντέλο Τ

Ενισχυτής κοινού εκπομπού Ri = RB //rπ ≈ rπ Διαγωγιμότητα βραχυκύκλωσης Gm = -gm Ro = RC//ro Κέρδος τάσης ανοιχτού κυκλώματος Αυο = GmRo Κέρδος ρεύματος βραχυκύκλωσης Ais = GmRi Ολικό κέρδος τάσης Αυ = υο/υs = Gm(Ro//RL) sedr42021_0561a.jpg

Ενισχυτής κοινού εκπομπού Παρέχει ούτε πολύ μεγάλη ούτε πολύ μικρή αντίσταση εισόδου Υψηλή διαγωγιμότητα Υψηλή αντίσταση εξόδου Μεγάλο κέρδος τάσης και ρεύματος Η συμπεριφορά του στις υψηλές συχνότητες περιορίζεται σημαντικά από τη χωρητικότητα συλλέκτη-βάσης (βλέπε παρακάτω) Μπορεί να προστεθεί αντίσταση RE στον εκπομπό η οποία: (i) κάνει το κέρδος τάσης λιγότερο εξαρτημένο από το β, (ii) δίνει τη δυνατότητα εφαρμογής μεγαλύτερου σήματος στην είσοδο χωρίς τον κίνδυνο μη γραμμικής παραμόρφωσης και (iii) έχει ως αποτέλεσμα η απόκριση στις υψηλές συχνότητες να βελτιώνεται σημαντικά sedr42021_0561a.jpg

Εφαρμογή 2 Θεωρήστε έναν ενισχυτή του οποίου οι συνθήκες πόλωσης αναλύθηκαν στην Εφαρμογή 1. O ενισχυτής είναι συνδεσμολογίας κοινού εκπομπού με Rs = RL = 10 kΩ. Βρείτε τις τιμές των Ri, Gm, Ro, Aυo, Ais, Aυ και Ai. Σημείωση: Ai = io/ii = (Rs+Ri)Aυ/RL sedr42021_e0541a.jpg

Ενισχυτής κοινής βάσης sedr42021_0562a.jpg Σχήμα 4.45 (a) Ο ενισχυτής κοινής βάσης (b) Ισοδύναμο κύκλωμα που προκύπτει από την αντικατάσταση του τρανζίστορ με το Τ μοντέλο του

Ενισχυτής κοινής βάσης Ο ενισχυτής κοινής βάσης έχει μικρό κέρδος ρεύματος και μεγάλο κέρδος τάσης (ίσο κατά πλάτος με αυτό του ενισχυτή κοινού συλλέκτη) Έχει μεγάλη αντίσταση εξόδου, λίγο μεγαλύτερη από αυτήν του κοινού εκπομπού Έχει πολύ μικρή αντίσταση εισόδου Ο ενισχυτής κοινής βάσης βρίσκει εφαρμογές ως απομονωτής ρεύματος, ο οποίος δέχεται ένα σήμα ρεύματος σε χαμηλό επίπεδο αντίστασης εισόδου και παρέχει στον συλλέκτη ένα σχεδόν ίσο (ελαφρώς μικρότερο) ρεύμα αλλά σε πολύ υψηλό επίπεδο αντίστασης sedr42021_0563a.jpg

Ενισχυτής κοινού συλλέκτη sedr42021_0563a.jpg Σχήμα 4.46 (a) Ο ενισχυτής κοινού συλλέκτη ή ακόλουθος εκπομπού

Ενισχυτής κοινού συλλέκτη Ο ενισχυτής κοινού συλλέκτη ή ακόλουθος εκπομπού έχει μικρό κέρδος τάσης ≤ 1 και πολύ μεγάλο κέρδος ρεύματος Έχει πολύ μεγάλη αντίσταση εισόδου και μικρή αντίσταση εξόδου Έτσι η πιο σημαντική εφαρμογή του είναι η σύνδεση πηγής με μεγάλη αντίσταση σε φορτίο χαμηλής αντίστασης χωρίς σημαντική απώλεια σήματος (απομονωτής, buffer amplifier) sedr42021_0563a.jpg

Ενισχυτής κοινού συλλέκτη sedr42021_0563a.jpg Σχήμα 4.46 (b) Ισοδύναμο μικρού σήματος όπου το τρανζίστορ έχει αντικατασταθεί από το μοντέλο Τ (c) Το κύκλωμα του (β) επανασχεδιασμένο ώστε να δοθεί έμφαση στο ότι η ro είναι παράλληλη της RL

Ενισχυτές ενός σταδίου με BJT sedr42021_tb0506a.jpg

Εσωτερικές χωρητικότητες Μοντέλο υψηλών συχνοτήτων Περιλαμβάνει τη χωρητικότητα εκπομπού βάσης Cπ (μερικά pF έως μερικές δεκάδες pF) και τη χωρητικότητα συλλέκτη βάσης Cμ (κλάσμα του pF έως μερικά pF) sedr42021_0567.jpg Το υψηλών συχνοτήτων υβριδικό-π μοντέλο

Εσωτερικές χωρητικότητες Μοντέλο υψηλών συχνοτήτων Περιλαμβάνει τη χωρητικότητα εκπομπού βάσης Cπ (μερικά pF έως μερικές δεκάδες pF) και τη χωρητικότητα συλλέκτη βάσης Cμ (κλάσμα του pF έως μερικά pF) β0 είναι το β χαμηλών συχνοτήτων Το β στο ac ονομάζεται hfe και είναι: hfe = ic/ib = gmrπ (στις χαμηλές συχνότητες) sedr42021_0567.jpg

Απόκριση συχνότητας του ενισχυτή κοινού εκπομπού sedr42021_0571a.jpg Χωρητικά συζευγμένος ενισχυτής κοινού εκπομπού

Απόκριση συχνότητας του ενισχυτή κοινού εκπομπού sedr42021_0571a.jpg Διάγραμμα του πλάτους του κέρδους του ενισχυτή συναρτήσει της συχνότητας

Απόκριση συχνότητας του ενισχυτή κοινού εκπομπού Όπως φαίνεται στο σχήμα υπάρχουν τρείς ζώνες συχνοτήτων Το κέρδος του ενισχυτή είναι σχεδόν σταθερό σε μια ευρεία ζώνη συχνοτήτων που καλείται μέση ζώνη (midband). Όλες οι χωρητικότητες έχουν αμελητέα επίδραση. Το εύρος της ζώνης αυτής καθορίζεται από τις συχνότητες ωL και ωH. Αυτές είναι οι συχνότητες που το κέρδος πέφτει κατά 3 dB σε σχέση με την τιμή που έχει στην μέση ζώνη. sedr42021_0571a.jpg

Απόκριση συχνότητας του ενισχυτή κοινού εκπομπού Στις υψηλές συχνότητες το κέρδος πέφτει εξαιτίας των εσωτερικών χωρητικοτήτων του τρανζίστορ. Στις χαμηλές συχνότητες οι χωρητικότητες ζεύξης και παράκαμψης δεν συμπεριφέρονται ως τέλεια βραχυκυκλώματα και προκαλούν πτώση στο κέρδος. Το εύρος ζώνης ορίζεται ως: BW = ωH – ωL ≈ ωH Μέτρο αξιολόγησης είναι το γινόμενο κέρδους-εύρους ζώνης που ορίζεται ως: GB = AMωH sedr42021_0571a.jpg