wyk.: PIOTR H.ZABRZEŃSKI prow.:dr inż. KUKAWCZYŃSKI
Politechnika Wrocławska termin: środa godz.9.15
Wydział Elektroniki
II rok Elektroniki/EMA
Projekt nr 1
z układów elektronicznych
temat: Wzmacniacz
dwutranzystorowy
Chorzów marzec'95
Spis treśi
1.Temat projektu................................3
2. Wstęp - podstawowe założenia.................3
3.Rozwiązanie projektu..........................4
3.1. Analiza stałoprądowa DC..................4
3.1.1. Analiza DC w temp. 300 K............4
3.1.2. Analiza DC w temp.273 K,338 K.......5
3.2. Analiza zmiennoprądowa AC................6
3.3. Symulacja komputerowa....................8
4.Dyskusja i wnioski............................8
5.Dodatki.......................................8
6.Literatura....................................8
-2-
1.Temat projektu
W oparciu o podany schemat należy:
a) znaleźć punkt pracy obu tranzystorów typu 2N2222 w tempe-
raturze odniesienia 300K oraz w temperaturach 273K , 338K .
b) obliczyć skuteczne wzmocnienie napięciowe Kusk , wzmocnienie
napięciowe Ku12 w temperaturze odniesienia .
c) obliczyć rezystancje wejściową rwe i wyjściową rwy dla skła-
dowej zmiennej w temperaturze odniesienia .
Do obliczeń przyjąć: Ec=42.5V , Ro=2 kW , Rc1=330 kW , Re1=680 W
, Rs=150 kW , Rc2=10 kW , Re2=430 W , Roo=ł W , 1/wC=0 W .
Przy obliczeniach wykorzystać uproszczony model hybryd P
o parametrach : napięcie na zaciskach baza-emiter Ube1=590mV
Ube2=656mV , współczynnik doskonałości złącza baza-emiter w te-
mperaturze odniesienia m=1.136, termiczny współczynnik zmian na-
pięcia w modelu tranzystora c=-2.3mV/K.
Rys.1. Schemat ideowy wzmacniacza dwutranzystorowego
będącego tematem projektu
2.Wstęp-podstawowe założenia
W trakcie obliczeń przyjąłem,że pkty pracy tranzystorów znajdu-
ją się w obszarze aktywnym . Wówczas staje się słuszny przyjęty
model tranzystora . Po wyliczeniach należałoby sprawdzić czy:
- napięcie kolektor-emiter jest dużo większe od zera (w praktyce
większe od 0.2V-0.3V).W przeciwnym razie tranzystor będzie w
stanie nasycenia.
- złącze baza-emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia
(w praktyce Ube=0.55-0.7V dla złącza Si) lub czy prąd kolektora
jest większy od 0.01*Icmax(prąd Icmax obliczany gdy Uce=0V).W
przeciwny razie tranzystor będzie w stanie odcięcia.
Drugim założeniem upraszczającym jest sam model tranzystora .
W modelu tym pominięto pojemności złączowe i dyfuzyjne , rezysta
ncje dynamiczne modelujące wzór Schockley'a , rozproszenia oraz
modelujące zjawisko Early'ego.
-3-
Następnym założeniem było pominięcie prądów zerowych
tranzystorów a także pominięcie zmian termicznych zwarciowego
współczynnika wzmocnienia prądowego b(T)=const.
Wszystkie te założenia wpływają oczywiście na niedokładność o-
bliczeń,jednak w niewielkim stopniu.Dzięki tym założeniom pro-
jekt staje się prostszy w rozwiązaniu.
3.Rozwiązanie projektu
Rozwiązanie projektu należy podzielić na dwa etapy.Najpierw do-
konywana jest analiza stałoprądowa DC,której celem jest wyzna-
czenie pktu pracy,czyli określenie prądów oraz napięć polaryzu-
jących oba tranzystory.Jej wyniki są konieczne do analizy zmie-
nnoprądowej AC,która jest użyteczna do określenia parametrów u-
kładu takich jak:wzmocnienie sygnału,rezystancji itd.Analiza AC
zwana również małosygnałową jest słuszna dla niewielkich zmian
sygnału wokół punktu pracy.
3.1.Analiza stałoprądowa DC
W tej analizie rozwieramy wszelkie pojemności i zmienne siły
prądomotoryczne ,zaś indukcyjności i zmienne siły elektromotory-
czne zwieramy.Wykorzystuje się tu założenie o pracy tranzystorów
w obszarze aktywnym.Po każdych obliczeniach sprawdzam,czy napię-
cie na złączu baza-emiter przekracza 0.2-0.3V, zaś prąd kolekto-
ra Ic jest większy od 0.01*Icmax.Oba warunki muszą być spełnio-
ne równocześnie.Wynikiem tej analizy są wartości prądów kolekto-
rowych Ic1,Ic2, napięcia kolektor-emiter Uce1,Uce2
3.1.1.Analiza stałoprądowa
w temperaturze 300 K
W tej temperaturze mając podane w temacie projektu napięcie na
zaciskach baza-emiter nie muszę identyfikować parametrów modelu
z równoczesnymi obliczeniami punktu.
Rys.2. Schemat ideowy wzmacniacza dwutranzystorowego
dla analizy stałoprądowej DC
-4-
Uwzględniając założenia oraz opierając się na podstawowych wzo-
rach tranzystora bipolarnego dla obwodu z rys.2. otrzymuje się :
(Ic1+Ib2)*Rc1+Ube2+(Ie2-Ib1)*Re2=E...................(3/1)
Ie1*Re1+Ube1+Ib1*Rs=(Ie2-Ib1)*Re2....................(3/2)
Ie1=(1+1/b1)*Ic1.....................................(3/3)
Ie2=(1+1/b2)*Ic2.....................................(3/4)
Ib1=(1/b1)*Ic1.......................................(3/5)
Ib2=(1/b2)*Ic2.......................................(3/6)
Uce1=E-(Ic1+Ib2)*Rc1+Ie1*Re1.........................(3/7)
Uce2=E-Ic2*Rc2-(Ie2-Ib1)*Re2.........................(3/8)
Uwzględniając powyższe równania otrzymuję:
Ic1=114.89mA Uce1=1.3387V
Ic2=1.8915mA Uce2=24.393V
Zatem oba tranzystory są w stanie aktywnym , więc równania
(3/3)-(3/6) oraz wyniki oparte na nich są prawdziwe.Natomiast
siły elektromotoryczne w modelu tranzystora wynoszą:
Ubeo1(300)=560.46mV Ubeo2(300)=626.46mV
zaś rezystancje Rp wynoszą :
Rp1(300)=29.80kW Rp2(300)=3.079kW
3.1.2.Analiza stałoprądowa
w temperaturach 273 K,338 K
W tych temperaturach należy oprzeć się na modelu tranzystora.
Jednak w tym modelu,parametr Rp=f(Ic) zależy od prądu kolektora.
6Należy .Parametr Ubeo maleje ze wzrostem temperatury o ok.
2.3mV na każdy stopień kelvina.
Z modelu hybryd p tranzystora otrzymuje się :
Ube1(T)=(Ic1/b1)*Rp1+Ubeo1(T).........................(3/9)
Ube2(T)=(Ic2/b2)*Rp2+Ubeo2(T).........................(3/10)
Rp1=[b1*(m*k*T)/q]/Ic1................................(3/11)
Rp2=[b2*(m*k*T)/q]/ Ic2...............................(3/12)
Ubeo1(T)=Ubeo1(300)-0.0023*(T-300)....................(3/13)
Ubeo2(T)=Ubeo2(300)-0.0023*(T-300)....................(3/14)
Równania(3/9),(3/10) po uwzględnieniu(3/11)-(3/14) przyjmują
postać:
Ube1(T)=(m*k*T)/q+Ubeo1(300)-0.0023*(T-300)...........(3/15)
Ube2(T)=(m*k*T)/q+Ubeo2(300)-0.0023*(T-300)...........(3/16)
-5-
Z równań (3/1)-(3/6) wynikają zależności:
Ic1(Ube1,Ube2)=0.1251-0.0144*Ube1(T)-0.0029*Ube2(T)....(3/17)
Ic2(Ube1,Ube2)=0.5735+2.2490*Ube1(T)-0.0135*Ube2(T)....(3/18)
Na podstawie równań (3/15)-(3/18)oraz (3/7),(3/8) otrzymuje się:
- dla temperatury T=273K
Ic1(273)=113.68mA Uce1(273)=1.51V
Ic2(273)=2.0245mA Uce2(273)=21.22V
- dla temperatury T=338K
Ic1(338)=116.5mA Uce1(338)=1.228V
Ic2(338)=1.653mA Uce2(338)=25.10V
Drugim sposobem wyznaczenia pktu pracy jest skorzystanie z
analizy małoprzyrostowej :
DIc1=(dIc1/dUbe1)*DUbe1+(dIc1/dUbe2)*DUbe2............(3/19)
DIc2=(dIc2/dUbe1)*DUbe1+(dIc2/dUbe2)*DUbe2............(3/20)
DUbe1=DUbe2=[m*k*(T-300)]/q-0.0023*(T-300)............(3/21)
Ic1(T)=Ic1(300)+DIc1..................................(3/22)
Ic2(T)=Ic1(300)+DIc2..................................(3/23)
Rożniczkując równania (3/17),(3/18) oraz dokonując przeliczeń
na równaniach (3/19)-(3/23),(3/7)-(3/8) otrzymuje się :
- dla temperatury T=273K
Ic1(273)=113.86mA Uce1(273)=1.497V
Ic2(273)=2.0245mA Uce2(273)=21.22V
- dla temperatury T=338K
Ic1(338)=116.34mA Uce1(338)=1.231V
Ic2(338)=1.7044mA Uce2(338)=24.98V
Z otrzymanych wyników widać, że w zakresie temperatur 273K-338K
tranzystory pracują w obszarze aktywnym.
Rys.3. Uproszczony model hybryd p tranzystora
bipolarnego przyjęty do obliczeń
3.1.2.Analiza zmiennoprądowa AC
W tej analizie rozwiera się stałe siły prądomotoryczne ,zwie-
ra się stałe siły elektromotoryczne w tym także w modelach.
-6-
Zwieramy także pojemności, gdyż to wynika z treści projektu
1/(w*C)=0. Analiza ta, zwana również analizą małosygnałową, do-
tyczy małych przyrostów sygnału zmiennego. Parametry w modelach
zostały obliczone na podstawie analizy DC w temperaturze odnie-
sienia 300K (patrz. rozdział 3.1.1.). Model ten jest słuszny dla
małych częstotliwości, gdyż pominięte pojemności nie odgrywają
tutaj znaczenia.
Rys.4. Schemat ideowy do analizy małosygnałowej
Dla obwodu z rys.4. otrzymujemy:
ib1*[Rp+(b1+1)*Re1]+iwe*Ro= e........................(3/24)
(iwe-ib1)*Rs= ib1*[Rp1+(b1+1)*Re1]...................(3/25)
ib2=(ib1*b1*Rc1)/(Rc1+Rp2)...........................(3/26)
uoo=b2*ib2*Rc2.......................................(3/27)
u1=ib1*[Rp1+(b+1)*Re1]...............................(3/28)
zatem skuteczne wzmocnienie napięciowe Kusk na podstawie równań
(3/24)-(3/27) wynosi:
Kusk=uoo/e
Kusk=(b1*b2*Rc1*Rc2)/{[[Rp1+(b1+1)*Re1]*(1+Ro/Rs)+Ro]*[Rp2+Rc1]}
wzmocnienie napięciowe Ku12 na podstawie równań (3/26)-(3/28)
wynosi:
Ku12=uoo/u1
Ku12=(b1*b2*Rc1*Rc2)/{[Rp1+(b1+1)*Re1]*(Rp2+Rc1)}........(3/30)
rezystancja wejściowa rwe na podstawie (3/25),(3/28) wynosi:
rwe=u1/iwe
rwe=[Rp1+(b1+1)*Re1]/{1+[Rp1+(b1+1)*Re1]/Rs}..............(3/31)
rezystancja wyjściowa rwy wynosi:
rwy=-uoo/iwy
rwy=
Po wstawieniu danych otrzymuje się :
Kusk=2038.23V/V Ku12=2070.30V/V
rwe=63.25kW rwy=
-7-
3.3.Symulacja komputerowa
Symulację tą przeprowadziłem za pomocą programu PSPICE wersja
5.2.Model tranzystora bipolarnego 2N2222 zmodifikowałem, dopaso-
wując go do danych z projektu(zmieniłem współczynniki wzmocnie-
nia prądowego BF).Dane wyjściowe z analizy znajdują się w załą-
cznikach.
4.Dyskusja i wnioski
Tematem projektu była analiza wzmacniacza dwutranzystorowego.
Posiada on sprzężenie zwrotne równoległe-prądowe mająca zwię-
kszyć pasmo przenoszenia jednak przy niewielkim zmniejszeniu
wzmocnienia oraz rezystancji wejściowej (patrz.(3/29)-(3/31)).
Układ ma taką strukturę,że odwraca fazę sygnału wejściowego na
poszczególnych stopniach wyjść tranzystorów o p rad (gdyż pra-
cują one w konfiguracji WE), co daje odwrócenie fazy o 2p na wy-
jściu wzmacniacza dwutranzystorowy ,czyli wzmacniacz nie odwraca
fazy.
Układ jest tak zaprojektowany (m.in.dzięki Rs), że gdy rośnie
prąd kolektora w pierwszym tranzystorze to w drugim musi zmaleć
i odwrotnie.Dlatego też układ jest bardziej stabilny na zakłóce-
nia i zmiany temperatury.
5.Dodatki
1.Obliczenia ze PSPICE'a
2.Dyskietka ze zbiorem wejściowym na PSPICE'a
6.Literatura
1.Baranowski J.,Nosal Z.-"Układy elektroniczne cz.1" WNT 1994
2.Baranowski J.-"Półprzewodn. ukł.impulsowe i cyfrowe" WNT 1976
3.Guziński A.-"Liniowe elektroniczne układy analogowe" WNT 1993
4.Korohoda , Porębski -"
5.Marciniak W.-"Przyrządy półprzewodnik.i ukł.scalone" WNT 1979
oraz notatki z projektu
-8-