Andrzej Szerszen
S5827

Projekt wzamcniacza opertego o tranzystor n-p-n Q2N2222

Dane:
E

C

=12V

f

d

=15Hz

f

g

=25kHz

R

O

=15kΩ

R

g

=4,7kΩ

Poszukiwane:
R

B1

, R

B2,

R

C

, R

E

, C

E

, C

1

, C

2

i C

X

– brakujący na chemacie filtr dolnoprzepustowy RC

Prawidłowy schemat wzmacniacza :

Figure  1  Schemat  wzmacniacza

Wy

+Ec

Ro

Rc

RB1

RB2

RE

CE

C2

C1

Rg

Cx

Zadanie 1.
Stosując program Pspice wykonaj wykresy statycznych charakterystyk wejściowych i
wyjściowych tranzystora n-p-n Q2N2222, dla układu ze wspólnym emiterem(WE).
Analizę wykonaj dla temperatury t

j

=27°C, w zakresie zmian prądu bazy w przedziale

0-120 µA, ze skokiem 10µA.

Rozwiązanie:
Charakterystyka wejściowa dla mojego tranzystora w Pspice w układzie pomiarowym
jak na rysunku poniżej:

 

Figure  2  .Pomiar  charekterystyki  wejściowej

Figure  3  Wykres  Charakterystyki  wejsciowej

0.001

R1

+

-

V2

DC=12

Q2N2222

Q1

+

-

V1

0

0

0

A1:(713.964m,75.001u) A2:(600.000m,1.3977u) DIFF(A):(113.964m,73.604u)

Date/Time run: 06/26/10 20:12:51

* C:\Documents and Settings\aszerszen\My Documents\Schemat WE.sch

Temperature: 27.0

Date: June 26, 2010

Page 1

Time: 20:14:52

(A) Schemat WE.dat (active)

V_V1

600mV

620mV

640mV

660mV

680mV

700mV

720mV

740mV

760mV

IB(Q1)

0A

50uA

100uA

150uA

200uA

250uA

300uA

Napięcie wejściowe w punkcie pracy

Charakterystyka wyjściowa dla mojego tranzystora w Pspice w układzie pomiarowym
jak na rysunku poniżej:

Figure  4  Pomiar  Charakterystyki  wyjsciowej

Figure  5  Charakterystyka  Wyjściowa  tranzystora

0.001

R1

Q2N2222

Q1

+

-

I1

+

-

V

0

0

0

Date/Time run: 06/26/10 17:30:12

* C:\Documents and Settings\aszerszen\My Documents\Schemat WY.sch

Temperature: 27.0

Date: June 26, 2010

Page 1

Time: 17:30:24

(A) Schemat WY.dat (active)

V_V2

0V

2V

4V

6V

8V

10V

12V

Ic(Q1)

-5mA

0A

5mA

10mA

15mA

20mA

25mA

U

CES

75uA

Punkt Pracy

Zadanie 2. Dla schematu jak na rys. 1 (Figure 1) Wykonaj project wzmacniacza
jednowstopniowego w układzie WE dla małych amplitud 3db I paramaetrach jak w
danych ze strony 1. Oblicz uzyskane wzmocnienie Ku i Ki, oraz rezystencję
wejsciową r

WE

i wyjściową r

WY

. Obliczenia wykonajbez użycia komputera przy

załozeniu r

BB

=0, oraz h

22

=1, r

CE

=0 Dobór pracy tranzystora na charakterystykach

uzyskanych z zadania 1.

Rozwiązanie:

Wybieram Punkt Pracy z charakterystyk WE, WY tranzystora:
U

CEQ

=4V, I

BQ

= 75µA, I

CQ

=14mA z charakterystyki wyjsciowej,

I

B

=75µA ⇒ 713mV = U

BQ

z charakterystyki wejściowej.

Za pomocą tych danych wyliczm współczynik β dla Q2N2222.

€

β =

I

CQ

I

BQ

=

14mA

75µ

A =

14 * 0,001A

75 * 0,000001A

= 186,7- współczynnik wzmocnienia.

Obliczmamy Rc i R

E

:

U

EC

= I

CQ

* R

C

+U

CEQ

+I

EQ

*R

E

wiadomo, ze prąd emitera jest równy prądom bazy i

kolektora, oraz prąd kolektora jest równy β*I

B

+(1+β)*I

CQ

a ponieważ I

CQ

jest bardzo

małe to zakładamy, że I

CQ

= β* I

BQ

, czyli

€

I

BQ

=

I

CQ

β

I

E

= I

CQ

+

 

€

I

CQ

β

, więc U

CC

=I

CQ

*R

C

+U

CEQ

+(I

CA

+

 

€

I

CQ

β

)*R

E

Ponieważ ICQ>>

 

€

I

CQ

β

mozemy wyłaczyć je z równania:

U

CC

=I

CQ

*R

C

+U

CEQ

+I

CA

*R

E

U

CC

- U

CEQ

= I

CQ

(R

E

+ R

C

), czyli R

E

+ R

C

=

€

U

cc

− U

CEQ

I

CQ

podstwiając

R

E

+ R

C

=

€

12V − 4V

14mA

= 571,4Ω

Wyliczmy zakres pracy wzmacniacza potrzebny do ustalenia konkretnych impedencji
R

E

i R

C.

U

WYMAX-

=U

CEQ

-U

CES

, gdzie U

CES

wynika z charakterystyki wyjsciowej ≈ 0,5V, czyli

U

WYMAX-/+

=4V-0,5V=3,5V

U

WYMAX

= I

CQ

(R

C

||R

O

)

R

C

=

€

U

wy max

* R

O

I

CQ

* R

O

− U

wy max

=

3,5V *15kΩ

14mA *15kΩ − 3,5V

=

3,5 *15000

0,014815000 − 3,5

= 254Ω

R

E

=571,4Ω-254Ω=317,4Ω

Obliczamy R

B1

I R

B2

, wychodzimy z załozenia, ze R

B2

musi być o wiele wiekszy R

B1

,

zeby nie wpływało to na napięcie U

B

.

I

B

= 75µA, U

B

= 0,713V

I

B

<< I

RBA

⇒ I

B

*10= I

RBA

=0,75mA z tego wynika, że U

RB1

=U

CC

–U

BQ

-U

RE

U

REQ

=I

EQ

*R

E

=14mA*317,4Ω=4,44V

R

B1

=

€

U

CC

− U

BQ

− U

REQ

I

RB1

=

12V − 0,713V − 4,44

0,75mA

= 9,18kΩ

R

B2

=

€

U

BQ

+ U

REQ

11* I

BQ

=

0,713V + 4,44V

11* 0,75µA

= 6,2kΩ

Obliczam rezystencję wejsciową R

B

.

R

B=

€

R

B1

* R

B 2

R

B1

+ R

B 2

= 3,7kΩ

Obliczmy wzmocnienie napięcowe Ku w zakresie srednich częstotliwości:

R

WE

=

€

R

B

* r

be

R

B

+ r

be

= (R

B

|| r

be

)

r

be =

β* r

eb

r

eb

=

€

ϕ

T

I

E

k(stała  Boltzmana)            

   

q  (  ładunek    elektryczny)            

   

T(współczynnik  temperaturowy)    

C  =  25+273=  298   K

€

r

eb

'

=

ϕ

t

I

E

r

eb

`

=

25,5mV

14mA

r

eb

`

=

25,5 * 0,001V

14 * 0,001A

r

eb

`

=

0,0255V

0,014 A

r

eb

`

= 1,82Ω

€

r

b

'

e

=

β

* r

eb

'

r

b

'

e

= 186,7 *1,82Ω

r

b

'

e

= 339,8Ω

€

R

we

= r

b

'

e

|| R

b

=

r

b

'

e

* R

B

r

b

'

e

+ R

B

R

we

=

339.8Ω * 3,7kΩ

339,8Ω + 3,7kΩ

R

we

= 331Ω

€

g

m

=

I

c

ϕ

T

g

m

=

14mA

22,5mV

g

m

= 549mS

€

K

u

=

R

we

R

we

+ R

g

* g

m

* (R

c

|| R

o

)

K

u

=

R

we

R

we

+ R

g

* gm *

R

c

* R

o

R

c

+ R

o

K

u

=

331Ω

331Ω + 4700Ω

* 0,549 *

15000Ω * 254Ω

15000Ω + 254Ω

= 0,0658 * 0,549S * 249,7Ω = 9,02

wzmocnienie napięciowe = 9,02

Obliczmy wzmocnienie prądowe K

I

w zakresie srednich częstotliwości:

€

K

1

= K

u

*

R

O

R

g

K

1

= 9,02 *

15kΩ

4,7kΩ

= 28,8

wzmocnieie prądowe wynosi 28,8

Obliczmy pojemności kondensatorów dla niskich częstotliwosci:

€

C

1

=

10

2 * π * f

d

* (R

g

+ R

we

)

C

1

=

10

2 * 3,14 *15Hz * (4,7kΩ + 331Ω)

=

10

6,28 *15 * (4,7 *1000 + 331Ω)

= 35

µF

€

C

2

=

10

2 *

π

* f

d

* (R

o

+ R

c

)

C

2

=

10

2 * 3,14 *15Hz * (15kΩ +1,23kΩ)

C

2

=

10

6,28 *15 *16,23*1000

C

2

=

10

1528866

C

2

= 6,5uF

Dla  C

1  

i

 C

2

 przyjmuję  10-­‐krotnie  mniejsza  wartość  f

d

,  ponieważ chcę żeby C

E

był

decydującym kondensatorem o f

d

calego układu.

€

R

CE

= R

E

||

r

b

'

e

+ R

g

|| R

B

β +1

€

R

G

R

B

=

R

g

* R

B

R

g

+ R

B

R

G

R

B

=

4,7kΩ * 3,7kΩ

4,7kΩ + 3,7kΩ

= 2,07Ω

€

R

CE

= R

E

||

r

b

'

e

+ R

g

|| R

B

β +1

R

CE

= 317,4Ω ||

339,8Ω + 2070Ω

186,7 +1

R

CE

= 317,4Ω ||12,8Ω

R

CE

=

317,4Ω *12,8Ω

317,4Ω +12,8Ω

= 12,3Ω

€

C

E

=

1

2 * π * f

d

* R

CE

C

E

=

1

2 * 3,14 *15Hz *12,3Ω

C

E

= 862

µF

Obliczmay pojemność C

X

(filtr RC dolnoprzepustowy):

€

f

g

=

1

2ΠR

CX

C

X

,(Hz)

R

CX

= R

O

|| R

C

,

R

CX

=

15000Ω * 254Ω

15000Ω + 254Ω

= 250Ω

C

X

=

1

2 * 3,14 * 25000Hz * 250Ω

= 25,4nF

Obliczamy  KU

[dB]

:

€

K

u[dB ]

= 20log(9,02) = 19,1

Zadanie 3.
Wykonaj analize projektu z Zadania 2 stosując PSpice. Porównaj uzyskane wyniki
obliczeń uwzględniając przy porównaniu fakt zastosowania uproszczonych zasad w
Zad 2.

Odpowiedź:
Po dokonaniu symulacji wzmacniacza widzimy róznice wynikające z obliczeń:
Maksymalna wartość wzmocnienia przy napięciu wejsciowym 750mV wynosi około
8X, czyli K

U

= 8, z obliczen wynikało 9,2 . Odcięcie dolnych częstotliwości przy -3db

to 13,5Hz a nie 15Hz, f

g

=26kHz, a zakładalismy 25kHz.

Poniżej układ, oraz charakterytyka pracy wzmacniacza.

Figure  6  Schemat  Wzmacniacza  w  PSpice

Figure  7  Charakterystyka  Wzmacniacza  w  PSpice

+

-

WE

+

-

V2

25.4n

Cx

15k

RO

862u

CE

317.4

Re

9.18k

RB1

254

RC

Q1

Q2N2222

6.5u

C2

4.7k

Rg

C1

35u

6.2k

RB2

0

0

0

0

0

0

0

Date/Time run: 07/03/10 22:18:20

* C:\Documents and Settings\aszerszen\My Documents\ukladBzyk.sch

Temperature: 27.0

Date: July 03, 2010

Page 1

Time: 22:19:02

(A) ukladBzyk.dat (active)

Frequency

1.0Hz

10Hz

100Hz

1.0KHz

10KHz

100KHz

1.0MHz

V2(Cx)

0V

2.0V

4.0V

6.0V

8.0V

-3db