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

semnalul de intrare si de iesire au ca borna comuna emitorul 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

Schema electrica a etajului de amplificare cu TB în conexiunea EC cu condensator in emitor RB RC RE CE Q iI(t) iO(t) vI(t) vO(t) borne alimentare borne iesire borne intrare 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

Sursa de tensiune continuă Conectarea circuitelor externe la amplificator – pe aceasta schema electronica se scot in evidenta pierderile de semnal si se calculeaza amplificarile reale RC borne alimentare + - VCC Sursa de tensiune continuă RB CL iO(t) CG borne iesire RL iI(t) Q Generator semnal borne intrare vO(t) CE vI(t) RE 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 a tranzistorului bipolar; se reaminteşte că într-un circuit de amplificare, un tranzistor bipolar trebuie să funcţioneze în regiunea activă normală (RAN).

Sursa de tensiune continuă Determinarea circuitului echivalent în curent continuu RC + - VCC Sursa de tensiune continuă IC RB CL CG RL VCE Q Generator semnal CE RE sarcina Determinarea circuitului de polarizare: 1. se elimină (nu se mai desenează) RAMURILE care conţin condensatoare 2. 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).

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

Sursa de tensiune continuă Determinarea circuitului echivalent în regim variabil de semnal mic + - VCC Sursa de tensiune continuă RB RC CL iO(t) CG rπ Vbe gmVbe Q RL iI(t) Generator semnal vO(t) RE CE vI(t) sarcina Determinarea circuitului echivalent în regim variabil de semnal mic: condensatoarele de capacităţi mari (mai mari decât aproximativ 1F) se înlocuiesc cu un fir aplicat între armături 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). tranzistorul se înlocuieşte cu circuitul echivalent de semnal mic, valabil pentru domeniul frecvenţelor medii.

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 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 Circuitul de calcul 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 Circuitul de calcul valoare medie = kΩ

relatia intre amplitudini 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 Circuitul de calcul valoare mare relatia intre amplitudini semnul “-” indică un defazaj de 1800 între vo şi vi

volti Vi  2 -Vi gmRCVi - gmRCVi vi(t) = tensiune de intrare vi(t) = tensiune de intrare  2 -Vi gmRCVi Defazajul de 180 vo(t) = tensiune de ieşire - gmRCVi Formele de unda ale tensiunilor de intrare, respectiv de iesire ale amplificatorului

relatia intre amplitudini 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 Circuitul de calcul valoare mare relatia intre amplitudini semnul “+” indică un defazaj de 00 între io şi ii

amperi Ii  2 -Ii βIi - β Ii ii(t) = curent de intrare ii(t) = curent de intrare  2 -Ii βIi io(t) = curent de ieşire Defazaj de 00 - β Ii 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 Se utilizeaza formula generala a amplificarii reale in tensiune in care amplificarea ideala si impedantele se vor particulariza in functie structura si datele circuitului Amplificarea ideala in tensiune Parametrii amplificatorului cu TB in conexiunea EC izolat: Impedanţele circuitelor externe conectate la bornele amplificatorului cu TB in conexiunea EC Amplificarea reala in tenisune a amplificatorului cu TB in conexiunea EC

Eliminarea pierderilor de tensiune la bornele de semnal ale amplificatorului conectat la circuitele externe Pierderile de tensiune la intrare Pierderile de tensiune la iesire Criteriile de proiectare ale amplificatorului necesare pentru eliminarea pierderilor de tensiune la bornele de intrare/ieşire:

Metoda de calcul a amplificarii reale 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 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

Eliminarea pierderilor de curent la bornele de semnal ale amplificatorului conectat la circuitele externe Pierderile de curent la intrare Pierderile de curent la iesire Condiţiile de proiectare care trebuie îndeplinite de amplificator pentru a nu exista pierderi de curent la bornele de intrare/ieşire:

RC + - VCC RB CL CG Rg + - vG(t) RL Q CE RE 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. RC borne alimentare + - VCC RB CL iO(t) CG Rg + - vG(t) borne iesire RL iI(t) Q borne intrare vO(t) CE vI(t) RE

1. Calcul PSF: 2. Verificarea funcţionării tranzistorului în RAN: 3. Calcularea parametrilor de semnal mic ai tranzistorului bipolar:

4. Determinarea parametrilor de semnal mic ai amplificatorului 5. Amplificatorul cu TB poate fi echivalat cu modelul amplificatorului de tensiune:

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

Schema electrica si formulele de calcul ale etajului de amplificare cu TB în conexiunea EC cu condensator in emitor Punctul static de funcţionare Parametrii de semnal mic ai amplificatorului valoare mica = maxim kΩ valoare medie = kΩ amplificare mare; defazaj 1800 amplificare mare; defazaj 00

varianta fara 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 Punctul static de funcţionare Parametrii de semnal mic ai amplificatorului valoare medie = zeci kΩ valoare medie = kΩ amplificare mică; defazaj 1800 amplificare mare; defazaj 00

semnalul de intrare si de iesire au ca borna comuna colectorul 3. Etaj de amplificare cu tranzistor bipolar (TB) în conexiunea Colector Comun (CC) semnalul de intrare si de iesire au ca borna comuna colectorul

Schema electrica si relatiile de calcul ale etajului de amplificare cu TB în conexiunea CC Punctul static de funcţionare Parametrii de semnal mic ai amplificatorului valoare mare = sute kΩ utilizat pentru adaptarea impedanţelor a două circuite conectate. valoare mică = zeci Ω 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.

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: 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: 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:

Se utilizeaza rezultatele numerice obtinute in problema precedenta Folosind relatiile obtine in slide-ul precedent, se determina amplificarea reala in tensiune Se utilizeaza rezultatele numerice obtinute in problema precedenta Pierderile tensiune la intrare Pierderile tensiune la conectarea celor 2 amplificatoare Pierderile tensiune la iesire

Determinarea parametrilor de semnal mic amplificatorul cu TB in conexiunea CC 1. Calcul PSF: 2. Calcularea parametrilor de semnal mic ai tranzistorului bipolar: 3. Determinarea parametrilor de semnal mic ai amplificatorului cu TB in conexiunea CC

Fiecare bloc scos in evidenta reprezintă un divizor de tensiune:

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

semnalul de intrare si de iesire au ca borna comuna baza 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 Punctul static de funcţionare Parametrii de semnal mic ai amplificatorului: amplificare mare defazaj 00 valoare mică = zeci Ω nu amplifică; defazaj 1800 valoare medie = kΩ

Schema electrica a amplificatorului cu TB în conexiunea BC conectat la circuitele externe – pe aceasta schema se calculeaza amplificarea reala precum si pierderile de semnal

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 Sursa comuna fara condensator in sursa Drena comuna Grila comuna

semnalul de intrare si de iesire au ca borna comuna 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 Punctul static de funcţionare verificarea funcţionării MOS in reg. saturaţie Parametrii de semnal mic ai amplificatorului: valoare medie = zeci kΩ valoare medie = kΩ amplificare mare; defazaj 1800 unde: amplificare mare; defazaj 00

Schema electrica a amplificatorului cu MOS în conexiunea SC conectat la circuitele externe – pe aceasta schema se calculeaza amplificarea reala precum si pierderile de semnal

semnalul de intrare si de iesire au ca borna comuna sursa 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 Punctul static de funcţionare identic ca pentru primul amplificator Parametrii de semnal mic ai amplificatorului valoare medie = zeci kΩ valoare medie = kΩ amplificare mică; defazaj 1800 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 Punctul static de funcţionare verificarea funcţionării MOS in reg. saturaţie Parametrii de semnal mic valoare medie = zeci kΩ valoare mică = zeci Ω nu amplifică; defazaj 00 amplificare mare; defazaj 1800

Schema electrica a amplificatorului cu MOS în conexiunea DC conectat la circuitele externe – pe aceasta schema se calculeaza amplificarea reala precum si pierderile de semnal

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 Punctul static de funcţionare verificarea funcţionării MOS in reg. saturaţie Parametrii de semnal mic valoare mică = zeci Ω valoare medie = kΩ amplificare mare; defazaj 00 nu amplifică; defazaj 1800

Schema electrica a amplificatorului cu MOS în conexiunea GC conectat la circuitele externe – pe aceasta schema se calculeaza amplificarea reala precum si pierderile de semnal

Punctul static de funcţionare Exemplul 3: se consideră amplificatorul cu tranzistor MOS din figura de mai jos, în care, parametrii tranzistorului MOS sunt: VTH=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. Punctul static de funcţionare ID VDS VGS VGG ID se alege soluţia VGS>VTH verificarea funcţionării MOS in reg. saturaţie

Parametrii de semnal mic ai amplificatorului:

Calcularea amplificarii reale în tensiune

Formele de undă ale tensiunii de intrare şi de ieşire volti 1 vG(t) = tensiune de intrare  2 -1 2 vo(t) = tensiune de ieşire - 2 Defazajul de 180

Calcularea amplificarii reale în curent