Page 1 of 10

Cursul 5 – EA (4ore)

Analiza de semnal mic a AD excitat cu semnal de mod comun

• amplificarea de mod comun

)(βRr

Rg

u

uA

EEbe

Cm

ic

oc cc 12 ++

−==

• rezistenţa de intrare de mod comun

)(βRri

uR EEbe

ic

icic 12 ++==

• rezistenţa de ieşire de mod comun

Coc RR =

Degenerarea în emitor

Presupune introducerea în serie cu emitoarele tranzistoarelor a rezistenţelor de degenerare în emitor, RE:

Semicircuitele valabile pe mod diferenţial şi mod comun vor fi:

Semicircuitul valabil pe mod diferenţial Semicircuitul valabil pe mod comun

Page 2 of 10

)(ββ Rri

uR

) (β(β+Rr

)R

Rβ (

u

uA

Ebe

id

id id

Ebe

LC

id

od dd

122

12

+==

−==

))(βR(Rri

uR

))(βR(Rr

β R

u

uA

EEEbe

ic

icic

EEEbe

C

ic

occc

12

12

+++==

+++

−==

Concluzii: • amplificarea diferenţială scade în prezenţa degenerării;

• rezistenţa de intrare diferenţială creşte, în aceleaşi condiţii, cu 2RE (β+1); • amplificarea de mod comun şi rezistenţa de intrare de mod comun nu se modifică

semnificativ în prezenţa degenerării deoarece RE<<REE; • rejecţia modului comun devine mai slabă la AD cu degenerare; • la AD cu degenerare creşte valoarea tensiunii de intrare diferenţiale pentru care AD lucrează

liniar.

Analiza de semnal mic a AD perfect simetrice, cu ieşire simplă şi sarcină rezistivă

În cazul etajului diferenţial cu ieşire simplă şi sarcină rezistivă, amplificarea diferenţială se

micşorează de două ori faţă de cea a amplificatorului diferenţial cu ieşire diferenţială.

dd

be

C

id

ods A

r

β R

u

uA

21

21

=−==

AD cu sarcină activă In regim dinamic, considerând tranzistoarele Q1 şi Q2 identice şi având acelaşi gm, curenţii

montajului se scriu:

22

1431

imc

imccc

ugi

ugiii

=

===

Tensiunea de ieşire uo depinde de rezistenţa de sarcină şi de curentul care circulă prin ea:

idLmccLo uRg)i(iRu =−= 24

Amplificarea diferenţială a etajului, Add:

Q1 Q2

Rc Rc

REE

Uo1 Uo2

+Ec

Ui2

-Ec

Ui1

UoUo2

Page 3 of 10

Lm

id

odd Rg

u

uA ==

Rezistenţa de intrare diferenţială, Rid:

beid rR 2=

Rezistenţa de ieşire, Ro:

42 ceceorrR =

Obs. Ro are valoare mare ceea ce impune o adaptare adecvată de sarcină cu etajul următor (de exemplu prin utilizarea unui repetor – Q15 din structura internă a AO de tipul LM741):

AD cu asimetrii 1. Determină apariţia UIO şi IIO:

• Tensiunea de intrare de offset, UIO: 21 BEBEIO UUU −=

• Curentul de intrare de offset, IIO: 21 BBIO III −=

2. Determină amplificările de transfer Adc şi Acd. 3. Determină apariţia, în cazul variaţiei surselor de alimentare sau a temperaturii, a unui

semnal ce nu poate fi deosebit de cel util.

Factorul de rejecţie a surselor de alimentare (Supply Voltage Rejection Ratio)

C

IO

∆E

∆USVRR =

• Exemplu:

Un AD are SVRR=30µV/V ceea ce înseamnă că o variaţie a tensiunii de alimentare

∆EC=1V are acelaşi efect la ieşire ca un semnal de decalaj la intrare (offset) de 30µV.

Comportarea în frecvenţă a AD Analiza se face pe semicircuitul valabil pe mod diferential:

• rx=rezistenţa intrinsecă a bazei (se mai notează cu rbb’)

• rππππ=rezistenţa dinamică bază-emitor (rbe)

• Cππππ=capacitatea bază-emitor (Cbe)

• Cµµµµ=capacitatea colector-bază (Ccb)

Teorema Miller Teorema Miller permite evaluarea efectului unei impedanţe Z, conectată între ieşirea şi

intrarea unui amplificator inversor pentru care se cunoaşte amplificarea K. Potrivit teoremei Miller, circuitul echivalent va conţine o impedanţă Z1 la intrare şi o alta Z2

la ieşire, valorile lor fiind dependente de Z şi K:

Page 5 of 10

111 21 ⟩⟩≅

−=

−= K , pentru Z

K

ZKZ;

K

ZZ

Semicircuitul valabil pe mod diferenţial după aplicarea teoremei lui Miller:

µCjωZ

⋅=

1, CmRgK −= ,

MCmµ Cjω)Rg(CjωZ

⋅=

+⋅=

1

1

11 ,

µCjωZ

⋅≅

12

unde

• iGG

g u intrare, la de semnal de sursei rezistentaR ,r2

Rr =+= x

• Miller acapacitate este )Rg(1CC CmµM +=

• BE totalaacapacitate este CCC Mπt +=

Răspunsul în frecvenţă al Add

i

o

ddU

UA = ; i

t

g

t U

Cjrr

Cjr

U

)1

(

1

ω

ω

π

π

+

= ; Cmo RUgU −=

pg

g

tg

Cmdd

j

K

j

K

rr

rrCj

rr

rRgA

ω

ωωτω

π

ππ

π

+

=+

=

++

⋅+

−=

111

1

unde g

Cm

g

g

trr

rRgK

rr

rrC

+−=

+=

π

π

π

πτ ;

Pulsaţia corespunzăroare polului funcţiei de transfer este:

( )gttg

g

prrCCrr

rr

ππ

πω11

=⋅+

=

Frecvenţa de frângere a carateristicii (frecvenţa la -3dB) reprezintă acea frecvenţă pentru

care modulul amplificării, exprimat în decibeli, scade cu 3dB sau de 2 ori în cazul exprimării în valoare absolută, faţă de valoarea de la frecvenţe joase:

( )gt

dBrrC

fππ2

13 =−

Caracteristicile Bode ale Add (amplitudine, respectiv fază funcţie de frecvenţă):

Observaţie: Deoarece Add scade la creşterea frecvenţei rezultă că şi CMRR scade la creşterea frecvenţei semnalelor prelucrate de AD sau, altfel exprimat, capacitatea amplificatoarelor diferenţiale de a rejecta semnalele de mod comun scade pe măsură ce frecvenţa semnalului prelucrat creşte. D. Etaje de deplasare de nivel

• Asigură (prin proiectare) compatibilitatea nivelului de c.c. de la ieşirea unui etaj cu cel de la intrarea în etajul următor;

• Reduc nivelul de c.c. cu minimum de atenuare a semnalului de c.a.;

• Realizează adaptarea impedanţelor între etajele de amplificare (au Rin mare şi Rout mic)

Motivarea utilizării lor

Etaje de deplasare a nvelului de curent continuu realizate cu diode

1. Cu diode conectate în serie

a) în c.c. BE12 UnUU ⋅−=

b) în c.a. 11D

2 uunrR

Ru ≅⋅

+=

dacă R are valori mari Dezavantaje:

• circuitul nu este economic pentru valori mari ale tensiunii de deplasare deoarece ar trebui conectate în serie prea multe diode;

• deplasarea nivelului de c.c. se face cu un număr întreg de tensiuni UBE şi nu cu orice valoare se doreşte;

• comportarea în frecvenţă este nesatisfăcătoare din cauza capacităţilor colector-substrat (CCS) ale tranzistoarelor conectate ca diode.

Page 7 of 10

2. Cu diodă Zener

a) în c.c. Z12 UUU −=

b) în c.a. 11z

2 uurR

Ru ≅⋅

+=

dacă R are valori mari

Etaje de deplasare realizate cu tranzistoare

1. Dioda multiplicată

a) în c.c. CE12 UUU −=

unde UCE este tensiunea de deplasare

BEBE2

1CE

21

CE

2

BE

UnUR

R1U

RR

U

R

UI

⋅=⋅

+=

+==

b) Analiza de semnal mic (c.a.)

1o

2 uRR

Ru ⋅

+=

Rezistenţa dinamică Ro se scrie: D2

1

mπ2

1

mo rn

R

R1

g

1

rR

R1

g

1R ⋅=

+≅

+=

pentru m

D2

1π2 g

1r ,

R

R1n ,rR =

+=⟨ şi rezultă 11

D2 uu

nrR

Ru ≅

+= , dacă R are valoare mare

2. Etaje realizate cu repetor pe emitor

Analiza de semnal mic pentru schema cu rezistoare – a):

Page 8 of 10

( )

( )( )

++=

+++=

⋅+

≅

−⋅+

≅

⇒⟩⟩

1β

rRRR

RR1βrR

uRR

Ru c.a.in

,UURR

R Uc.c.in

RR daca

π12out

21πin

121

22

BE121

22

2L

Se observă că dacă R2 are valoare foarte mare (aşa cum se întâmplă în cazul circuitului c) unde în loc de R2 este o sursă de curent a cărei rezistenţă internă este foarte mare), atunci Rin va avea

valoare foarte mare, Rout – valoare foarte mică iar 12 uu ≅ , în concordanţă cu cerinţele impuse

circuitelor de deplasare de nivel.

3. Schema cu tranzistor pnp

Tensiunea de deplasare = UBC

E. Etaje de ieşire

Cerinţe: • să transfere sarcinii valoarea specificată a puterii de semnal, în condiţiile unui factor de

distorsiuni cât mai redus;

• să aibă o valoare cât mai redusă a impedanţei de ieşire astfel încât valoarea câştigului în tensiune să fie relativ neafectată de valoarea impedanţei de sarcină;

• să realizeze un consum mic de putere în absenţa semnalului adică să aibă un randament cât mai ridicat;

• puterea disipată de tranzistoarele finale să fie cât mai mică;

• să asigure o astfel de lărgime proprie de bandă încât să nu limiteze răspunsul în frecvenţă al întregului circuit analogic.

Etaje de ieşire clasa A

Pot fi cu tranzistorul amplificator în conexiune emitor comun, bază comună sau colector

comun.

• Configuraţia cu baza comună este utilizată ca etaj de ieşire numai în unele situaţii speciale (dezavantaj – câştig aproape unitar în curent!);

Page 9 of 10

• Funcţionarea etajelor cu emitorul comun este de interes deoarece aceste etaje sunt utilizate de multe ori - ca urmare a câştigului lor mare - ca etaje de comandă pentru alte tipuri de etaje de ieşire; Indiferent de tipul de conexiune a tranzistorului amplificator, randamentul maxim teoretic

al etajelor de ieşire clasă A este egal cu 25%. Structuri de etaje de ieşire clasa A

Pentru montajul b):

oObeBEiI uUuUuU +++=+

În repaus (fără semnal de intrare):

I, IUU CBEI ==

Funcţionarea montajului b): • ui>>>>0 - atât timp cât T1 şi T2 lucrează în regiunea activă normală, prin tranzistorul T1 curge

un curent format din componenta constantă I şi componenta variabilă a curentului prin sarcină (io). Prin T2 curge curentul constant I. Pentru valori pozitive mari ale tensiunii de intrare, tranzistorul T1 se poate satura. In aceste condiţii valoarea maximă pozitivă a tensiunii de ieşire va fi:

,satCECo,UEU 1max −=+

Tranzistorul T2 lucrează tot în regiunea activă normală ca şi înainte de saturarea lui T1.

• ui<<<<0 - atât timp cât T1 şi T2 lucrează în regiunea activă normală, o parte a curentului constant I curge prin rezistenţa de sarcină RL cu sensul de la masă spre T2 iar tranzistorul T1 completează restul de curent până la valoarea I. Curentul prin RL fiind variabil rezultă că şi cel prin T1 este tot variabil. Prin tranzistorul T2 curge şi în acest caz acelaşi curent constant I. Pentru valori negative mari ale tensiunii de intrare, T1 se poate bloca astfel că întreg curentul constant I va curege prin RL, cu sensul de la masă spre T2. Dacă tranzistorul T2 se saturează, atunci valoarea maximă negativă a tensiunii de ieşire va avea expresia:

IRUEIRU ,satCECLo, 22max ++−==−

Caracteristica de transfer:

Randamentul etajului de ieşire clasa A

a

u

P

Pη =

oooo

u IUIU

P∧∧

∧∧

⋅==2

1

22, cu valoarea maximă: maxmax

maxmax

max 2

1

22o,o,

o,o,

u, IUIU

P∧∧

∧∧

⋅==

unde II, UEU o,CE,satCo, =−=∧∧

maxmax

Rezultă:

( ) IUEP CE,satCo, ⋅−=2

1max

IEP Ca 2=

0pentru 25%)14

1max ≅≅−= CE,sat

C

CE,satU

E

U(η