View
9
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
1
JEDNOSTEPENO
TRANZISTORSKO POJAČALO
DARLINGTON-OV SPOJ
TRANZISTORA
2
ZADACI
1. Odrediti struje kroz tranzistor (VBE=0,7 V) koji je
polariziran sa četiri otpornika, koristeći a) egzaktan pristup,
b) aproksimativan pristup. Uporediti rezultate.
3
a) egzaktni pristup
• Jednačina za ulaznu konturu
• Iz prethodnih jednačina moguće je izračunati baznu struju, a
nakon toga i struju kolektora i struju emitera, kao:
KKRR
RRR
VRR
RVV
EQ
CCEQ
333,124
24
242
26
21
21
21
2
BFE
EB
EEBEQBEEQ
IßI
II
RIIRVV
)1(
1000133337,02
(*)
mAIImAII
mARR
VVI
BFEBFC
FEEQ
BEEQ
B
29,1)1(28,1
0128,010)10133,1(
7,02
)1( 3
4
• Moguće je izračunati napon polarizacije
tranzistora VCE (uz konstantnan napon VBE=0,7V) na sljedeći način:
VBE >0 i VCE>0→ Direktna aktivna oblast
015,229,156,26
1029,110001028,120006
100020006
33
VV
IIV
RIIRVV
RIIRVV
CE
ECCE
EECCCCCE
EECCCECC 2 K
1 K
6 V
5
• Spoj baza-emiter je direktno polariziran, jer
je pozitivan napon na bazi koja je p tipa (npn
tranzistor). Spoj baza-kolektor treba biti
inverzno polariziran, pa slijedi:
VBC= VBE- VCE=0,7-2,15=-1,45 V<0
• Spoj baza-kolektor je inverzno polariziran
jer je negativan napon na bazi koja je p tipa.
• Iz prethodnog je potvrĎeno da tranzistor radi
u direktnoj aktivnoj oblasti, gdje je mirna
radna tačka Q(1,28 mA;2,15 V) uz Ib=0,0128
mA
6
b) Aproksimativni pristup
• Prvo se provjeravaju uvjeti temperaturne stabilnost iz (*):
• Sada je moguće izračunati struju emitera aproksimativno
na sljedeći način:
3,1017,0
3,10128,0333,1
)(
BEEQBEQ VVIR
3
2 0,71,3
10
EQ BE EQ B E E
EQ BE EQ B EQ BE
E
E E
E
V V R I I R
V V R I V VI
R R
I mA
(*)EEBEQBEEQ RIIRVV
7
• Struja kolektora je u ovom slučaju približno jednaka struji
emitera ako vrijedi:
• Tada se struja kolektora računa prema sljedećoj
pojednostavljenoj relaciji:
i jednaka je struji emitera:
c) PoreĎenje rezultata dobijenih za slučaj a) i b) :
* za struju emitera 1,29~1,3 (mA)
* za struju kolektora 1,28~1,3 (mA)
(1 )
1333 1000 101
1333 101000
(1 ) ~
101 ~ 100
EQ E F
F F
R R
i
mAR
VVI
E
BEEQ
C 3,1
)1( FEEQ
BEEQ
FBFCRR
VVII
E
BEEQ
ER
VVI
8
2. Analizirati šta će se dogoditi u primjeru sa slike (ßF=75 i
VBE=0,7 V), ako se otpor kolektora sa vrijednosti 22 K
promijeni na vrijednost 56 K.
9
• Pretpostavka: tranzistor radi u direktnoj aktivnoj oblasti.
• Ekvivalentni Thevenin-ov generator i ekvivalentni Thevenin-
ov otpor imaju sljedeće iznose :
• Struje baze, emitera i kolektora se računaju kao i do sada:
K
RR
RRRV
RR
RVV EQCCEQ 1210
3618
3618;4
3618
1812 3
21
21
21
1
AIIAII
ARR
VVI
BFEBFC
FEEQ
BEEQ
B
204)1(201
68,21023,1
7,04
)1( 6
10
• Koristeći konturu 2, slijedi:
• VCE je negativan (direktno polariziran spoj C-B), što obara
pretpostavku da tranzistor radi u direktnoj aktivnoj oblasti.
• Zato moramo pretpostaviti novu oblast rada tranzistora i
ponovo analizirati ovaj tranzistorski krug.
• Pošto je napon VCE negativan, u drugoj iteraciji ćemo
pretpostaviti da se radna tačka nalazi u oblasti zasićenja
(napon VCE je mali koliko je to moguće). Pišući jednačine za
konture 1 i 2 slijedi:
021,3)51,2(7,0
51,2160005600012
CEBEBC
ECCE
EECCCCCE
VVV
VIIV
RIIRVV
EBBESAT
EEBEQBESATEQ
IIV
RIIRVV
16000120004
ECSATCE
EECCCESATCC
IIV
RIIRVV
160005600012
11
• Usvajajući da je :
• dobiju se slijedeće dvije jednačine za dvije konture :
Rješavajući ovaj sistem jednačina,
dobiju se struje baze i kolelektora
u sljedećim iznosima:
• Kako su sve tri struje tranzistora pozitivne i kako je zadovoljen uvjet IB>IC/ßF jer je 24>160/75 radna oblast tranzistora je oblast zasićenja.
CBECESATBESAT IIIiVViVV 05,075,0
CB
EEBEQBESATEQ
II
RIIRVV
160002800025,3
CB
EECCCECC
II
RIIRVV
720001600095,11
160 ; 24 184C B EI A I A I A
12
8.9. Primjena tranzistora• Praktični problem u proizvodnji tranzistora uzrokuje
nesimetričnost pn spojeva, što ima za posljedicu veliku
razliku u iznosima strujnog pojačanja u direktnom i
inverznom smjeru.
• Kapaciteti tranzistora uzrokuju da je strujno pojačanje
frekventno ovisno.
• Može se pokazati da strujno pojačanje ß zavisi od struje
kolektora i temperature. Pri malim i pri velikim strujama,
strujno pojačanje opada. Ovo su područja reda A i A
respektivno.
• U područjuma reda mA strujno pojačanje ß je približno
konstantno.
13
• Primjena tranzistora odreĎuje polarizaciju njegovih pnspojeva.
• Kada rade u oblasti neprovođenja i oblasti zasićenja, koriste se kao prekidači, naročito u binarnim digitalnim prekidačkim krugovima.
• Rad u inverznoj aktivnoj oblasti našao je svoju ograničenu upotrebu u nekim analognim i digitalnim prekidačkim krugovima.
• Vjerovatno je najznačajnije područje rada tranzistora u direktnoj aktivnoj oblasti.
• Tranzistori mogu proizvesti veliko naponsko ili strujnopojačanje analognih signala.
• TakoĎe, oni mogu pojačati i promjenjljive signale, i njihova najznačajnija upotreba je upravo u različitim vrstama pojačala.
• Ovdje će se razmotriti samo dva primjera: jednostepeno pojačalo izmjeničnog signala sa bipolarnim tranzistoromi Darlington-ov spoj tranzistora.
14
Jednostepeno pojačalo izmjeničnog signala sa
bipolarnim tranzistorom
• Pod pojačanjem se podrazumijeva množenje signala konstantom - vremenska zavisnost signala se ne mijenja, mijenja se samo iznos njegove amplitude.
• U ovakvom konceptu pojačanja,
podrazumijeva se linearnost
pojačavačkog kruga.
Izvedba pojačala, kada se pobuda
veže na bazu, a potrošač na kolektor,
naziva se jednostepeno pojačalo
sa zajedničkim emiterom, jer je
upravo emiter zajednička elektroda
i za ulazni i za izlazni signal.
15
• LINEARNOST:Generator ug - promjenljivi napon trougaonog oblika: promjenljivi napon ima oba polariteta.
• Linearno pojačanje: putem
jednosmjernog izvora VBB,
mirna radna tačka se postavi
na sredinu linearnog dijela
ulazne statičke
karakteristike tranzistora.
• Istosmjerna bazna struja i istosmjerni bazni napon su dovoljno veliki da promjenljivi signal, pri oba polariteta ne može da izvede radnu tačku iz linearnog dijela ulazne statičke karakteristike.
• [Ako je na pr. VBB =0 , promjenljivi signal neće dovesti do vođenja tranzistora, ili će ga dovesti u stanje voĎenja, samo u toku pozitivne poluperiode (kada je ova pobuda pozitivna i dovoljno velika)].
• To je osnovni zahtjev koji treba zadovoljiti pri polarizaciji tranzistora u pojačavačkom kolu, kako bi ono bilo linearno.
16
Promjenljive komponente napona uBE i struje iB su u fazi.
• Statičke karakteristike tranzistora su nelinearne, pri povećanju amplitude ul.promjenljivog signala, radna tačka se pomjera po sve dužem segmentu, koji je samim tim sve nelinearniji.
• Stoga se linearnost praktički može obezbijediti samo za ulazne promjenljive signale malih amplituda.
17
• Promjene bazne struje pomjeraju mirnu radnu tačku Q0
duž radne prave, odreĎene jednačinom:
• Pojačalo sa zajedničkim emiterom obrće fazu ulaznog
signala.
CCCCCE IRVu
18
• Strujno pojačanje pojačala sa slike a), odreĎeno je
odnosom amplitude promjenljive komponente
izlazne struje iiz i amplitude promjenljive
komponente ulazne struje iul :
• Naponsko pojačanje pojačala se definira kao
odnos amplituda promjenljive komponente
izlaznog napona viz i amplitude promjenljive
komponente ulaznog napona vg:
• Kada kolo pojačala ne sadrži akumulacione
elemente (kondenzatore i zavojnice), pojačanje je
realan broj i predstavlja odnos amplituda izlaznog i
ulaznog signala.
izi
ul
iA
i
izV
g
vA
v
19
• Pojačala spadaju u klasu aktivnih kola, jer na izlazu daju snagu korisnog signala veću od snage pobudnog generatora.
• Dobitak u snazi se ostvaruje na račun energije jednosmjerne baterije za napajanje pojačala.
• Karakteristike pojačala se opisuju preko pojačanja, te ulaznog i izlaznog otpora.
a) Ulazna otpornost Ru (ili r ) se definira kaootpornost Thevenin-ovog ekvivalentnog realnog generatora između tačaka gdje je priključena pobuda.
• Fizički smisao ulazne otpornosti je da ona, posmatrano od generatora, predstavlja ekvivalent cijelog pojačala.
• Ovo znači, da će u oba slučaja, bilo da je na generator priključeno pojačalo, ili ekvivalentni otpornik Ru, struja kroz generator biti ista.
20
b) Izlazna otpornost Ri ( ili r0 ) ili impedansa,pojačala je otpornost Thevenin-ovog ekvivalentnog realnog generatora, koji predstavlja cijelo pojačalo između tačaka gdje je priključen potrošač.
• Kod realnih izvedbi pojačala, mirna radna tačka se uspostavlja u prostoru izlaznih statičkih karakteristika (za spoj sa zajedničkim emiterom) putem djelitelja napona.
• Korisni napon se dobija iz pobudnog generatora us, i treba ga superponirati sa jednosmjernim naponom polarizacije, tako da se ostvaripomjeranje radne tačke u okolini odabrane mirne radne tačke.
• Korektan način na koji se vrši superponiranje korisnog signala (izmjeničnog), ostvaruje se preko serijske veze pobudnog generatora i kondenzatora velike kapacitivnosti Cs u pobudnom kolu.
21
• Napon na kondenzatoru, za veliko Cs (C1) i velike f
pobudnog signala, se zanemarivo malo mijenja u odnosu
na us U=Q/Cs , a Q=igT/2 U= ig/2fCs.
• Sprega preko kondenzatora ne može da prenese
jednosmjerne pobudne signale: AC - izmjenična pojačala
ili RC pojačala.
22
• Priključivanja potrošača: preko sprežnog kondenzatora Cs
(C3) – tkz. blokirajući kondenzator (dc blocking capacitor), koji se redno veže sa otporom potrošača- kroz potrošač teče samo izmjenična komponenta struje(kondenzator velikog kapaciteta i visoka frekvencaizmjeničnog signala).
• Paralelno emiterskom otporu veže se još jedan kondenzator
• velikog kapaciteta (C2), (bypass capacitor), koji ne dozvoljava da izmjenični signal proĎe kroz emiterski otpornik (veliki kapacitet - mali
otpor za izmjeničnu
komponentu struje, koja
se zatvara preko njega).
Otpor emitera RE, definira
Q tačku, zaobiđen je u
krugu izmjeničnog signala.
E
BEEQ
CR
VVI
23
• Računarskom simulacijom se dobije, za primjer sa slike i za radnu tačku koja je odabrana za vrijednost napona kolektora Vc~5 V, u kolektorskom čvoru C signal amplitude od 1,1 V, ako je na ulazu bio izmjenični signal amplitude 5 mV, frekvence f=1kHz.
•
220005,0
1,1
g
cV
v
vA
24
Analiza jednostepenog pojačala koristeći ekvivalentni istosmjerni krug i ekvivalentni izmjenični krug (superpozicija)
• Krug pojačala se razdvaja na dva dijela: odvojeno će se razmotriti performanse istosmjernog kruga pojačala, a odvojeno performanse izmjeničnog kruga pojačala.
a) Q tačka će se naći koristeći ekvivalentni istosmjerni (dc) krug: kondenzatori predstavljaju prekid kruga, a zavojnice kratak spoj.
b) Ekvivalentni izmjenični (ac) krug: reaktivni otpor svih kondenzatora je zanemariv za radnu frekvencu (XC=1/C= 0) i kondenzatori se predstavljaju preko kratkog spoja; ako je reaktansa zavojnice u krugu vrlo velika (XL=L ),zavojnica se predstavlja preko otvorenih krajeva.
c) Sabrati rezultate proračuna za dc i ac ekvivalentni krug(princip superpozicije), kako bi se dobili stvarni iznosinapona i struja pojačala.
25
a) Kompletni krug izmeničnog pojačala,
b) Ekvivalentni istosmjerni krug za dc analizu
26
c) ekvivalentni izmjenični krug za ac analizu [d),e) i f)]
preformirana verzija kruga pod c)
SB
SBth
sSB
Bth
B
RR
RRR
vRR
Rv
IIRRR 21
27
• Zamjena tranzistora: model tranzistora za male
signale: Koristi se predstava tranzistora kao četveropola,
koji se može opisati sa dvije jednačine, koje povezuju
ulazne i izlazne struje i napone.
• U ovisnosti od toga koje se dvije veličine od ukupno četiri:
ulazna struja i1, ulazni napon u1, izlazna struja i2 i izlazni
napon v2, odabiru kao nezavisno promjenljive varijable,
četveropol se može definirati preko z , y, g ili h parametara.
• Četveropol se opisuje preko h parametara (i1 i v2) i takav se
model četveropola naziva hibridni. Tada se može napisati
slijedeći set jednačina za četveropol:
+
-
u1 u2
i2
+
-
i1
ČETVEROPOL ube
+
-
i1uce
+
-
i1
28
• Jednačine za hibridni model tranzistora:
• Parametri hij se definiraju na slijedeći način:
• Parametri h11 i h21 se dobiju pri kratko spojenom izlazu
(v2=0), a parametri h22 i h12 pri prekidu ulaznog kruga i
lako se mogu izmjeriti.
• Za tranzistor sa slike, slijedi:
2221212
2121111
vhihi
vhihv
;2
;;;
01
222
021
221
012
112
021
111
iviv
v
ih
i
ih
v
vh
i
vh
cebc
cebbe
vhihi
vhihv
2221
1211
+
-
u1 u2
i2
+
-
i1
ČETVEROPOL ube
+
-
i1uce
+
-
i1
29
• Relacije za h parametre:
• Parametar h11 predstavlja ulaznu otpornost tranzistora
(kao količnik promjenjivog ulaznog napona i ulazne struje pri
konstantnom izlaznom naponu) i označava se sa rπ .
• Parametar h12 pokazuje uticaj Early-jevog efekta i
njegova vrijednost je zanemariva.
• Parametar h21 predstavlja strujno pojačanje tranzistora
(ß) za promjenljive signale malih amlituda, pod uslovom da je
izlazni napon konstantan (vce=0).
• Parametar h22 predstavlja izlaznu provodnost (recipročnu
vrijednost izlaznog otpora), i odreĎen je količnikom
promjenljive komponente izlazne struje ic i izlaznog napona
uce, kada je ulazna struja konstantna (ib=0) .
0 0 0 0
11 12 21 22; ; ; ;
ce b ce b
be be c c
b ce b cev i v i
v v i ih h h h
i v i v
30
• Koriste se jednačine Gummel-Poon-a za rad u direktnoj
aktivnoj oblasti, koje su korigovane uzimajući u obzir
Early-jev napon VA.
• Tako se može dobiti hibridni pi model za male signale -
tranzistor se predstavlja kao četveropol
31
Ovdje su definirani sljedeći parametri:
Strmina (transconductance):
• Ulazni otpor :
Izlazni otpor :
gdje je
• Parametrima modela za male signale može se upravljati isključivo izborom Q tačke.
CT
Cm I
V
Ig 40
mC
T
gI
Vr 00
C
CEAo
I
VVr
C
F
FC
F
I
ß
ßI
ßß
11
0
32
IC gm r r0
1A 4x10-5 S 2,5 M 85 M
10A 4x10-4 S 250 K 8,5 M
100A 0,004 S 25 K 850 K
1mA 0,04 S 2,5 K 85 K
10mA 0,4 S 250 8,5 K
Parametri modela za male signale BT u ovisnosti od struje kolektora
(ßo=100; VA=75 V; VCE=10 V)
33
• Konačni model pojačala naizmjeničnog signala:
tranzistor se zamijeni modelom za male signale.
• RL otpor nastao paralelnim sabiranjem otpora r0, RC i R3
34
Naponsko pojačanje:
BR
R
r
R
Rg
RR
R
Rr
Rrg
v
vA
RR
R
Rr
rv
RR
Rvv
vRR
Rv
SLIKARr
rvvv
Rr
rv
Rvgv
v
vA
Sth
Lm
SB
B
th
Lm
sV
SB
B
thbe
SB
Bths
sSB
Bth
thbethth
thbe
Lbem
sV
1
1
1
;
0
111
1
0
0
sSB
Bth
SB
SBth
vRR
Rv
RR
RRR
35
Pojednostavljenje izraza za naponsko pojačanje:
1. Za Rs<<RB i Rth<<r, slijedi:
• Za kvalitetno naponsko pojačanje, otpor prijemnika (potrošač) treba da bude znatno veći nego otpor u kolektoru.
• TakoĎe je r0 >> Rc.
• Pod tim uvjetima, ukupno omsko opterećenje na kolektoru tranzistora je približno jednako otporu Rc, pa je :
CLLmV RRrRiRgA 30
0 1
1 1
m L m LBV
th Ss th B S
B
v g r R g RRA
R Rv r R R R
r R
36
• Uobičajeno je da je pad napona na
kolektorskom otporu odabran tako da iznosi ¼
napona VCC, i uz VT=25 mV, dobija se
aproksimativni izraz za naponsko pojačanje:
• Jednačina ima ključni značaj u projektovanju
pojačala sa zajedničkim emiterom sa omskim
opterećenjem.
T
CCCmV
V
RIRgA ~
CCCC
T
CCV V
V
V
RIA 10
440
37
• Veličina naponskog pojačanja je približno jednaka desetostrukoj vrijednosti napona napajanja ipredstavlja prvostepenu ocjenu naponskog pojačanja u spoju sa zajedničkim emiterom.
• Znajući napon napajanja, možemo ocijeniti iznos naponskog pojačanja kod ove vrste pojačala.
• TakoĎe se može konstatovati, da je u tom slučaju strujno pojačanje konstantno i približno jednako ßF As=ßF.
38
Darlington-ov spoj tranzistora
Da bi se povećalo strujno pojačanje ßF, formira se
takozvani Darlington-ov spoj tranzistora, pokazan na
slici:
39
• Strujna pojačanja prvog i drugog tranzistora iznose ßF1 i ßF2
respektivno.
• Emiter prvog tranzistora vezan je direktno na bazu drugog
tranzistora.
• Analiza ponašanja Darlington-ovog spoja tranzistora (u
jednosmjernom režimu rada): izraz za ukupnu kolektorsku
struju u zavisnosti od ulazne struje baze IB :
BFFBFC
EFBFCCC
IßßIßI
IßIßIII
)1( 121
12121
40
• Ako umnožak ßF1ßF2 iz prethodne jednačine izvučemo ispred
zagrade:
• Ako su iznosi strujnih pojačanja oba tranzistora mnogo
veći od 1, tada ekvivalentni tranzistor ima strujno
pojačanje približno jednako proizvodu strujnih pojačanja
tranzistora koji formiraju Darlington-ov spoj (ßFe=ßF1ßF2).
• Ukupna kolektorska struja je:
• Darlington-ov spoj zahtijeva veće jednosmjerne napone
polarizacije od napona polarizacije jednog tranzistora.
1,11
1 212121
21
FFBFFB
FFFFC ßßzaIßßI
ßßßßI
122 CFCC IßII
BFFBFC IßßIßI )1( 121
41
• Napon baza-emiter ekvivalentnog tranzistora je jednak padu napona na dvije diode i približno iznosi:
• Da bi spoj kolektor-baza ekvivalentnog tranzistora bio inverzno polariziran, napon VCE
takoĎe mora biti veći od (VBE1 + VBE2).
• Brzina odziva Darlington-ovog spoja je manja od brzine odziva svakog tranzistora pojedinačno: pri sprezanju tranzistora povećava se njegova ukupna kapacitivnost - u paralelnoj vezi raste kapacitivnost a time raste i vremenska konstanta odziva tranzistora.
VVVV BEBEBE 4,121
Recommended