Wzmacniacze skrypt Projektowanie wzmacniaczy

Metody projektowania wzmacniaczy
tranzystorowych
AUTOR: mgr inż. Jan Bernecki �
-2010-
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
2
Spis treści
4
1. Wstęp & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & ...& ..
8
2. Ogólna charakterystyka projektowanych wzmacniaczy tranzystorowych & & ..& & & ..&
8
2.1. Wzmacniacz tranzystorowy w konfiguracji WE .& & & & & & & & & & & .& .& ...
12
2.2. Wzmacniacz tranzystorowy w konfiguracji WB .& & & & & & & & & & .& & ..& & .
15
2.3. Wzmacniacz tranzystorowy w konfiguracji WK .& & & & & & & & & ..& & & .& .
19
3. Algorytmy obliczeniowe stosowane przy projektowaniu wzmacniaczy & & & ..& & & ..
19
3.1. Analiza w dziedzinie prądu stałego (DC) ..& & & & & & .& & & & & & & ..& & & ..
19
3.1.1. Obwód polaryzacji wzmacniacza w konfiguracji WE & & & & & & & & ..& &
23
3.1.2. Obwód polaryzacji wzmacniacza w konfiguracji WB .& & & & & & & & .& &
25
3.1.3. Obwód polaryzacji wzmacniacza w konfiguracji WK & & & & & & & & ..& &
28
3.2. Analiza w dziedzinie prądu zmiennego (AC) ...& & & & & & & & & & & & & & & ..
28
3.2.1. Parametry wzmacniacza w konfiguracji WE & & ...& & & & & & & & & .& &
28
3.2.1.1. Analiza małosygnałowa & ...& & & & & & & & & & & & & & & & & ..
35
3.2.1.2. Analiza wielkosygnałowa & & .& ..& & & & & & & & & & & & & .& ...
36
3.2.2. Parametry wzmacniacza w konfiguracji WB & ..& & & & & & & & .& & ..& &
36
3.2.2.1. Analiza małosygnałowa & ...& & & & & & & & & & & & & & .& & & ..
42
3.2.2.2. Analiza wielkosygnałowa & & .& ..& & & & & & & & & & & & & .& ...
43
3.2.3. Parametry wzmacniacza w konfiguracji WK & ...& & & & & & & & & & .& &
43
3.2.3.1. Analiza małosygnałowa & ...& & & & & & & & & & & & & & & .& & ..
50
3.2.3.2. Analiza wielkosygnałowa & & .& ..& & & & & & & & & & & & & & ....
52
3.3. Zestawienie parametrów wzmacniaczy na etapie obliczeń teoretycznych & & & & &
53
4. Symulacja działania zaprojektowanych wzmacniaczy w programie PSpice & & & & & ...
53
4.1. Parametry wzmacniacza w konfiguracji WE & & & & & & & & & & & & ..& & & ..
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
3
53
4.1.1. Badanie w zakresie prądu stałego & & & & & & & & & & & & & & & & ..& &
54
4.1.2. Badanie w zakresie prądu zmiennego .& & & & & & & & .& & & & & & & & .
56
4.2. Parametry wzmacniacza w konfiguracji WB & & & & .& & & & & & & & ...& & & ..
56
4.2.1. Badanie w zakresie prądu stałego & & & & & & & & ..& & & & & & & & & &
57
4.2.2. Badanie w zakresie prądu zmiennego .& & & & & & & & .& & & & & & & .&
60
4.3. Parametry wzmacniacza w konfiguracji WK & & & & .& & & & & & & ..& & .& & ..
60
4.3.1. Badanie w zakresie prądu stałego & & & & & & & & & & & & & .& & ..& & ...
61
4.3.2. Badanie w zakresie prądu zmiennego .& & & & & & & & .& & & & & & & .&
64
4.4. Zestawienie parametrów wzmacniaczy na etapie symulacji w PSpice & ..& & & & ....
65
5. Analiza wyników projektowych i wnioski & & & & & & & & & & & & .& & & ..& & & ..
67
6. yródła informacji technicznych & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .&
68
7. Załącznik 1 schematy wzmacniaczy do analizy DC i AC & & & & & & & & & & & .&
8. Załącznik 2 charakterystyki tranzystora BC547B & & & & & & & & ..& & & & & & & 70
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
4
1. Wstęp
Proces projektowania wzmacniaczy tranzystorowych powinno się rozłożyć na wiele
etapów tak, aby w pełni potwierdzić funkcjonalność i przydatność układu. Początkowo należy
określić jaką funkcję w systemie będzie spełniał projektowany wzmacniacz. Następnie
wybrać odpowiednią strukturę układową, która przynajmniej teoretycznie zagwarantuje
uzyskanie właściwych parametrów. Najczęściej do budowy wzmacniaczy napięcia
wykorzystuje się konfigurację wspólnego emitera (WE). Ten układ pracy tranzystora
zapewnia duże wartości współczynników wzmocnienia napięciowego i prądowego. Pozostałe
konfiguracje, czyli wspólna baza (WB) i wspólny kolektor (WK) stosuje się zazwyczaj
w celu dopasowania impedancyjnego na wejściu bądz wyjściu układu. Istotny jest też fakt,
aby zapewnić pewną regulację czy też korekcję ze względu na występowanie m.in.
pojemności pasożytniczych na złączach elementów aktywnych. Można również zastosować
ujemne sprzężenie zwrotne, które spowoduje spadek wrażliwości wzmacniacza na zmiany
warunków roboczych. Warto także przetestować układ pod względem wpływu czynników
zewnętrznych takich jak temperatura, wilgotność lub zmiana warunków zasilania czy
obciążenia. Najważniejszą zasadą, o której należy pamiętać przy projektowaniu jest
optymalizacja układu pod względem tylko niektórych, wybranych parametrów. Zazwyczaj
zyskując na jednym parametrze niestety traci się na innym np. zwiększając współczynnik
wzmocnienia napięciowego redukuje się pasmo przenoszenia albo minimalizując napięcie
zasilania ogranicza się znacząco amplitudę sygnału wyjściowego.
Każdy wzmacniacz napięcia należy rozpatrywać odrębnie i tylko pod kątem wybranego
zastosowania. Niektóre parametry różnych wzmacniaczy mogą być bardzo zbliżone do siebie
m.in. wzmocnienie napięciowe, rezystancja wejściowa i wyjściowa. Natomiast wymagania
użytkowe narzucają pewne priorytety w kwestii uzyskiwanych walorów technicznych. Jeżeli
miałby być projektowany np. wzmacniacz mikrofonowy to pierwszorzędną i najważniejszą
sprawą byłaby minimalizacja współczynnika szumów, a dopiero pózniej dbałość
o utrzymanie odpowiednich wartości wzmocnienia napięciowego czy rezystancji wejściowej.
Najistotniejszym wówczas etapem projektowania stałby się sam proces doboru
niskoszumnych elementów aktywnych. Innym przykładem może być wzmacniacz
słuchawkowy klasy A. Przy rozpatrywaniu tego układu należałoby się skupić przede
wszystkim na ograniczeniu poziomu zniekształceń nieliniowych sygnału wyjściowego
(np. THD = 0,01%). Kolejnym przykładem może być wzmacniacz antenowy. Powinien on
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
5
charakteryzować się bardzo szerokim pasmem przenoszenia sygnału, co następnie warunkuje
właściwy odbiór sygnałów nadawanych z wielu stacji radiowych i telewizyjnych.
W przypadku prawidłowego odbioru VHF i UHF projektowany wzmacniacz musiałby
spełniać warunki pasmowe do ok. 900MHz tak, aby nie wprowadzał żadnych ograniczeń.
Następnym wariantem projektowym może być przenośny wzmacniacz zasilany bateryjnie
(układ całkowicie mobilny). Wówczas decydujące znaczenie będzie odgrywać oszczędność
poboru mocy obwodu zasilającego. Można by również rozważyć odwrotny przypadek, czyli
wzmacniacz wysokonapięciowy. W związku z tym należałoby się skupić na zagwarantowaniu
odpowiednio dużej wydajności napięciowej na wyjściu układu.
Rozważając powyższe przypadki, pod względem sposobów projektowania
wzmacniaczy napięciowych, należy oprócz korzyści przeanalizować również wady.
Najczęściej zysk w postaci poprawy jednego parametru powoduje pogorszenie innego.
Pojawiają się wówczas kolejne problemy przy projektowaniu danego układu. Wiedząc, że np.
istotna jest praca niskoszumna czy szerokopasmowa, należy się liczyć z konsekwencją
obniżenia wzmocnienia napięciowego. Z kolei, aby zapewnić niewielkie zużycie energii
elektrycznej trzeba liczyć się ze znaczącym ograniczeniem poziomu sygnału wyjściowego itd.
Proces projektowania wzmacniaczy tranzystorowych rozpoczyna się od doboru
punktów pracy elementów dyskretnych oraz zbadania wydajności napięciowej na wyjściu
układu. Można więc w pierwszym etapie skorzystać z ogólnej zależności:
UWYmax = IC � Robc (1)
Oczywiście należy dopasować wartość prądu kolektora (IC) w stopniu wyjściowym
względem rezystancji obciążenia (Robc) całego układu, aby zapewnić maksymalną amplitudę
napięcia wyjściowego (UWYmax). Często jednak zdarza się, że tak wyznaczona graniczna
wartość amplitudy jest zaniżona w stosunku do założonej i przy pełnym wysterowaniu
dochodzi do jej deformacji (obcięcia). Takie zjawisko powoduje wzrost poziomu
zniekształceń nieliniowych sygnału wyjściowego (wzrost wartości współczynnika zawartości
harmonicznych, zwanego często w skrócie THD). Ważne jest więc zachowanie pewnego
marginesu (zapasu) napięcia. Z tego powodu warto przyjmować celowo zawyżoną wartość
amplitudy sygnału, ale oczywiście w granicach sensownej tolerancji (np.20%) tak, aby nie
spowodowało to w stopniu znaczącym wzrostu wielkości zasilania. Nie jest to jednak jedyny
ważny warunek związany z amplitudą. Należy zadbać, aby maksymalnie wzmacniany sygnał
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
6
sinusoidalny był symetryczny względem poziomu zerowego. Nie jest to wcale łatwe do
zrealizowania. Na pewno należy zadbać, aby napięcie na złączu kolektor-emiter (UCE)
tranzystora w stopniu wyjściowym było większe od wymaganej granicznej wartości
amplitudy zgodnie z następującą zależnością:
UCE > UWYmax (2)
W obliczeniach należy koniecznie uwzględnić napięcie nasycenia tranzystora (UCEsat),
a także pewien dodatkowy margines napięcia ("UCE), czyli ostatecznie można zapisać:
UCE = UWYmax + UCEsat + "UCE (3)
W długim procesie projektowania powinno się przestrzegać powyższych zasad, aby
uniknąć asymetrycznego obcinania amplitudy sygnału napięciowego na wyjściu
wzmacniacza. W praktyce jednak bardzo często trzeba wprowadzać jeszcze drobne
modyfikacje w strukturze układu lub niewielką korektę wartości elementów tworzących
obwód zasilający. W odróżnieniu od wzmacniaczy napięcia zmiennego nieco trudniejszym
przypadkiem w analizie są wzmacniacze napięcia stałego. W tego typu układach nie
występują żadne elementy pojemnościowe (fd = 0Hz). Taka struktura powoduje pojawienie
się wejściowego napięcia niezrównoważenia. W efekcie wyjściowy sygnał zmienny jest
przesunięty względem poziomu zerowego. Aby uniknąć pojawiania się składowej stałej na
wyjściu układu należy stosować różne metody kompensacji sygnału niezrównoważenia.
Jeżeli są spełnione powyższe kryteria oraz prawidłowo dobrane punkty pracy
elementów aktywnych to można kontynuować proces projektowania w dziedzinie prądu
stałego. Polega on na wyznaczeniu wartości elementów rezystancyjnych i doboru zródła
napięcia zasilania (baterii). Odbywa się to przy wykorzystaniu podstawowych zależności
z dziedziny elektrotechniki takich jak prawo Ohma, prawa Kirchhoffa, twierdzenie Thevenina
i Nortona, metoda potencjałów węzłowych, prądów oczkowych itp. Następnie należy
sprawdzić czy wartości punktów pracy tranzystorów są zgodne z założeniami i czy zostały
spełnione wszelkie wymagania energetyczne względem zastosowanych elementów
w układzie.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
7
W kolejnym etapie projektowania należy dokonać analizy w dziedzinie prądu
zmiennego. Dla uproszczenia obliczeń warto dokonać osobno analizy małosygnałowej
oraz wielkosygnałowej. Najpierw należy sprawdzić wielkości parametrów małosygnałowych
takich jak wzmocnienie napięciowe, prądowe, rezystancja wejściowa i wyjściowa. Następnie
trzeba zbadać o szerokość pasma przenoszenia sygnału, czyli wartości częstotliwości
granicznych przy trzydecybelowym spadku (-3dB). W końcowej fazie projektowania zawsze
warto zastanowić się nad zastosowaniem odpowiedniego rodzaju ujemnego sprzężenia
zwrotnego. Co prawda wpływa ono diametralnie na zmianę wielkości parametrów roboczych,
ale w zamian umożliwia ich regulację, powoduje poszerzenie pasma, linearyzuje
charakterystyki częstotliwościowe, zmniejsza poziom zniekształceń nieliniowych i stabilizuje
układ pod względem termicznym itd. Aby wykorzystać najbardziej efektywnie sprzężenie
zwrotne należy się dokładnie zastanowić czy zastosować wariant połączenia szeregowego czy
równoległego. Przy sprzężeniu szeregowym otrzymamy znaczącą redukcję wzmocnienia
napięciowego, wzrost rezystancji wejściowej i niezmienne wzmocnienie prądowe. W opcji
równoległej otrzymamy zupełnie odwrotne rezultaty parametrów. Nie jest to jednak jedyna
istotna kwestia dotycząca sprzężenia. Należy dodatkowo zastanowić się czy wykorzystane
sprzężenia ma obejmować jednocześnie wszystkie stopnie układu (globalne) czy ma mieć
jedynie charakter lokalny. Zazwyczaj stosuje się sprzężenie globalne, ale wtedy pojawia się
kolejny problem, a mianowicie jak zabezpieczyć wzmacniacz przez samoistnym
wzbudzaniem. Oczywiście istnieje wiele metod poprawiających stabilność układu
(np. korekcja pojemnościowa lub celowe wprowadzanie pojemności pasożytniczych na złącza
tranzystorów itp.), ale niestety nie zawsze są one w pełni skuteczne i bardzo często w sposób
znaczący ograniczają pasmo.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
8
2. Ogólna charakterystyka projektowanych
wzmacniaczy tranzystorowych
Głównym celem projektowym jest zbadanie własności struktur wzmacniaczy opartych
na pojedynczym tranzystorze. Do analizy wybrano trzy podstawowe warianty wzmacniaczy
(WE, WB i WK), w których wykorzystano potencjometryczne zasilanie bazy.
2.1. Wzmacniacz tranzystorowy w konfiguracji WE
Pierwszym projektowanym układem jest typowy wzmacniacz tranzystorowy pracujący
w konfiguracji WE, którego struktura jest przedstawiona na rysunku 1. Jest on zbudowany
z tranzystora typu npn, spolaryzowanego dzielnikiem napięcia w postaci szeregowego
połączenia rezystorów R1 oraz R2. Obciążenie wewnętrzne układu stanowi rezystor w gałęzi
kolektora R4, natomiast zewnętrzne RL. Zadaniem opornika R3 jest poprawa stałości
termicznej punktu pracy tranzystora. Elementy pojemnościowe C1 oraz C2 pełnią funkcję
sprzęgająco-blokującą, a kondensator C3 bocznikuje (zwiera) rezystor w gałęzi emitera R3
dla składowych zmiennych w zakresie średnich częstotliwości.
Rys.1. Schemat ideowy wzmacniacza tranzystorowego w konfiguracji WE.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
9
Proces projektowania należy rozpocząć od analizy wymagań technicznych układu.
W tym przypadku należy spełnić następujące założenia:
a) wzmocnienie napięciowe: |KU| = 100 V/V (czyli 40dB)
b) dolna częstotliwość graniczna: fd = 100Hz
c) górna częstotliwość graniczna: fg = 100kHz
d) rezystancja wewnętrzna zródła sygnału (generatora): RG = 50&!
e) rezystancja obciążenia (zewnętrznego): RL = 10k&!
Zaproponowana struktura wzmacniacza tranzystorowego (rys.1) powinna zapewnić
osiągnięcie powyższych parametrów. Na podstawie samego schematu ideowego można
określić przewidywane wyniki projektowe. Konfiguracja WE dla typowych punktów pracy
gwarantuje uzyskanie średnich wartości rezystancji wejściowej i wyjściowej zazwyczaj
na poziomie pojedynczych kiloomów, a także duże wzmocnienie napięciowe i prądowe rzędu
kilkudziesięciu decybeli (przeważnie dla pojedynczych tranzystorów uzyskuje się
w przedziale 30dB-50dB). Dolna częstotliwość graniczna układu zależy tylko i wyłącznie
od doboru wartości pojemności zewnętrznych kondensatorów, co umożliwia uzyskanie jej
na poziomie kilkudziesięciu herców. Z kolei górna częstotliwość graniczna powinna być
na poziomie kilkuset kiloherców lub pojedynczych megaherców, aczkolwiek jej wartość jest
ograniczona przez proces maksymalizacji współczynnika wzmocnienia oraz wewnętrzne
pojemności złączowe tranzystora (lub ewentualne pojemności pasożytnicze). Ze względu
na fakt sterowania układu sygnałem napięciowym korzystne jest, aby rezystancja wejściowa
układu była jak największa, natomiast rezystancja wewnętrzna zródła jak najmniejsza,
co jest typowe dla generatorów laboratoryjnych (np. 50&!).
Osiągnięcie powyższych wymagań projektowych można uzyskać poprzez dogłębną
analizę w dziedzinie prądu stałego (DC) oraz zmiennego (AC).
Projektowany wzmacniacz tranzystorowy powinien spełniać określone zależności
w dziedzinie prądu stałego. Składowa prądowa punktu pracy jest wyrażona wzorem:
R2
UCC �" -U
R1 + R2 BE
IC =
-1
(4)
�ł �ł
1 1
�ł + �ł
�ł
R1 R2 �ł
�ł łł
+ R3
�
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
10
natomiast składowa napięciowa wynosi:
UCE = UCC - IC �"(R3 + R4 ) (5)
W obu powyższych zależnościach pominięto znikomy wpływ prądu zerowego kolektora.
Legenda:
IC prąd kolektora;
UCE napięcie na złączu kolektor-emiter;
UBE napięcie na złączu baza-emiter;
UCC napięcie zasilania;
� zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego;
R1 rezystor w gałęzi bazy (pierwszy);
R2 rezystor w gałęzi bazy (drugi);
R3 rezystor w gałęzi emitera;
R4 rezystor w gałęzi kolektora;
W dziedzinie prądu zmiennego należy przeanalizować układ w określonym przedziale
częstotliwości. W zakresie niskich częstotliwości dokonuje się badania wpływu
kondensatorów zewnętrznych (separujących, sprzęgających, bocznikujących itp.) na wartość
dolnej częstotliwości granicznej przy spadku trzydecybelowym. Każdy z zastosowanych
kondensatorów odpowiada za określony biegun w funkcji transmitancji, czyli ma tylko
cząstkowy wpływ na ogólną wartość dolnej częstotliwości. W przypadku wzmacniacza w
konfiguracji wspólnego emitera w wersji standardowej występują trzy kondensatory, a zatem
pojawiają się trzy czynniki we wzorze charakteryzującym dolną częstotliwość graniczną
zgodnie z zapisem:
2 2 2
�ł �ł �ł �ł �ł �ł
�ł �ł �ł �ł �ł �ł
(6)
�ł �ł �ł �ł �ł �ł
1 1 �
�ł �ł �ł �ł �ł �ł
fd = + +
�ł �ł �ł �ł �ł �ł
�ł�ł 1 1 1 �ł-1 łł �ł�ł 1 �ł-1 łł �ł�ł 1 1 1 �ł-1 łł
�ł �ł �ł �ł
�ł + gce + RL �ł �ł �ł
2 �"Ą �" C1 �" �ł�ł + + + RG śł 2 �"Ą �" C2 �" �ł�ł �ł śł 2 �"Ą �"C3 �" �ł�ł + + + rbe śł
�ł �ł �ł �ł �ł �ł
�ł�ł R1 R2 rbe �ł śł �ł�ł R4 �ł śł �ł�ł R1 R2 RG �ł śł
łł łł
�ł�ł �ł �ł�ł łł �ł �ł�ł �ł
�ł łł �ł łł �ł łł
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
11
Legenda:
fd dolna częstotliwość graniczna przy spadku trzydecybelowym sygnału;
C1 kondensator sprzęgająco-blokujący;
C2 kondensator sprzęgająco-blokujący;
C3 kondensator bocznikujący (zwarciowy);
rbe rezystancja na złączu baza-emiter (rezystancja wejściowa tranzystora);
gce konduktancja na złączu kolektor-emiter (konduktancja wyjściowa tranzystora);
RG rezystancja zródła sygnału;
RL rezystancja obciążenia;
W zakresie średnich częstotliwości należy wyznaczyć parametry robocze, czyli tzw.
małosygnałowe funkcje transmitancji, a mianowicie:
- rezystancja wejściowa układu
-1
�ł �ł
1 1 1
�ł �ł
RWE = + + (7)
�ł
R1 R2 rbe �ł
�ł łł
- rezystancja wyjściowa układu
-1
�ł �ł
1
�ł �ł
RWY = + gce �ł (8)
�ł
R4 łł
�ł
- współczynnik wzmocnienia napięciowego
-1
�ł �ł
� 1 1
�ł �ł
KU = - �" gce + + (9)
rbe �ł R4 RL �ł
�ł łł
- współczynnik wzmocnienia prądowego
-1
�ł �ł
1
�ł �ł
gce +
�ł
R4 �ł
�ł łł
KI = -� �" (10)
-1
�ł �ł
1
�ł �ł
gce + + RL
�ł
R4 �ł
�ł łł
W powyższych wzorach pominięto znikomy wpływ rezystancji rozproszenia bazy rbb
oraz bocznikującą rbc.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
12
Istotnym parametrem wzmacniacza jest pasmo przenoszenia wzmacnianego sygnału,
dlatego należy oszacować wartość górnej częstotliwości granicznej przy spadku
trzydecybelowym, co przedstawia poniższy wzór:
1
f = (11)
g
-1 -1
�ł łł
�ł �ł �ł �ł
� 1 1 1 1 1 1
�ł �ł �ł �ł
2 �"Ą �" �łcbe + cbc �" �" gce + + śł �" + + +
�ł �ł �ł �ł
rbe R4 RL RG R1 R2 rbe
�ł śł
�ł łł �ł łł
�ł �ł
Ostatecznie można wyznaczyć pasmo przepustowości wzmacniacza na podstawie
powyższych częstotliwości granicznych:
B = f - fd (12)
g
a także wartość częstotliwości środkowej, którą opisuje zależność:
fo = fd �" f (13)
g
2.2. Wzmacniacz tranzystorowy w konfiguracji WB
Drugim projektowanym układem jest standardowy wzmacniacz tranzystorowy
pracujący w konfiguracji WB, którego schemat ideowy jest przedstawiony na rysunku 2.
W jego strukturze wykorzystano potencjometryczne zasilanie bazy tranzystora bipolarnego
typu npn. Obciążenie wewnętrzne układu stanowi rezystor w gałęzi kolektorowej R4,
natomiast zewnętrzne RL. Zadaniem opornika R3 jest poprawa stałości termicznej punktu
pracy tranzystora. Elementy pojemnościowe C1 oraz C2 pełnią funkcję sprzęgająco-blokującą,
a kondensator C3 bocznikuje rezystory w gałęzi bazy R1 i R2 dla składowych zmiennych
w zakresie średnich częstotliwości.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
13
Rys.2. Schemat ideowy wzmacniacza tranzystorowego w konfiguracji WB.
Powyższy wzmacniacz powinien osiągnąć następujące parametry:
a) wzmocnienie napięciowe: KU = 150 V/V (ok. 34dB)
b) dolna częstotliwość graniczna: fd = 50Hz
c) górna częstotliwość graniczna: fg = 500kHz
d) rezystancja wewnętrzna zródła: RG = 50&!
e) rezystancja obciążenia: RL = 100k&!
Zaproponowana struktura wzmacniacza tranzystorowego (rys.2) powinna zapewnić
osiągnięcie powyższych wymagań technicznych. Na podstawie schematu ideowego można
określić przewidywane wyniki projektowe. Konfiguracja WB pozwala na uzyskanie małej
wartości rezystancji wejściowej i dużej wyjściowej, niewielkiego wzmocnienia prądowego
(bliskiego jedności) oraz dużego wzmocnienia napięciowego rzędu kilkudziesięciu decybeli.
Dolna częstotliwość graniczna układu zależy od doboru wartości pojemności zewnętrznych
kondensatorów, co umożliwia uzyskanie jej na poziomie kilkudziesięciu lub kilkuset herców.
Z kolei górna częstotliwość graniczna powinna być na poziomie kilku lub kilkunastu
megaherców, aczkolwiek jej wartość jest ograniczona przez wewnętrzne pojemności
złączowe tranzystora oraz ewentualne pojemności pasożytnicze. Ze względu na niewielką
rezystancje wejściową układu także rezystancja wewnętrzna zródła powinna być
jak najmniejsza, co spowoduje ograniczenie strat mocy sygnału.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
14
Projektowany wzmacniacz tranzystorowy powinien spełniać określone zależności
w dziedzinie prądu stałego. Składowa prądowa punktu pracy jest identyczna jak dla układu WE:
R2
UCC �" -U
R1 + R2 BE
IC =
-1
�ł �ł
1 1
�ł �ł
+
�ł �ł
R1 R2
�ł łł
+ R3
�
a składowa napięciowa wynosi:
UCE = UCC - IC �"(R3 + R4 )
W analogiczny sposób należy dokonać analizy w dziedzinie prądu zmiennego
w określonym zakresie częstotliwości. W przedziale niskich częstotliwości dokonuje się
badania wpływu kondensatorów zewnętrznych na wartość dolnej częstotliwości granicznej
przy spadku trzydecybelowym. W przypadku wzmacniacza w konfiguracji wspólnej bazy
w wersji standardowej występują trzy kondensatory, a zatem pojawiają się trzy czynniki
we wzorze charakteryzującym dolną częstotliwość graniczną zgodnie z zapisem:
2
�ł �ł
�ł �ł
�ł �ł
�ł �ł
(14)
2 2
�ł �ł
�ł �ł �ł �ł
�ł �ł
�ł �ł �ł �ł
�ł �ł
�ł �ł �ł �ł
1 1 1
�ł �ł
�ł �ł �ł �ł
fd = + +
-1
�ł �ł
�ł �ł �ł �ł
�ł�ł � 1 �ł-1 łł �ł�ł 1 gce �ł-1 łł
�ł �ł
�ł
�ł �ł
2 �"Ą �" C1 �" �ł�ł �ł śł 2 �"Ą �" C2 �" �ł�ł �ł śł
+ + RG �ł �ł + + RL �ł �ł �ł
�ł �ł
�ł �ł �ł �ł �ł �ł
�ł�ł rbe R3 �ł śł �ł�ł R4 � �ł śł
�ł�ł łł �ł �ł�ł łł �ł
�ł łł �ł łł
�ł 1 1 1 �ł
�ł �ł
2 �"Ą �" C3 �" + +
�ł �ł
�ł �ł
R1 R2 �łrbe �ł 1 1 �ł-1łł
�ł �ł
�ł �ł
�ł �ł
� �" �ł + + śł
�ł
�ł
�ł � R3 RG �ł śł �ł
�ł
�ł �ł
�ł
�ł łł
�ł �ł
�ł łł
�ł łł
W zakresie średnich częstotliwości należy wyznaczyć parametry robocze, czyli tzw.
małosygnałowe funkcje transmitancji, a mianowicie:
- rezystancja wejściowa układu
-1
�ł �ł
1 �
�ł �ł
RWE = + (15)
�ł �ł
R3 rbe
�ł łł
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
15
- rezystancja wyjściowa układu
-1
�ł gce �ł
1
�ł �ł
RWY = + (16)
�ł �ł
R4 �
�ł łł
- współczynnik wzmocnienia napięciowego
-1
�ł gce �ł
� 1 1
�ł �ł
KU = �" + + (17)
�ł �ł
rbe � R4 RL
�ł łł
- współczynnik wzmocnienia prądowego
-1
�ł gce 1
�ł
�ł �ł
+
�ł
� R4 �ł
�ł łł
KI = (18)
-1
�ł gce 1
�ł
�ł �ł
+ + RL
�ł
� R4 �ł
�ł łł
Istotnym parametrem wzmacniacza jest pasmo przenoszenia wzmacnianego sygnału,
dlatego należy oszacować wartość górnej częstotliwości granicznej przy spadku
trzydecybelowym, co przedstawia poniższy wzór:
1
fg = (19)
-1
�ł gce 1 1
�ł
�ł �ł
2 �"Ą �" cbc �"�ł + +
� R4 RL �ł
�ł łł
2.3. Wzmacniacz tranzystorowy w konfiguracji WK
Trzecim projektowanym układem jest typowy wzmacniacz tranzystorowy pracujący
w konfiguracji WK, którego struktura jest przedstawiona na rysunku 3. Jest on zbudowany
z tranzystora typu npn, spolaryzowanego dzielnikiem napięcia w postaci szeregowego
połączenia rezystorów R1 oraz R2. Obciążenie wewnętrzne układu stanowi rezystor w gałęzi
emiterowej R3, natomiast zewnętrzne RL. Zastosowane kondensatory C1 oraz C2 pełnią
funkcję separatorów i zabezpieczają przed rozpływem składowej stałej z zasilania.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
16
Rys.3. Schemat ideowy wzmacniacza tranzystorowego w konfiguracji WK.
Powyższy wzmacniacz powinien osiągnąć następujące parametry:
a) maksymalna amplituda napięcia wyjściowego: UWYmax = 5V
b) dolna częstotliwość graniczna: fd = 50Hz
c) górna częstotliwość graniczna: fg = 500kHz
d) rezystancja wewnętrzna zródła (generatora): RG = 50&!
e) rezystancja obciążenia (zewnętrznego): RL = 10k&!
Zaproponowana struktura wzmacniacza tranzystorowego (rys.3) powinna zapewnić
osiągnięcie powyższych parametrów. Na podstawie samego schematu ideowego można
określić przewidywane wyniki projektowe. Konfiguracja WK pozwala na uzyskanie dużej
wartości rezystancji wejściowej i małej wyjściowej, znikome wzmocnienie napięciowe
(bliskie jedności) oraz duże wzmocnienie prądowe rzędu kilkudziesięciu decybeli. Dolna
częstotliwość graniczna układu zależy tylko i wyłącznie od doboru wartości pojemności
zewnętrznych kondensatorów, co umożliwia uzyskanie jej na poziomie kilkudziesięciu
herców. Z kolei górna częstotliwość graniczna powinna być na poziomie kilkunastu
lub kilkudziesięciu megaherców, aczkolwiek jej wartość jest ograniczona przez wewnętrzne
pojemności złączowe tranzystora oraz ewentualne pojemności pasożytnicze.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
17
Projektowany wzmacniacz tranzystorowy powinien spełniać określone zależności
w dziedzinie prądu stałego. Składowa prądowa punktu pracy jest wyrażona wzorem:
R2
UCC �" -U
R1 + R2 BE
IC = (20)
-1
�ł �ł
1 1
�ł �ł
+
�ł �ł
R1 R2
�ł łł
+ R3
�
natomiast składowa napięciowa wynosi:
UCE = UCC - IC �" R3 (21)
W podobny sposób należy dokonać analizy w dziedzinie prądu zmiennego
w określonym przedziale częstotliwości. W zakresie niskich częstotliwości dokonuje się
badania wpływu kondensatorów zewnętrznych na wartość dolnej częstotliwości granicznej
przy spadku trzydecybelowym. W przypadku wzmacniacza w konfiguracji wspólnego
kolektora w wersji standardowej występują dwa kondensatory, a zatem pojawiają się dwa
czynniki we wzorze charakteryzującym dolną częstotliwość graniczną zgodnie z zapisem:
2 2
�ł �ł �ł �ł
�ł �ł �ł �ł
�ł �ł �ł �ł
(23)
�ł �ł �ł �ł
�ł �ł �ł �ł
�ł �ł �ł �ł
�ł �ł �ł �ł
1 1
�ł �ł �ł �ł
fd = +
-1 -1
�ł �ł�ł łł �ł �ł �ł�ł łł �ł
�ł �ł
�ł �ł�ł �ł śł �ł �ł �ł�ł �ł śł �ł
�ł �ł�ł �ł śł �ł �ł �ł�ł �ł śł �ł
1 1 1 1 �
2 �"Ą �" C1 �" + + + RG 2 �"Ą �" C2 �" + gce + + RL
�ł �ł�ł �ł śł �ł �ł �ł�ł �ł śł �ł
-1
R1 R2 �ł 1 1 �ł-1 �ł śł �ł �ł �ł�ł R3
�ł �ł�ł �ł 1 1 1 �ł �ł śł �ł
�ł �ł
rbe + � �"�ł gce + + �ł rbe + + + �ł
�ł �ł�ł
�ł
�ł R3 RL �ł �ł śł �ł �ł �ł�ł R1 R2 RG �ł �ł śł �ł
�ł �ł �ł
�ł łł �ł łł
łł łł
�ł�ł śł �ł�ł śł
�ł �ł �ł �ł
�ł łł �ł łł
W zakresie średnich częstotliwości należy wyznaczyć parametry robocze, czyli tzw.
małosygnałowe funkcje transmitancji, a mianowicie:
- rezystancja wejściowa układu
-1
�ł �ł
�ł �ł
�ł �ł
1 1 1
RWE = + + (24)
�ł �ł
-1
R1 R2
�ł �ł �ł �ł
1 1
�ł �ł
rbe + � �" gce + +
�ł �ł
�ł �ł
R3 RL
�ł łł
�ł łł
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
18
- rezystancja wyjściowa układu
-1
�ł �ł
�ł �ł
�ł �ł
1 �
RWY = + gce + (25)
�ł �ł
-1
R3
�ł �ł �ł �ł
1 1 1
�ł �ł
rbe + + +
�ł �ł
�ł �ł
R1 R2 RG
�ł łł
�ł łł
- współczynnik wzmocnienia napięciowego
-1
�ł �ł
� 1 1
�ł �ł
�" gce + +
rbe �ł R3 RL �ł
�ł łł
KU = (26)
-1
�ł �ł
� 1 1
�ł �ł
1+ �" gce + +
rbe �ł R3 RL �ł
�ł łł
- współczynnik wzmocnienia prądowego
-1 -1
�ł �ł �ł �ł
�ł �ł �ł �ł
1 1 1
�ł �ł �ł �ł
�ł �ł �ł �ł
gce + +
�ł �ł
�ł �ł
R3 �ł �ł �ł R1 R2 �ł
�ł łł �ł łł
KI = � �" �ł �ł �ł �ł
�" (27)
-1 -1 -1
�ł �ł �ł �ł �ł �ł �ł �ł �ł �ł
1 1 1 1 1
�ł �ł �ł �ł �ł �ł
gce + + RL �ł �ł �ł + + � �" gce + +
�ł
�ł
R3 �ł R1 R2 �ł �ł R3 RL �ł �ł
�ł łł �ł łł �ł łł
�ł łł �ł łł
Istotnym parametrem wzmacniacza jest pasmo przenoszenia wzmacnianego sygnału,
dlatego należy oszacować wartość górnej częstotliwości granicznej przy spadku
trzydecybelowym, co przedstawia poniższy wzór:
�
rbe �" cbe
f =
g
-1
�ł łł
�ł �ł
1 1 1
�ł �ł �ł śł
+ +
-1
�ł
R1 R2 RG �ł �ł �ł
cbc
�ł � 1 1 1 śł
�ł łł
�ł �ł
2 �"Ą �" + �" �" + +
�ł1+ -1
cbe rbe �ł R1 R2 RG �ł śł
�ł �ł �ł łł
1 1
�ł śł
�ł �ł
gce + +
�ł
�ł śł
R3 RL �ł
�ł łł
�ł �ł
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
19
3. Algorytmy obliczeniowe stosowane
przy projektowaniu wzmacniaczy
3.1. Analiza w dziedzinie prądu stałego
3.1.1. Obwód polaryzacji wzmacniacza w konfiguracji WE
Dobór modelu tranzystora i jego punktu pracy
Do realizacji projektu wzmacniacza tranzystorowego (rys.1) wybrano popularny
tranzystor małej mocy (500mW) z serii BC547B (npn). Nie należy on do grupy tranzystorów
niskoszumnych czy szerokopasmowych, natomiast ich podstawową zaletą jest to, że są łatwo
dostępne i bardzo tanie, co jest istotne przy minimalizacji kosztów produkcji.
Dobór punktu pracy tranzystora rozpoczęto od zapewnienia odpowiedniej wydajności
napięciowej i prądowej na wyjściu projektowanego wzmacniacza.
a) Dla tranzystora T typu BC547B określono następujące parametry techniczne:
" przyjęto na podstawie danych katalogowych optymalną wartość prądu kolektora,
która zapewni właściwą amplitudę sygnału na wyjściu wzmacniacza oraz wymagane
wzmocnienie napięciowe
IC = 2mA
" dla tak zdefiniowanego prądu kolektora odczytano z charakterystyki katalogowej
wartość współczynnika wzmocnienia prądowego
� = 315A/A
" odczytano z charakterystyki przejściowej wartość napięcia na złączu baza-emiter
UBE = 0,68V
Wyznaczenie obwodu zasilania elementu aktywnego (załącznik rys. A)
Na podstawie odpowiednio dobranego punktu pracy i parametrów tranzystora
wyznaczono wszystkie elementy polaryzacyjne tworzące obwód zasilania. W poniższych
algorytmach wykorzystano podstawowe prawa elektrotechniki m.in. prawa Kirchhoffa, prawo
Ohma, metodę prądów oczkowych itp.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
20
a) wyznaczenie wartości rezystora R4
optymalną wartość rezystancji R4 można wyznaczyć w oparciu o warunek wynikający
ze współczynnika wzmocnienia napięciowego o wartości |KU| = 100V/V
KU = gm �" Robc (28)
w przybliżeniu można zapisać wzór w następującej formie
-1
IC �ł �ł
1 1
�ł �ł
KU E" �"�ł + (29)
�T �ł R4 RL �ł
łł
po przekształceniu otrzymano
-1
IC
�ł �ł
�ł �ł
�T 1
�ł �ł
R4 = - (30)
�ł
KU RL �ł
�ł �ł
�ł łł
przy czym przyjęto wartość potencjału ĆT H" 26mV
po uwzględnieniu danych liczbowych wartość rezystancji wynosi
-1
�ł �ł
2mA
�ł �ł
1
�ł 26mV �ł
R4 = - = 1,494k&!
�ł �ł
V 10k&!
100
�ł �ł
V
�ł łł
przyjęto wartość znormalizowaną wg szeregu E24 ( ą 5% ): R4 = 1,6k&!
Następnie należy sprawdzić maksymalną wydajność napięcia na wyjściu układu
stosując zależność nr 1
-1
�ł �ł
1 1
�ł �ł
UWY max E" IC �" + (31)
�ł
R4 RL �ł
�ł łł
podstawiając wartości liczbowe uzyskano
-1
�ł 1 1 �ł
UWY max = 2mA�" �ł + �ł = 2,759V
�ł1,6k&! 10k&! łł
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
21
na podstawie wyznaczonej amplitudy sygnału napięciowego można we właściwy
sposób dobrać napięcie na złączu kolektor-emiter tranzystora
UCE > UWYmax
UCE = UCEsat + UWYmax + "UCE (32)
przyjęto wartość napięcia nasycenia tranzystora
UCEsat = 0,2V
oraz uwzględniono margines napięcia na wypadek zmian termicznych itp.
"UCE = 2,041V
ostatecznie wartość napięcia wynosi
UCE =5V
b) wyznaczenie wartości napięcia zasilania UCC
wartość napięcia zasilania jest ograniczona warunkiem wynikającym z bilansu napięć
UCC > UCE2 + IC �R4 (33)
zatem
UCC > 5V + 2mA �1,6k&! = 8,2V
przyjęto wartość znormalizowaną wg szeregu baterii: UCC = 12V
c) wyznaczenie wartości rezystora R3
korzystając z praw Ohma i Kirchhoffa można wyznaczyć rezystancję elementu
pasywnego R3 zgodnie z poniższą zależnością
UCC -UCE - IC �" R4
R3 = (34)
�ł � +1�ł
IC �" �ł �ł
�ł �ł
�
�ł łł
wówczas wartość rezystancji wynosi
12V - 5V - 2mA �"1,6k&!
R3 = = 1,894k&!
315 +1
�ł �ł
2mA �"
�ł �ł
315
�ł łł
przyjęto wartość znormalizowaną wg szeregu E24: R3 = 2k&!
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
22
d) wyznaczenie wartości rezystora R1
rezystancję opornika R1 można wyznaczyć na podstawie poniższego wzoru
UCE -U + IC �" R4
BE
R1 = (35)
IC
10 �"
�
przy czym przyjęto prąd dzielnika dla typowego zasilania potencjometrycznego
na poziomie dziesięciokrotnej wartości prądu bazy
wówczas wartość rezystancji wynosi
5V - 0,68V + 2mA�"1,6k&!
R1 = = 118,4k&!
2mA
10 �"
315
przyjęto wartość znormalizowaną wg szeregu E24: R1 = 120k&!
e) wyznaczenie wartości rezystora R2
korzystając z praw Ohma i Kirchhoffa można wyznaczyć rezystancję opornika R2
UCC - (UCE -U + IC �" R4 )
BE
R2 = (36)
IC
9 �"
�
zatem wartość rezystancji jest następująca
12V - (5V - 0,68V + 2mA �"1,6k&!)
R2 = = 78,4k&!
2mA
9 �"
315
przyjęto wartość znormalizowaną wg szeregu E24: R2 = 82k&!
Sprawdzenie wymagań energetycznych elementów aktywnych
Struktura realizowanego wzmacniacza OE oparta jest na tranzystorze małej mocy
(max. 500mW), dlatego ważne jest dokonanie sprawdzenia warunków energetycznych.
Wyznaczenie mocy pobranej przez tranzystor:
PT = IC��UCE = 2mA�5V = 10mW << PMAX = 500mW
Z powyższej analizy wynika, że nawet przy znaczącym wzroście temperatury
roboczej w zastosowanych tranzystorach nie wydzieli się moc przekraczająca moc
dopuszczalną (maksymalną), co nie spowoduje ich trwałego uszkodzenia i zagwarantuje ich
właściwe użytkowanie.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
23
3.1.2 Obwód polaryzacji wzmacniacza w konfiguracji WB
Dobór modelu tranzystora i jego punktu pracy
a) Dla tranzystora T typu BC547B określono następujące parametry techniczne:
" przyjęto na podstawie danych katalogowych wartość prądu kolektora, która zapewni
odpowiednią wartość wzmocnienia napięciowego wzmacniacza
IC = 0,2mA
" dla tak zdefiniowanego prądu kolektora odczytano z charakterystyki katalogowej
wartość współczynnika wzmocnienia prądowego
� = 260A/A
" odczytano z charakterystyki przejściowej wartość napięcia na złączu baza-emiter
UBE = 0,62V
Wyznaczenie obwodu zasilania elementu aktywnego (załącznik rys. A)
Podobnie jak poprzednio analizę w dziedzinie prądu stałego należy rozpocząć
od odpowiedniego doboru punktu pracy i parametrów tranzystora, a następnie wyznaczyć
wszystkie elementy obwodu zasilania.
a) wyznaczenie wartości rezystora R4
stosując zależność nr 30 można w sposób analogiczny oszacować wartość opornika R4
-1
0,2mA
�ł �ł
�ł �ł
1
26mV
�ł �ł
R4 = - = 24,59k&!
V
�ł 100k&! �ł
150
�ł �ł
�ł V łł
przyjęto wartość znormalizowaną wg szeregu E24: R4 = 24k&!
Następnie należy sprawdzić maksymalną wydajność napięcia na wyjściu układu
stosując zależność nr 31
-1
1 1
�ł �ł
UWY max = 0,2mA �" + = 3,871V
�ł �ł
24k&! 100k&!
�ł łł
na podstawie wyznaczonej amplitudy sygnału napięciowego można we właściwy
sposób dobrać napięcie na złączu kolektor-emiter tranzystora (wzór nr 32)
UCE = 0,2V + 3,871V + 0,929V = 5V
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
24
b) wyznaczenie wartości napięcia zasilania UCC
wartość napięcia zasilania jest ograniczona warunkiem wynikającym z bilansu napięć
UCC > UCE2 + IC �R4 (37)
zatem
UCC > 5V + 2mA �1,6k&! = 9,8V
przyjęto wartość znormalizowaną wg szeregu baterii: UCC = 12V
c) wyznaczenie wartości rezystora R3
korzystając z praw Ohma i Kirchhoffa można wyznaczyć rezystancję elementu
pasywnego R3 zgodnie z poniższą zależnością nr 34
UCC -UCE - IC �" R4
R3 =
�ł � +1�ł
IC �" �ł �ł
�ł �ł
�
�ł łł
wówczas wartość rezystancji wynosi
12V - 5V - 0,2mA �" 24k&!
R3 = = 10,96k&!
260 +1
�ł �ł
0,2mA �"
�ł �ł
260
�ł łł
przyjęto wartość znormalizowaną wg szeregu E24: R3 = 11k&!
d) wyznaczenie wartości rezystora R1
rezystancję opornika R1 można wyznaczyć na podstawie poniższego wzoru nr 35
UCE -U + IC �" R4
BE
R1 =
IC
10 �"
�
wówczas wartość rezystancji wynosi
5V - 0,62V + 0,2mA�" 24k&!
R1 = = 1,193M&!
0,2mA
10 �"
260
przyjęto wartość znormalizowaną wg szeregu E24: R1 = 1,2M&!
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
25
e) wyznaczenie wartości rezystora R2
korzystając ze wzoru nr 36 można wyznaczyć rezystancję opornika R2
UCC - (UCE -U + IC �" R4 )
BE
R2 =
IC
9 �"
�
zatem wartość rezystancji jest następująca
12V - (5V - 0,62V + 0,2mA �" 24k&!)
R2 = = 407,3k&!
0,2mA
9 �"
260
przyjęto wartość znormalizowaną wg szeregu E24: R2 = 430k&!
Sprawdzenie wymagań energetycznych elementów aktywnych
Wyznaczenie mocy pobranej przez tranzystor:
PT = IC��UCE = 0,2mA�5V = 1mW << PMAX = 500mW
Z powyższej analizy wynika, że pobór mocy przez tranzystor jest znikomy (na poziomie
minimalnym) co gwarantuje właściwą pracę tego elementu.
3.1.3. Obwód polaryzacji wzmacniacza w konfiguracji WK
Dobór modelu tranzystora i jego punktu pracy
a) Dla tranzystora T typu BC547B określono następujące parametry techniczne:
" przyjęto na podstawie danych katalogowych optymalną wartość prądu kolektora,
która zapewni właściwy poziom sygnału na wyjściu wzmacniacza
IC = 4mA
" dla tak zdefiniowanego prądu kolektora odczytano z charakterystyki katalogowej
wartość wzmocnienia prądowego
� = 330A/A
" odczytano z charakterystyki przejściowej tranzystora wartość napięcia na złączu
baza-emiter (załącznik 2 rys. F)
UBE = 0,70V
" odczytano z charakterystyki wyjściowej napięcie nasycenia tranzystora (zał. 2 rys. G)
UCEsat = 0,2V
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
26
" określono wartość napięcia na złączu kolektor-emiter na podstawie warunku
wymaganej amplitudy napięcia wyjściowego
UCE e" UCEsat + UWYmax
przyjęto wartość zawyżoną ze względu na dodatkowy zakres napięcia ("UCE2)
przewidziany na wypadek zmian termicznych
UCE = 6V
Wyznaczenie obwodu zasilania elementu aktywnego (załącznik rys. B)
Podobnie jak poprzednio analizę w dziedzinie prądu stałego należy rozpocząć
od odpowiedniego doboru punktu pracy i parametrów tranzystora, a następnie wyznaczyć
wszystkie elementy obwodu zasilania.
a) wyznaczenie wartości rezystora R4
maksymalna amplituda napięcia na wyjściu układu jest określona wzorem
-1
�ł �ł
1 1
�ł �ł
UWY max E" IC �" + (38)
�ł
R3 RL �ł
�ł łł
w wyniku przekształceń uzyskano postać
-1
�ł IC 1
�ł
�ł
R3 =
�łU - RL �ł (39)
�ł
�ł WY max łł
po podstawieniu wartości liczbowych otrzymano
-1
4mA 1
�ł �ł
R3 = - �ł
= 1,429k&!
�ł
5V 10k&!
�ł łł
przyjęto wartość znormalizowaną wg szeregu E24: R3 = 1,5k&!
b) wyznaczenie wartości napięcia zasilania UCC
wartość napięcia zasilania jest ograniczona warunkiem wynikającym z bilansu napięć
UCC = UCE2 + IC �R3 (40)
zatem
UCC = 6V + 4mA �1,5k&! = 12V
przyjęto wartość znormalizowaną wg szeregu baterii: UCC = 12V
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
27
c) wyznaczenie wartości rezystora R1
rezystancję opornika R1 można wyznaczyć na podstawie poniższego wzoru
UCE -U
BE
R1 = (41)
IC
10 �"
�
przy czym przyjęto prąd dzielnika dla typowego zasilania potencjometrycznego
na poziomie dziesięciokrotnej wartości prądu bazy
wówczas wartość rezystancji wynosi
5V - 0,68V
R1 = = 43,72k&!
0,2mA
10 �"
260
przyjęto wartość znormalizowaną wg szeregu E24: R1 = 43k&!
d) wyznaczenie wartości rezystora R2
korzystając z praw Ohma i Kirchhoffa można wyznaczyć rezystancję opornika R2
UCC - (UCE -U ) (42)
BE
R2 =
IC
9 �"
�
zatem wartość rezystancji jest następująca
12V - (5V - 0,68V )
R2 = = 61,42k&!
4mA
9 �"
330
przyjęto wartość znormalizowaną wg szeregu E24: R2 = 62k&!
Sprawdzenie wymagań energetycznych elementów aktywnych
Wyznaczenie mocy pobranej przez tranzystor:
PT = IC��UCE = 4mA�6V = 24mW << PMAX = 500mW
Z powyższej analizy wynika, że tranzystor spełnia wymagania energetyczne
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
28
3.2. Analiza w dziedzinie prądu zmiennego
3.2.1. Parametry wzmacniacza w konfiguracji WE
3.2.1.1. Analiza małosygnałowa
Analizę wzmacniacza w konfiguracji WE w zakresie małych sygnałów (zał.-rys.C)
należy rozpocząć od określenia modelu zastępczego zastosowanego tranzystora. W tym
przypadku wybrano uproszczony model mieszany, pominięto znikomy wpływ rezystancji
rozproszenia bazy rbb (czyli rbb H" 0) oraz dokonano założenia �ac + 1 H" �ac. Na podstawie
katalogów technicznych odczytano parametry mieszane tranzystora dla danego punktu pracy.
Określenie wartości parametrów mieszanych zastosowanego tranzystora
Dla tranzystora bipolarnego określono następujące wartości parametrów mieszanych:
rbe = 4,53k&!
�ac = 333A/A
gce =28,9�S H" 0
Wyznaczenie parametrów roboczych w zakresie średnich częstotliwości
Kolejny etap projektowania w dziedzinie średnich częstotliwości polega na określeniu
transmitancji napięciowych i prądowych, czyli małosygnałowych parametrów roboczych.
W tym celu zastosowano tzw. metodę uproszczoną, która opiera się na modelu mieszanym
Początkowo określono rezystancję wejściową projektowanego układu aktywnego na
podstawie funkcji transmitancji napięciowo-prądowej
UWE
RWE = (43)
IWE
na podstawie odwrotności dzielnika prądowego określono prąd wejściowy, a zatem
ib �" rbe
RWE = (44)
-1
�ł �ł
�ł �ł
1 1
�ł
�ł �ł
+ + rbe �ł
�ł
�ł
R1 R2 �ł �ł
�ł łł
ib �"
�ł �ł
-1
�ł �ł �ł �ł
1 1
�ł �ł
+
�ł
�ł
R1 R2 �ł �ł
�ł łł
�ł łł
po dokonaniu redukcji prądów uzyskano
-1
�ł �ł
1 1 1
�ł �ł
RWE = + + (45)
�ł
R1 R2 rbe �ł
�ł łł
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
29
zakładając warunek, iż R1||R2 >> rbe to ze względu na połączenie równoległe można
uprościć wyrażenie do postaci
RWE E" rbe (46)
czyli przybliżona wartość rezystancji wejściowej wynosi
RWE E" 4,5k&!
Następnie zdefiniowano rezystancję wyjściową wzmacniacza
UWY
RWY = (47)
IWY
w analogiczny sposób jak poprzednio po uproszczeniu prądów otrzymano
-1
�ł �ł
1
�ł �ł
RWY = + gce �ł (48)
�ł
R4 łł
�ł
zakładając warunek, iż gce-1 >> R4 to ze względu na połączenie równoległe można
uprościć wyrażenie do postaci
RWY E" R4 (49)
wówczas wartość rezystancji wyjściowej w przybliżeniu wynosi
RWY E" 1,5k&!
W dalszym etapie należy określić współczynnik wzmocnienia napięciowego układu
UWY
KU = (50)
UWE
zatem można zapisać
-1
�ł �ł
1 1
�ł �ł
ic �" gce + +
�ł
R4 RL �ł
�ł łł
KU = - (51)
ib �" rbe
następnie można zdefiniować wewnętrzny współczynnik wzmocnienia prądowego
ic
(52)
�ac =
ib
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
30
stosując powyższą zależność uzyskano
-1
�ł �ł
1 1
�ł �ł
�ac �"�ł gce + +
R4 RL �ł
�ł łł
(53)
KU = -
rbe
zakładając warunek, iż gce-1 >> R4||RL to ze względu na połączenie równoległe
można uprościć wyrażenie do postaci
-1
�ł �ł
1 1
�ł �ł
�ac �"�ł +
R4 RL �ł
�ł łł
(54)
KU E" -
rbe
również można określić konduktancję przejściową (transkonduktancję) jako
�ac
(55)
gm =
rbe
zmieniając symbolikę oznaczeń ostateczny wzór można zapisać w formie
-1
�ł �ł
1 1
(56)
�ł �ł
KU E" -gm �"�ł +
R4 RL �ł
�ł łł
po podstawieniu wartości liczbowych do wzoru nr 55 otrzymano
A
-1
333
�ł 1 1 �ł V V
A
KU E" - �" �ł + �ł -97,5 E" -100
=
4,53k&! V V
�ł1,6k&! 10k&! łł
co w mierze decybelowej odpowiada
KU = 20 �" log KU (57)
KU E" 40dB
powyższy parametr spełnia wymagania projektowe dotyczące wzmacniacza.
Uwzględniając dodatkowo wpływ rezystancji zródła można określić skuteczne
wzmocnienie napięciowe
UWY
KUsk = (58)
EG
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
31
na podstawie dzielnika napięciowego na wejściu układu określono napięcie zródłowe
UWY
KUsk = (59)
�ł RWE + RG �ł
�ł �ł
UWE �"
�ł
RWE �ł
�ł łł
co można zapisać jako
RWE
KUsk = KU �" (60)
RWE + RG
zatem jego wartość wynosi
V �ł 4,5k&! �ł V
KUsk = -97,5 �" �ł �ł -96,3
=
V 4,5k&! + 0,05k&! V
�ł łł
W podobny sposób można zdefiniować współczynnik wzmocnienia prądowego układu
IWY
KI = (61)
IWE
zatem wyrażenie przyjmuje postać
-1
�ł �ł
�ł �ł
1
�ł �ł
�ł �ł
gce +
�ł
�ł
R4 �ł �ł
�ł łł
ic �"
�ł �ł
-1
�ł �ł �ł �ł
1
�ł �ł
gce + + RL �ł
�ł
�ł
R4 �ł
�ł łł
�ł łł
KI = - (62)
-1
�ł �ł
�ł �ł
1 1
�ł
�ł �ł
+ + rbe �ł
�ł
�ł
R1 R2 �ł �ł
�ł łł
ib �"
�ł �ł
-1
�ł �ł �ł �ł
1 1
�ł �ł
+
�ł
�ł
R1 R2 �ł �ł
�ł łł
�ł łł
pomijając znikomy wpływ gce oraz dokonując założenia, iż R1||R2 >> rbe
to ze względu na połączenie równoległe można uprościć zapis do postaci
�ł R4 �ł
�ł �ł
ic �"
�ł
R4 + RL �ł
�ł łł
KI E" - (63)
ib
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
32
ostateczna postać współczynnika wzmocnienia prądowego jest następująca
�ł R4 �ł
�ł
�ł
KI E" -�ac �"�ł (64)
R4 + RL �ł
�ł łł
lub w innej wersji zapisu
RWE
K = KU �" (65)
I
RL
zatem jego wartość wynosi
A �ł 1,5k&! �ł A
KI = -333 �" �ł �ł -44,2
=
A A
�ł1,5k&! +10k&! łł
W analogiczny sposób można określić wszystkie parametry robocze stosując model
hybrydowy tranzystora, a mianowicie
h11e H" rbe
h12e H" 0
h21e H" �ac H" �
h22e H" gce H" 0
wówczas można ponownie zapisać powyższe wzory
RWE H" h11e
RWY H" R4
-1
h21e �ł �ł
1 1
�ł �ł
KU E" - �" + (66)
h11e �ł R4 RL �ł
�ł łł
�ł R4 �ł
�ł
�ł
KI E" -h21e �"�ł (67)
R4 + RL �ł
�ł łł
Z powyższej analizy w zakresie średnich sygnałów wynika, że wzmacniacz
w konfiguracji WE charakteryzuje się średnią rezystancją wejściowa i wyjściową oraz dużym
wzmocnieniem napięciowym i prądowym, a także powoduje odwrócenie fazy sygnału.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
33
Dobór kondensatorów ustalających dolną częstotliwość graniczną
W projektowanym wzmacniaczu w konfiguracji WE występują zewnętrzne
kondensatory, które mają decydujący wpływ na wielkość dolnej częstotliwości granicznej.
Pełnią one funkcję sprzęgania, separowania lub bocznikowania. Ich pojemności są zazwyczaj
duże (C ") i ściśle zależą od rezystancji dołączonej do ich zacisków.
Na podstawie określonej w wymaganiach projektowych dolnej częstotliwości
granicznej wynoszącej 100Hz przyjęto następujące wartości pojemności
kondensatorów zgodnie z szeregiem normalizacyjnym E12 ( ą10% ):
C1 = 10�F , C2 = 10�F , C3 = 120�F
należy uwzględnić jeszcze rezystancję dołączoną do jego zacisków, a następnie
wyznaczać poszczególne dolne częstotliwości cząstkowe, czyli
1
fd1 = (68)
2 �"Ą �" C1 �"(RWE + RG )
co w rezultacie daje wartość
1
fd1 = = 3,8Hz
2 �"Ą �"10�F �"(4,5k&! + 0,05k&!)
w analogiczny sposób wyznaczono wartości dla pozostałych częstotliwości
cząstkowych, czyli
1
fd 2 = (69)
2 �"Ą �" C2 �"(RWY + RL )
a zatem wynik jest następujący
1
fd 2 = = 1,4Hz
2 �"Ą �"10�F �"(1,5k&! +10k&!)
jednakże kondensator C3 w największym stopniu decyduje o wielkości dolnej
częstotliwości granicznej (wprowadza biegun dominujący), dlatego przyjęto, że
fd3 H" fd = 100Hz
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
34
�ac
fd 3 = (70)
-1
�ł łł
�ł �ł
1 1 1
�ł �ł �ł
2 �"Ą �" C3 �" rbe + + + śł
�ł
R1 R2 RG �ł śł
�ł
�ł łł
�ł �ł
co daje wartość dominującej częstotliwości cząstkowej
333
fd 3 = = 106,5Hz
-1
�ł łł
�ł 1 1 1 �ł
2 �"Ą �"120�F �" 4,5k&! + �ł + + �ł śł
�ł
�ł120k&! 82k&! 0,05k&! łł
�ł śł
�ł �ł
ostatecznie wartość dolnej częstotliwości granicznej kształtuje się na poziomie
fd = fd12 + fd 2 2 + fd 3 2 (71)
fd = 106,6Hz
Uzyskany wynik jest zadowalający, gdyż spełnia wymogi projektowe i nie przekracza
dopuszczalnej tolerancji (poniżej 10%).
3.2.1.2. Analiza wielkosygnałowa
We wcześniejszych etapach analizowano układ pod kątem niskich i średnich
częstotliwości. Kolejną fazą badawczą projektowanego wzmacniacza jest analiza w zakresie
wielkich częstotliwości. Jest to jednak uproszczona forma wyznaczania górnej częstotliwości
granicznej, gdyż nie uwzględnia ona pojemności pasożytniczych, które realnie występują
w układzie. Z tego powodu wartość teoretycznie przewidywanej górnej częstotliwości przy
spadku 3dB jest zazwyczaj trochę zawyżona. W razie potrzeby można również stosować
pojemności korekcyjne, które powodują znaczną redukcję tej częstotliwości.
W celu oszacowania górnej częstotliwości granicznej należy odczytać z katalogu
wartości pojemności złączowych dla poszczególnych tranzystorów.
Dla tranzystora bipolarnego określono pojemności wewnętrzne
na złączu baza-emiter
cbe = 70pF
oraz na złączu baza-kolektor
cbc = 2,7pF
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
35
Następnie sprowadzono układ do postaci zastępczej filtru RC (dolnoprzepustowego)
i wykorzystano twierdzenie Millera dla napięć, które eliminuje pętlę wewnętrznego
sprzężenia pojemnościowego. Po dokonanych przekształceniach można oszacować
górną częstotliwość graniczną układu według zależności
1
fg E" (72)
-1
�ł �ł
1 1
�ł �ł
2 �"Ą �"[cbe + cbc �" KU ]�" +
�ł
RWE RG �ł
�ł łł
po podstawieniu danych liczbowych otrzymano
1
f E" = 9,7MHz
g
-1
�ł V łł �ł 1 1 �ł
2 �"Ą �" pF + 2,7 pF �" 97,5 �" �ł + �ł
�ł70 śł
V 4,5k&! 0,05k&!
�ł �ł �ł łł
następnie należy wprowadzić do układu pojemność korekcyjną (pasożytniczą), co
spowoduje wzrost pojemności na złączu baza-kolektor i w efekcie ograniczy wartość
górnej częstotliwości granicznej do poziomu 100kHz.
przyjęto następującą wartość pojemności korekcyjnej
CK = 300 pF
wówczas uzyskano zredukowaną wartość górnej częstotliwości
f = 108,9kHz
g
ostatecznie przyjęto wartość znormalizowaną wg szeregu E12 równą CK = 330pF,
którą należy wpiąć równolegle do zacisków bazy i kolektora zastosowanego
tranzystora.
3.2.2. Parametry wzmacniacza w konfiguracji WB
3.2.2.1. Analiza małosygnałowa
W analogiczny sposób jak poprzednio analizę wzmacniacza w konfiguracji WB
w zakresie małych sygnałów (załącznik-rys.D) rozpoczęto od doboru parametrów mieszanych
zastosowanego tranzystora dla wybranego punktu pracy.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
36
Określenie wartości parametrów mieszanych zastosowanego tranzystora.
Dla tranzystora bipolarnego określono następujące wartości parametrów mieszanych:
rbe = 36,8k&!
�ac = 294A/A
gce =3,02�S H" 0
Wyznaczenie parametrów roboczych w zakresie średnich częstotliwości
Kolejny etap projektowania w dziedzinie średnich częstotliwości polega na określeniu
transmitancji napięciowych i prądowych, czyli małosygnałowych parametrów roboczych.
W tym celu zastosowano tzw. metodę uproszczoną, która opiera się na modelu mieszanym
Początkowo określono rezystancję wejściową projektowanego układu aktywnego na
podstawie funkcji transmitancji napięciowo-prądowej
UWE
RWE =
IWE
na podstawie odwrotności dzielnika prądowego określono prąd wejściowy, a zatem
rbe
ic �"
�ac
RWE = (73)
rbe
�ł �ł
R3 +
�ł �ł
�ac �ł
�ł
ic �"
�ł
R3 �ł
�ł �ł
�ł łł
po dokonaniu redukcji prądów uzyskano
-1
�ł �ac �ł
1
�ł �ł
RWE = + (74)
�ł
R3 rbe �ł
�ł łł
rbe
zakładając warunek, iż R3 >> to ze względu na połączenie równoległe można
�ac
uprościć wyrażenie do postaci
rbe
RWE E" (75)
�ac
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
37
czyli przybliżona wartość rezystancji wejściowej wynosi
36,8k&!
RWE E" = 125&!
A
294
A
Następnie zdefiniowano rezystancję wyjściową wzmacniacza
UWY
RWY = (76)
IWY
w analogiczny sposób jak poprzednio po uproszczeniu prądów otrzymano
-1
�ł gce �ł
1
�ł �ł
RWY = + (77)
�ł
R4 �ac �ł
�ł łł
�ac
zakładając warunek, iż >> R4 to ze względu na połączenie równoległe można
gce
uprościć wyrażenie do postaci
RWY E" R4 (78)
wówczas wartość rezystancji wyjściowej w przybliżeniu wynosi
RWY E" 24k&!
W dalszym etapie należy określić współczynnik wzmocnienia napięciowego układu
UWY
KU =
UWE
zatem można zapisać
-1
�ł �ł
gce 1 1
�ł �ł
ic �"�ł + +
�ac R4 RL �ł
�ł łł
KU = (79)
rbe
ic �"
�ac
gce
pomijając znikomy wpływ członu można uprościć zapis do postaci
�ac
-1
�ł �ł
1 1
�ł �ł
+
�ł
R4 RL �ł
�ł łł
KU = (80)
rbe
�ac
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
38
ostatecznie można zdefiniować współczynnik wzmocnienia napięciowego jako
-1
� �ł �ł
1 1
ac
�ł �ł (81)
KU E" �"�ł +
rbe �ł R4 RL �ł
łł
lub w podobnej postaci (z uwzględnieniem wzoru nr 55)
-1
�ł �ł
1 1
(82)
�ł �ł
KU E" gm �"�ł +
R4 RL �ł
�ł łł
po podstawieniu wartości liczbowych do wzoru nr 81 otrzymano
A
294 -1
1 1 V V
�ł
A
KU = �"�ł + = 154,6 E" 150
�ł �ł
36,8k&! 24k&! 100k&! V V
�ł łł
co w mierze decybelowej odpowiada
KU = 20 �" log KU E" 43,5dB
powyższy parametr spełnia wymagania projektowe dotyczące wzmacniacza
Uwzględniając dodatkowo wpływ rezystancji zródła można określić skuteczne
wzmocnienie napięciowe
UWY
KUsk =
EG
co można zapisać w formie
RWE
KUsk = KU �"
RWE + RG
zatem jego wartość wynosi
V 125&! V
�ł �ł
KUsk = 154,6 �" = 110,1
�ł �ł
V V
�ł125&! + 50&! łł
W podobny sposób można zdefiniować współczynnik wzmocnienia prądowego układu
IWY
KI =
IWE
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
39
zatem wyrażenie przyjmuje postać
-1
�ł �ł
�ł gce 1
�ł
�ł �ł
�ł �ł
+
�ł
�ł
�ac R4 �ł �ł
�ł łł
ic �" �ł �ł
-1
�ł �ł gce 1
�ł �ł
�ł �ł
+ + RL �ł
�ł
�ł
�ac R4 �ł
�ł łł
�ł łł
KI = (83)
rbe
�ł �ł
R3 +
�ł �ł
�ac �ł
�ł
ic �"
�ł
R3 �ł
�ł �ł
�ł łł
korzystając z powyższych założeń uproszczono wyrażenie, zredukowano prądy
i uzyskano ostateczną postać współczynnika wzmocnienia prądowego
R4
KI E" (84)
R4 + RL
zatem jego wartość wynosi
24k&! A
KI E" = 0,2
24k&! +100k&! A
W analogiczny sposób można określić wszystkie parametry robocze stosując model
hybrydowy tranzystora, a mianowicie
rbe
h11b E" = gm -1 (85)
�ac
h12b H" 0
�ac A
h21b E" E" 1
�ac +1 A
gce
h22b E" E" 0
�ac
wówczas można ponownie zapisać powyższe wzory w formie uproszczonej
RWE H" h11b
RWY H" R4
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
40
-1
h21b �ł �ł
1 1
�ł �ł
KU E" �" + (86)
h11b �ł R4 RL �ł
�ł łł
R4
KI E" h21b �" (87)
R4 + RL
Z powyższej analizy w zakresie średnich sygnałów wynika, że wzmacniacz
w konfiguracji WB charakteryzuje się małą rezystancją wejściowa i dużą wyjściową (pod
warunkiem, że prąd kolektora jest niewielki, a zatem rezystor w gałęzi kolektora duży) oraz
dużym wzmocnieniem napięciowym i małym prądowym (tłumienie sygnału prądowego).
Układ ten odznacza się dużą wrażliwością na rezystancje zewnętrzne do niego sprzęgane,
dlatego też przyjęto małą wartość rezystancji zródła (50&!) a dużą rezystancji
obciążenia (100k&!).
Dobór kondensatorów ustalających dolną częstotliwość graniczną
W projektowanym wzmacniaczu w konfiguracji WB występują zewnętrzne
kondensatory, które mają decydujący wpływ na wielkość dolnej częstotliwości granicznej.
Pełnią one funkcję sprzęgania, separowania lub bocznikowania. Ich pojemności są zazwyczaj
duże (C ") i ściśle zależą od rezystancji dołączonej do ich zacisków.
Na podstawie określonej w wymaganiach projektowych dolnej częstotliwości
granicznej wynoszącej 50Hz przyjęto następujące wartości pojemności kondensatorów
zgodnie z szeregiem normalizacyjnym E12 ( ą10% ):
C1 = 18�F , C2 = 1�F , C3 = 10�F
należy uwzględnić jeszcze rezystancję dołączoną do jego zacisków, a następnie
wyznaczać poszczególne dolne częstotliwości cząstkowe, przy czym kondensator C1
w dominującym stopniu decyduje o wielkości dolnej częstotliwości granicznej,
dlatego przyjęto, że
fd1 H" fd = 50Hz
dokonano sprawdzenia powyższego założenia
1
fd1 =
2 �"Ą �" C1 �"(RWE + RG )
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
41
co w rezultacie daje wartość
1
fd1 = = 50,9Hz
2 �"Ą �"18�F �"(125&! + 50&!)
w sposób analogiczny wyznaczono wartości dla pozostałych częstotliwości
cząstkowych, czyli
1
fd 2 =
2 �"Ą �" C2 �"(RWY + RL )
a zatem wynik jest następujący
1
fd 2 = = 1,3Hz
2 �"Ą �"1�F �"(24k&! +100k&!)
kolejna częstotliwość cząstkowa ma postać
1
fd 3 = (88)
-1
�ł�ł łł
�ł
�ł
�ł �ł śł
�ł
�ł �ł śł
1 1 1
�ł
�ł �ł śł
2 �"Ą �" C3 �" + +
-1
�ł
�ł �ł śł
R1 R2
�ł łł
rbe �ł �ł
1 1
�ł
�ł �ł śł
�ł �ł �ł
�ac �" + + śł
�ł
�ł �ł śł
�ł� �ł R3 RG �ł śł
ac �ł łł
�ł �ł
łł
�ł�ł �ł
co daje wartość
1
fd 3 = = 0,4Hz
-1
�ł�ł łł
�ł
�ł
�ł �ł śł
�ł
�ł �ł śł
1 1 1
�ł
�ł �ł śł
2 �"Ą �"10�F �" + +
-1
�ł1,2M&! 430k&!
�ł �ł36,8k&! �ł 1 łł �ł śł
1 �ł
�ł 294 �" +
śł śł
�ł �ł �ł + �ł �ł
�ł
294
�ł11k&! 0,05k&! łł
�ł�ł �ł śł śł
�ł �ł
łł
�ł�ł �ł
ostatecznie wartość dolnej częstotliwości granicznej kształtuje się na poziomie
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
42
fd = fd12 + fd 2 2 + fd 3 2 = 50,9Hz
Uzyskany wynik jest zadowalający, gdyż spełnia wymogi projektowe i nie przekracza
dopuszczalnej tolerancji (poniżej 10%).
3.2.2.2. Analiza wielkosygnałowa
We wcześniejszych etapach analizowano układ pod kątem niskich i średnich
częstotliwości. Kolejną fazą badawczą projektowanego wzmacniacza jest analiza w zakresie
wielkich częstotliwości. Jest to jednak uproszczona forma wyznaczania górnej częstotliwości
granicznej, gdyż nie uwzględnia ona pojemności pasożytniczych, które realnie występują
w układzie. Z tego powodu wartość teoretycznie przewidywanej górnej częstotliwości przy
spadku 3dB jest zazwyczaj trochę zawyżona. W razie potrzeby można również stosować
pojemności korekcyjne, które powodują znaczną redukcję tej częstotliwości.
W celu oszacowania górnej częstotliwości granicznej należy odczytać z katalogu
wartości pojemności złączowych dla poszczególnych tranzystorów.
Dla tranzystora bipolarnego określono pojemności złączowe
cbe = 40pF
cbc = 2,7pF
Sprowadzając układ do postaci zastępczej filtru RC dokonano oszacowania górnej
częstotliwości granicznej układu zgodnie ze wzorem
1
fg E" (89)
-1
�ł �ł
1 1
�ł �ł
2 �"Ą �" cbc �" +
�ł
R4 RL �ł
�ł łł
po podstawieniu danych liczbowych otrzymano
1
f E" = 3,1MHz
g
-1
1 1
�ł
2 �"Ą �" 40 pF �"�ł +
�ł �ł
24k&! 100k&!
�ł łł
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
43
Ze względu na zawyżoną wartość górnej częstotliwości granicznej należy wprowadzić
do układu pojemność korekcyjną, co spowoduje wzrost pojemności na złączu
baza-kolektor i w efekcie ograniczy jej wartość do poziomu ok. 500kHz. W związku
z powyższym przyjęto następującą wartość pojemności wg szeregu E12
CK = 15pF
wówczas uzyskano zredukowaną wartość górnej częstotliwości
f = 464,7kHz
g
powyższy wynik jest zgodny z oczekiwaniami projektowymi.
3.2.3. Parametry wzmacniacza w konfiguracji WK
3.2.3.1. Analiza małosygnałowa
Podobnie jak poprzednio analizę wzmacniacza w konfiguracji WK w zakresie małych
sygnałów (załącznik rys.E) rozpoczęto od określenia parametrów modelu zastępczego
zastosowanego tranzystora. Dokonano identycznych założeń, a mianowicie pominięto
rezystancję rozproszenia bazy rbb i dokonano założenia �ac + 1 H" �ac.
Określenie wartości parametrów mieszanych zastosowanego tranzystora
Dla tranzystora bipolarnego określono następujące wartości parametrów mieszanych:
rbe = 2,23k&!
�ac = 334A/A
gce =59,5�S H" 0
Wyznaczenie parametrów roboczych w zakresie średnich częstotliwości
W kolejnym etapie projektowania układu w dziedzinie średnich częstotliwości należy
określić wartości transmitancji napięciowych i prądowych stosując tzw. metodę uproszczoną.
Rozpoczęto od zdefiniowania rezystancji wejściowej projektowanego wzmacniacza
UWE
RWE =
IWE
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
44
na podstawie odwrotności dzielnika prądowego określono prąd wejściowy, a zatem
-1
�ł �ł
�ł �ł
1 1
�łr �ł
�ł �ł
ib �" + �ac �" gce + +
be
�ł
�ł
R3 RL �ł �ł
�ł łł
(90)
�ł łł
RWE =
-1 -1
�ł �ł
�ł �ł �ł �ł
1 1 1 1
�ł �ł
�ł �ł �ł �ł
+ + rbe + �ac �" gce + +
�ł �ł
�ł
R1 R2 �ł R3 RL �ł �ł
�ł łł �ł łł
ib �" �ł �ł
-1
�ł �ł
�ł �ł
1 1
�ł �ł
+
�ł �ł
�ł
R1 R2 �ł
�ł łł
�ł łł
po dokonaniu redukcji prądów uzyskano
-1
�ł �ł
�ł �ł
�ł �ł
1 1 1
RWE = + + (91)
�ł �ł
-1
R1 R2
�ł �ł �ł �ł
1 1
�ł �ł
rbe + �ac �" gce + +
�ł
�ł
R3 RL �ł �ł
�ł łł
�ł łł
zakładając warunki, iż gce-1 >> R3||RL oraz rbe << �ac�( R3||RL ) można uprościć
wyrażenie do postaci
-1
�ł �ł
�ł �ł
�ł �ł
1 1 1
RWE E" + + (92)
�ł �ł
-1
R1 R2
�ł �ł �ł �ł
1 1
�ł �ł
�ac �" +
�ł
�ł
R3 RL �ł �ł
�ł łł
�ł łł
czyli przybliżona wartość rezystancji wejściowej wynosi
-1
�ł �ł
�ł �ł
�ł �ł
1 1 1
RWE E" + + E" 24k&!
�ł �ł
-1
43k&! 62k&!
�ł 1 1 �ł
�ł �ł
334 �" �ł + �ł
�ł �ł
�ł1,5k&! 10k&! łł
�ł łł
Następnie zdefiniowano rezystancję wyjściową wzmacniacza
UWY
RWY =
IWY
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
45
w analogiczny sposób jak poprzednio po uproszczeniu prądów wyjściowych uzyskano
-1
�ł �ł
�ł �ł
�ł �ł
1 �ac
RWY = + gce + (93)
�ł �ł
-1
R3
�ł �ł �ł �ł
1 1 1
�ł �ł
rbe + + +
�ł
�ł
R1 R2 RG �ł �ł
�ł łł
�ł łł
-1
�ł �ł
1 1 1
�ł �ł
rbe + + +
-1
�ł
R1 R2 RG �ł
�ł �ł
1
�ł łł
�ł �ł
zakładając warunek, iż + gce �ł >> to ze względu na
�ł
R3 łł �ac
�ł
połączenie równoległe można uprościć wyrażenie do postaci
-1
�ł �ł
1 1 1
�ł �ł
rbe + + +
�ł
R1 R2 RG �ł
�ł łł
RWY E" (94)
�ac
przyjmując, że R1||R2 >> RG zależność przybiera postać
rbe + RG
RWY E" (95)
�ac
ze względu na fakt sterowania napięciowego, rezystancja wewnętrzna zródła RG 0
to ostatecznie rezystancję wyjściową można wyrazić jako
rbe
RWY E" = gm -1 (96)
�ac
wówczas wartość rezystancji wyjściowej w przybliżeniu wynosi
2,2k&!
RWY E" E" 6,7&!
334
W dalszym etapie należy określić współczynnik wzmocnienia napięciowego układu
UWY
KU =
UWE
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
46
zatem można zapisać
-1
�ł �ł
1 1
�ł �ł
ic �"�ł gce + +
R3 RL �ł
�ł łł
(97)
KU =
-1
�ł �ł
�ł �ł
1 1
�ł
�ł �ł
ib �"�łrbe + �ac �"�ł gce + +
�ł
R3 RL �ł �ł
�ł łł
�ł łł
po uproszczeniu prądów uzyskano
-1
�ł �ł
1 1
�ł �ł
�ac �" gce + +
�ł
R3 RL �ł
�ł łł
KU E" (98)
-1
�ł �ł
1 1
�ł �ł
rbe + �ac �"�ł gce + +
R3 RL �ł
�ł łł
zakładając znikomy wpływ parametru gce oraz dzieląc licznik i mianownik przez rbe
można ostatecznie sformułować wzmocnienie napięciowe w sposób następujący
-1
�ac �ł �ł
1 1
�ł �ł
�" +
rbe �ł R3 RL �ł
�ł łł
KU E" (99)
-1
�ac �ł �ł
1 1
�ł �ł
1+ �" +
rbe �ł R3 RL �ł
�ł łł
lub w podobnej formie (z uwzględnieniem wzoru nr 55)
-1
�ł �ł
1 1
�ł �ł
gm �" +
�ł
R3 RL �ł
�ł łł
KU E" (100)
-1
�ł �ł
1 1
�ł �ł
1+ gm �"�ł +
R3 RL �ł
�ł łł
po podstawieniu wartości liczbowych do wzoru otrzymano
-1
334 �ł 1 1 �ł
�" �ł + �ł
2,2k&! V
�ł1,5k&! 10k&! łł
KU E" = 0,995
-1
V
334 �ł 1 1 �ł
1+ �" �ł + �ł
2,2k&!
�ł1,5k&! 10k&! łł
zgodnie z oczekiwaniami wtórnik napięcia przenosi sygnał na wyjście (KU jednostkowe)
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
47
Uwzględniając dodatkowo wpływ rezystancji zródła można określić skuteczne
wzmocnienie napięciowe
UWY
KUsk =
EG
co można zapisać jako
RWE
KUsk = KU �"
RWE + RG
zatem przy założeniu, iż RWE >> RG jego wartość wynosi
V
KUsk E" KU E" 0,995
V
W podobny sposób można zdefiniować współczynnik wzmocnienia prądowego układu
IWY
KI =
IWE
zatem wyrażenie przyjmuje postać
-1
�ł �ł
�ł �ł
1
�ł �ł
�ł �ł
gce +
�ł
�ł
R3 �ł �ł
�ł łł
ic �" �ł �ł
-1
�ł �ł �ł �ł
1
�ł �ł
gce + + RL �ł
�ł
�ł
R3 �ł
�ł łł
�ł łł
KI = (101)
-1 -1
�ł �ł
�ł �ł �ł �ł
1 1 1 1
�ł �ł
�ł �ł �ł �ł
+ + rbe + �ac �" gce + +
�ł �ł
�ł
R1 R2 �ł R3 RL �ł �ł
�ł łł �ł łł
ib �"
�ł �ł
-1
�ł �ł �ł �ł
1 1
�ł �ł
+
�ł �ł
�ł
R1 R2 �ł
�ł łł
�ł łł
standardowo pomijając znikomy wpływ gce oraz rbe można uprościć zapis do postaci
-1
�ł �ł
�ł �ł
1 1
�ł �ł
�ł �ł
+
�ł
�ł
�ł R3 �ł
�ł R1 R2 �ł
�ł łł
�ł �ł
ic �" �" �ł
�ł
�ł
R3 + RL �ł �ł �ł 1 1 �ł-1 �ł 1 1 �ł-1 �ł
�ł łł
�ł �ł �ł �ł
+ + �ac �" +
�ł
�ł �ł
R1 R2 �ł R3 RL �ł �ł
�ł łł �ł łł
�ł łł
KI E" (102)
ib
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
48
ostatecznie współczynnik wzmocnienia prądowego można sformułować jako
-1
�ł �ł
�ł �ł
1 1
�ł �ł
�ł �ł
+
�ł
�ł
�ł R3 �ł
�ł R1 R2 �ł
�ł łł
�ł �ł
(103)
KI E" �ac �" �" �ł �ł
�ł
R3 + RL �ł �ł �ł 1 1 �ł-1 �ł 1 1 �ł-1 �ł
�ł łł
�ł �ł �ł �ł
+ + �ac �" +
�ł
�ł �ł
R1 R2 �ł R3 RL �ł �ł
�ł łł �ł łł
�ł łł
zatem jego wartość wynosi
-1
�ł �ł
1 1
�ł �ł
�ł �ł
+
�ł �ł
�ł �ł
A �ł 1,5k&! �ł 43k&! 62k&! A
�ł łł
K = 334 �" �ł �ł �"�ł = 2,4
I �ł
-1
-1
A A
�ł1,5k&! +10k&! łł
1 1 �ł 1 1 �ł
�ł �ł
�ł �ł
+ + 334 �" �ł + �ł
�ł �ł
�ł �ł
43k&! 62k&!
�ł łł
�ł1,5k&! 10k&! łł
�ł łł
W analogiczny sposób można określić wszystkie parametry robocze stosując model
hybrydowy tranzystora, a mianowicie
h11e H" rbe
h12e H" 0
h21e H" �ac
h22e H" gce H" 0
wówczas można ponownie zapisać powyższe wzory
-1
�ł �ł
�ł �ł
�ł �ł
1 1 1
RWE E" + + (104)
�ł �ł
-1
R1 R2
�ł �ł �ł �ł
1 1
�ł �ł
h21e �" +
�ł
�ł
R3 RL �ł �ł
�ł łł
�ł łł
-1
�ł �ł
1 1 1
�ł �ł
h11e + + +
�ł
R1 R2 RG �ł
�ł łł
RWY E" (105)
h21e
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
49
-1
h21e �ł �ł
1 1
�ł �ł
�" +
h11e �ł R4 RL �ł
�ł łł
KU E" (106)
-1
h21e �ł �ł
1 1
�ł �ł
1+ �"�ł +
h11e �ł R4 RL �ł
łł
-1
�ł �ł
�ł �ł
1 1
�ł �ł
�ł �ł
+
�ł
�ł
�ł R3 �ł
�ł R1 R2 �ł
�ł łł
�ł �ł
(107)
KI E" h21e �"�ł �" �ł �ł
-1
R3 + RL �ł �ł �ł 1 1 �ł-1
�ł łł �ł �ł �ł
1 1
�ł �ł �ł �ł
+ + h21e �" +
�ł
�ł �ł
R1 R2 �ł R3 RL �ł �ł
�ł łł �ł łł
�ł łł
Z powyższej analizy w zakresie średnich sygnałów wynika, że wzmacniacz
w konfiguracji WK charakteryzuje się dużą rezystancją wejściowa i małą wyjściową oraz
małym wzmocnieniem napięciowym (poniżej jedności) i większym prądowym.
Dobór kondensatorów ustalających dolną częstotliwość graniczną
W projektowanym wzmacniaczu w konfiguracji WK występują zewnętrzne
kondensatory, które mają decydujący wpływ na wielkość dolnej częstotliwości granicznej.
Pełnią one przede wszystkim funkcję sprzęgająco - blokującą. Pojemności te są zazwyczaj
duże (C ") i ściśle zależą od rezystancji dołączonej do ich zacisków.
Na podstawie określonej w wymaganiach projektowych dolnej częstotliwości
granicznej wynoszącej 100Hz przyjęto następujące wartości pojemności
kondensatorów zgodnie z szeregiem normalizacyjnym E12 ( ą10% ):
C1 = 120nF , C2 = 10�F
przy czym kondensator C1 w dominującym stopniu decyduje o wielkości dolnej
częstotliwości granicznej, dlatego przyjęto, że
fd1 H" fd = 50Hz
zatem można zapisać zależność
1
fd1 =
2 �"Ą �" C1 �"(RWE + RG )
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
50
co w rezultacie daje wartość
1
fd1 = = 55,4Hz
2 �"Ą �"120nF �"(24k&! + 0,05k&!)
w sposób analogiczny wyznaczono wartości dla drugiej częstotliwości cząstkowej
1
fd 2 =
2 �"Ą �" C2 �"(RWY + RL )
a zatem wynik jest następujący
1
fd 2 = = 1,6Hz
2 �"Ą �"10�F �"(0,006k&! +10k&!)
ostatecznie wartość dolnej częstotliwości granicznej kształtuje się na poziomie
fd = fd12 + fd 2 2 = 55,4Hz
Uzyskany wynik jest zadowalający, gdyż i nie przekracza tolerancji 10%.
3.2.3.2. Analiza wielkosygnałowa
We wcześniejszych etapach analizowano układ pod kątem niskich i średnich
częstotliwości. Kolejną fazą badawczą projektowanego wzmacniacza jest analiza w zakresie
wielkich częstotliwości. Jest to jednak uproszczona forma wyznaczania górnej częstotliwości
granicznej, gdyż nie uwzględnia ona pojemności pasożytniczych, które realnie występują
w układzie. Z tego powodu wartość teoretycznie przewidywanej górnej częstotliwości przy
spadku 3dB jest zazwyczaj trochę zawyżona. W razie potrzeby można również stosować
pojemności korekcyjne, które powodują znaczną redukcję tej częstotliwości.
W celu oszacowania górnej częstotliwości granicznej należy odczytać z katalogu
wartości pojemności złączowych dla poszczególnych tranzystorów.
Dla tranzystora bipolarnego określono pojemności wewnętrzne
na złączu baza-emiter
cbe = 100pF
oraz na złączu baza-kolektor
cbc = 2,7pF
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
51
Sprowadzając układ do postaci zastępczej filtru RC można oszacować górną
częstotliwość graniczną układu według zależności
�ac
rbe �" cbe
f E" (108)
g
-1
�ł łł
�ł �ł
1 1 1
�ł �ł �ł śł
+ +
-1
�ł
R1 R2 RG �ł �ł �ł
cbc �ac
�ł 1 1 1 śł
�ł łł
�ł �ł
2 �"Ą �" + �" �" + +
�ł1+ -1
cbe rbe �ł R1 R2 RG �ł śł
�ł �ł �ł łł
1 1
�ł śł
�ł �ł
+
�ł
�ł śł
R3 RL �ł
�ł łł
�ł �ł
po podstawieniu danych liczbowych otrzymano
334
2,2k&! �"100 pF
f = = 194,1MHz
g
-1
�ł łł
�ł 1 1 1 �ł
�ł �ł + + �ł śł
-1
�ł łł
�ł1 43k&! 62k&! 0,05k&! + 2,7 pF �" 334 �" �ł 1 + 1 + 1 �ł śł
2 �" Ą �" + �ł �ł
-1
�ł śł
100 pF 2,2k&! 43k&! 62k&! 0,05k&!
�ł łł
�ł 1 1 �ł
�ł śł
�ł + �ł
�ł śł
�ł1,5k&! 10k&! łł
�ł �ł
następnie należy wprowadzić do układu pojemność korekcyjną, co spowoduje wzrost
pojemności na złączu baza-kolektor i w efekcie ograniczy wartość górnej
częstotliwości granicznej do poziomu 500kHz.
przyjęto znormalizowaną (wg E12) wartość pojemności korekcyjnej
CK = 6,8nF
wówczas uzyskano zredukowaną wartość górnej częstotliwości
f = 467,9kHz
g
W wyniku zastosowanej korekcji pojemnościowej otrzymano zredukowaną wartość
częstotliwości, która spełnia wymagania projektowe.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
52
3.3. Zestawienie parametrów wzmacniaczy na etapie obliczeń
teoretycznych
W zestawieniu tabelarycznym ujęto obliczone teoretycznie parametry (wg wzorów
uszczegółowionych oraz uproszczonych) w zakresie DC i AC dla wszystkich trzech
konfiguracji wzmacniacza (WE, WB, WK).
Tab.1. Zestawienie zbiorcze wyników obliczeń teoretycznych.
L.p. Parametr Wartość parametru obliczona Wartość parametru obliczona
ze wzorów uszczegółowionych ze wzorów uproszczonych
WE WB WK WE WB WK
1 IC [mA] 1,945 0,208 4,049 1,9 0,2 4,0
2 UCE [V] 4,997 4,707 5,926 4,9 4,7 5,9
3 Uwym [V] 2,583 4,032 4,906 2,7 3,9 5,3
4 rbe [k&!] 4,210 32,440 2,119 4,5 36,8 2,2
5 gce [�S] 28,190 3,020 58,690 28,9 3,0 59,5
6 Rwe [&!] 3,875k 123,400 23,880k 4,5k 125 24k
7 Rwy [&!] 1,531k 23,990k 6,541 1,5k 24k 6,7
8 |Ku| [V/V] 99,330 155,100 0,995 97,5 154,6 0,995
9 |Kusk| [V/V] 98,070 110,400 0,993 96,3 110,1 0,995
10 |Ki| [A/A] 41,820 0,193 2,387 44,2 0,2 2,4
11 fd [Hz] 98,160 51,010 55,440 106,6 50,9 55,4
12 fg [kHz] 107,000 464,700 468,300 108,9 464,7 467,9
13 fo [kHz] 3,241 4,869 5,095 3,4 4,9 5,1
14 B [kHz] 106,900 464,600 468,200 108,8 464,6 467,8
Parametry ujęte w powyższej tabeli odzwierciedlają własności wzmacniaczy
tranzystorowych, co świadczy o ich możliwościach technicznych pod względem określonych
zastosowań. Uzyskane rezultaty pokrywają się w znacznym stopniu ze wstępnymi
założeniami projektowymi. Można również tworzyć złożone wzmacniacze wielostopniowe
poprzez łączenie wybranych konfiguracji podstawowych (WE, WB i WK). W ten sposób
uzyskuje się odpowiednie dopasowanie impedancyjne, współczynniki wzmocnienia itp.
Oczywiście możliwa jest modyfikacja i regulacja uzyskanych wartości parametrów
projektowanego wzmacniacza w wyniku zastosowania adekwatnego ujemnego SZ.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
53
4. Symulacja działania zaprojektowanych wzmacniaczy
w programie PSpice
Teoretyczne algorytmy obliczeniowe stosowane w procesie projektowania układów
nie zawsze w pełni odzwierciedlają realne wyniki pomiarów. Istotną kwestią jest więc
symulacja działania zaprojektowanych wzmacniaczy tranzystorowych. Do tego celu można
wykorzystać program komputerowy PSpice (ver. 6.3a), który umożliwia wprowadzanie
pewnych modyfikacji i korekcji w strukturze układowej.
4.1. Parametry wzmacniacza w konfiguracji WE
4.1.1. Badanie w zakresie prądu stałego
W pierwszej kolejności należy zbadać zaprojektowany wzmacniacz WE (rys.54) pod
względem poprawności obwodu zasilania. Do tego celu wykorzystano funkcję Bias Point
Detail , która gromadzi w trybie tekstowym wszelkie istotne informacje dotyczące
polaryzacji zastosowanych elementów aktywnych.
Rys.54. Schemat aplikacyjny wzmacniacza w konfiguracji WE.
W wyniku przeprowadzonej analizy DC zostały wygenerowane następujące dane
dotyczące użytego modelu tranzystora bipolarnego:
BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS
MODEL BC547B
IB 6.15E-06
IC 1.94E-03
VBE 6.80E-01
VCE 5.00E+00
BETADC 3.16E+02
RPI 4.53E+03
RO 3.46E+04
BETAAC 3.33E+02
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
54
Uzyskane parametry są bardzo zbliżone do wartości teoretycznie założonych i świadczą
o właściwej polaryzacji elementu aktywnego. Kolejne przeprowadzone symulacje będą
dotyczyć działania układu w zakresie przetwarzania sygnałów zmiennych.
4.1.2. Badanie w zakresie prądu zmiennego
Badany wzmacniacz charakteryzuje się wieloma parametrami, które decydują
o tym gdzie można go realnie zastosować. Należy więc ocenić układ pod wieloma względami
m.in. z punktu widzenia przenoszonych sygnałów w zakresie średnich częstotliwości. Do tego
celu wybrano w programie PSpice analizę AC Sweep , która umożliwia określenie
poszczególnych transmitancji napięciowych i prądowych oraz pasma przenoszenia
wzmacniacza (rys. 55-61).
W dziedzinie częstotliwości określono symulacyjnie następujące parametry robocze:
- rezystancja wejściowa układu
Rys.55. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WE (parametr Rwe).
- rezystancja wyjściowa układu
Rys.56. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WE (parametr Rwy).
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
55
- współczynnik wzmocnienia napięciowego
Rys.57. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WE (parametr Ku).
- współczynnik skutecznego wzmocnienia napięciowego
Rys.58. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WE (parametr Kusk).
- współczynnik wzmocnienia prądowego
Rys.59. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WE (parametr Ki).
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
56
- pasmo przenoszenia sygnału (przy spadku trzydecybelowym)
Rys.60. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WE (parametr B).
W celu określenia maksymalnej wydajności napięciowej na wyjściu układu należy
ustawić opcjonalnie w programie PSpice dziedzinę czasu Transient . W wyniku
przeprowadzonej symulacji uzyskano:
Rys.61. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WE (parametr Uwym).
4.2. Parametry wzmacniacza w konfiguracji WB
4.2.1. Badanie w zakresie prądu stałego
Zaprojektowany wzmacniacz WB (rys.62) należy zbadać pod względem poprawności
obwodu zasilania. Do tego celu wykorzystano funkcję Bias Point Detail , która gromadzi
w trybie tekstowym wszelkie istotne informacje dotyczące polaryzacji zastosowanych
elementów aktywnych.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
57
Rys.62. Schemat aplikacyjny wzmacniacza w konfiguracji WB.
W wyniku przeprowadzonej analizy DC zostały wygenerowane następujące dane
dotyczące użytego modelu tranzystora bipolarnego:
BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS
NAME Q_T
MODEL BC547B
IB 8.07E-07
IC 2.07E-04
VBE 6.22E-01
VCE 4.74E+00
BETADC 2.57E+02
RPI 3.68E+04
RO 3.23E+05
BETAAC 2.94E+02
Uzyskane parametry są bardzo zbliżone do wartości teoretycznie założonych
i świadczą o właściwej polaryzacji elementu aktywnego. Kolejne przeprowadzone symulacje
będą dotyczyć działania układu w zakresie przetwarzania sygnałów zmiennych.
4.2.2. Badanie w zakresie prądu zmiennego
Badany wzmacniacz charakteryzuje się wieloma parametrami, które decydują
o tym gdzie można go realnie zastosować. Należy więc ocenić układ pod wieloma względami
m.in. z punktu widzenia przenoszonych sygnałów w zakresie średnich częstotliwości. Do tego
celu wybrano w programie PSpice analizę AC Sweep , która umożliwia określenie
poszczególnych transmitancji napięciowych i prądowych oraz pasma przenoszenia
wzmacniacza (rys.63-69).
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
58
W dziedzinie częstotliwości określono symulacyjnie następujące parametry robocze:
- rezystancja wejściowa układu
Rys.63. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WB (parametr Rwe).
- rezystancja wyjściowa układu
Rys.64. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WB (parametr Rwy).
- współczynnik wzmocnienia napięciowego
Rys.65. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WB (parametr Ku).
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
59
- współczynnik skutecznego wzmocnienia napięciowego
Rys.66. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WB (parametr Kusk).
- współczynnik wzmocnienia prądowego
Rys.67. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WB (parametr Ki).
- pasmo przenoszenia sygnału (przy spadku trzydecybelowym)
Rys.68. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WB (parametr B).
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
60
W celu określenia maksymalnej wydajności napięciowej na wyjściu układu należy
ustawić opcjonalnie w programie PSpice dziedzinę czasu Transient . W wyniku
przeprowadzonej symulacji uzyskano:
Rys.69. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WB (parametr Uwym).
4.3. Parametry wzmacniacza w konfiguracji WK
4.3.1. Badanie w zakresie prądu stałego
Zaprojektowany wzmacniacz WK (rys.70) należy zbadać pod względem poprawności
obwodu zasilania. Do tego celu wykorzystano funkcję Bias Point Detail , która gromadzi
w trybie tekstowym wszelkie istotne informacje dotyczące polaryzacji zastosowanych
elementów aktywnych.
Rys.70. Schemat aplikacyjny wzmacniacza w konfiguracji WK.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
61
W wyniku przeprowadzonej analizy DC zostały wygenerowane następujące dane
dotyczące użytego modelu tranzystora bipolarnego:
BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS
NAME Q_T
MODEL BC547B
IB 1.23E-05
IC 4.04E-03
VBE 6.99E-01
VCE 5.93E+00
BETADC 3.28E+02
RPI 2.23E+03
RO 1.68E+04
BETAAC 3.34E+02
Uzyskane parametry są bardzo zbliżone do wartości teoretycznie założonych i świadczą
o właściwej polaryzacji elementu aktywnego. Kolejne przeprowadzone symulacje będą
dotyczyć działania układu w zakresie przetwarzania sygnałów zmiennych.
4.3.2. Badanie w zakresie prądu zmiennego
Badany wzmacniacz charakteryzuje się wieloma parametrami, które decydują
o tym gdzie można go realnie zastosować. Należy więc ocenić układ pod wieloma względami
m.in. z punktu widzenia przenoszonych sygnałów w zakresie średnich częstotliwości. Do tego
celu wybrano w programie PSpice analizę AC Sweep , która umożliwia określenie
poszczególnych transmitancji napięciowych i prądowych oraz pasma przenoszenia
wzmacniacza (rys. 71-60).
W dziedzinie częstotliwości określono symulacyjnie następujące parametry robocze:
- rezystancja wejściowa układu
Rys.71. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WK (parametr Rwe).
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
62
- rezystancja wyjściowa układu
Rys.72. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WK (parametr Rwy).
- współczynnik wzmocnienia napięciowego
Rys.73. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WK (parametr Ku).
- współczynnik skutecznego wzmocnienia napięciowego
Rys.74. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WK (parametr Kusk).
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
63
- współczynnik wzmocnienia prądowego
Rys.75. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WK (parametr Ki).
- pasmo przenoszenia sygnału (przy spadku trzydecybelowym)
Rys.76. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WK (parametr B).
W celu określenia maksymalnej wydajności napięciowej na wyjściu układu należy
ustawić opcjonalnie w programie PSpice dziedzinę czasu Transient . W wyniku
przeprowadzonej symulacji uzyskano:
Rys.77. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WK (parametr Uwym).
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
64
4.4. Zestawienie parametrów wzmacniaczy na etapie symulacji
w PSpice
W zestawieniu tabelarycznym ujęto wyliczone przez program symulacyjny parametry
w zakresie DC i AC dla wszystkich trzech konfiguracji wzmacniacza (WE, WB, WK).
Tab.2. Zestawienie zbiorcze wyników symulacji w programie PSpice.
L.p. Parametr Wartość parametru (z symulacji)
WE WB WK
1 IC [mA] 1,940 0,207 4,040
2 UCE [V] 5,000 4,740 5,930
3 Uwym [V] 2,673 4,008 5,282
4 rbe [k&!] 4,530 36,800 2,230
5 gce [�S] 28,902 3,096 59,524
6 Rwe [k&!] 4,257 0,131 25,015
7 Rwy [k&!] 1,379 19,355 0,0072
8 |Ku| [V/V] 97,076 145,902 0,951
9 |Kusk| [V/V] 95,922 105,511 0,949
10 |Ki| [A/A] 40,323 0,191 2,373
11 fd [Hz] 98,333 47,735 41,865
12 fg [kHz] 76,421 502,030 498,286
13 fo [kHz] 2,740 4,895 4,567
14 B [kHz] 76,323 501,983 498,245
Parametry wzmacniaczy tranzystorowych (WE, WB i WK) uzyskane w wyniku
przeprowadzonych symulacji komputerowych potwierdzają poprawność zastosowanych
algorytmów obliczeniowych. Odchyłki co do ich wartości względem spodziewanych
wyników w większości przypadków nie przekraczają granicy 10%.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
65
5. Analiza wyników projektowych i wnioski.
W procesie projektowym zbadano podstawowe własności i parametry wzmacniaczy
tranzystorowych pracujących w podstawowych wariantach konfiguracyjnych (WE, WB i WK).
W pierwszym etapie wykorzystano odpowiednie algorytmy, czyli obliczenia teoretyczne.
Następnie zasymulowano działanie wzmacniaczy w programie PSpice i dodatkowo
sprawdzono poprawność zastosowanych wzorów. W efekcie cały złożony proces pozwolił na
porównanie uzyskanych wyników (tab.3) i określenie wiarygodności obliczeń teoretycznych
oraz stopnia realizacji wymagań projektowych.
Tab.3. Zestawienie zbiorcze najistotniejszych wyników obliczeń, symulacji i pomiarów.
L.p. Parametr Wartość parametru uzyskana Wartość parametru
z obliczeń uzyskana z symulacji
WE WB WK WE WB WK
1 IC [mA] 1,945 0,208 4,049 1,940 0,207 4,040
2 UCE [V] 4,997 4,707 5,926 5,000 4,740 5,930
3 Uwym [V] 2,583 4,032 4,906 2,673 4,008 5,282
4 rbe [k&!] 4,210 32,440 2,119 4,530 36,800 2,230
5 gce [�S] 28,190 3,020 58,690 28,902 3,096 59,524
6 Rwe [k&!] 3,875 0,123 23,880 4,257 0,131 25,015
7 Rwy [k&!] 1,531 23,990 0,0065 1,379 19,355 0,0072
8 |Ku| [V/V] 99,330 155,100 0,995 97,076 145,902 0,951
9 |Kusk| [V/V] 98,070 110,400 0,993 95,922 105,511 0,949
10 |Ki| [A/A] 41,820 0,193 2,387 40,323 0,191 2,373
11 fd [Hz] 98,160 51,010 44,360 98,333 47,735 41,865
12 fg [kHz] 97,380 464,700 468,300 76,421 502,030 498,286
13 fo [kHz] 3,092 4,869 4,558 2,740 4,895 4,567
14 B [kHz] 97,290 464,600 468,200 76,323 501,983 498,245
Z powyższej tabeli wynika jednoznacznie, że otrzymane wartości parametrów badanych
wzmacniaczy są bardzo zbliżone do siebie i w większości przypadków mieszczą się
w granicach stosownej tolerancji poniżej 10%. Można więc uznać, że zastosowane algorytmy
obliczeniowe są słuszne i wiarygodne. Jednakże potwierdziła się teza, że analiza w dziedzinie
prądu stałego jest mniej skomplikowana, stąd i wyniki są bardziej precyzyjne rozrzuty
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
66
wartości IC oraz UCE zaledwie ok. 1%. Natomiast w zakresie AC dokonano więcej założeń
i przybliżeń we wzorach, co miało swój negatywny wpływ na ostateczne rezultaty (np. fg).
Czynniki (założenia), które przede wszystkim decydowały o różnicach w wynikach
zamieszczonych w tab.4:
a) etap teoretyczny (zastosowanie teoretycznych algorytmów obliczeniowych)
- analiza w dziedzinie DC
" �DC + 1 H" �DC (czyli: IE H" IC)
" IC0 H" 0 (prąd zerowy kolektora)
" zaokrąglanie wartości elementów wg szeregu normalizacyjnego E24 (ą5%)
- analiza w dziedzinie AC
" rbb H" 0
" �AC H" �DC
" gm H" IC / 26mV
" rbe H" �DC / gm
" gce H" IC / 69V
" rbc "
" |Ku| + 1 H" |Ku|
b) etap symulacyjny (wykorzystanie symulacji komputerowych w programie PSpice )
- analiza w dziedzinie DC
" różnica w wartości współczynnika �DC
" różnica w wartości napięcia UBE
- analiza w dziedzinie AC
" rbb H" 0
Z powyższej analizy wynika, iż zaprojektowane wzmacniacze tranzystorowe osiągnęły
zakładane wymagania projektowe, a zastosowane teoretyczne algorytmy obliczeniowe
okazały się być wystarczająco skuteczne. Zdecydowanie korzystnym czynnikiem
sprzyjającym całemu procesowi projektowania był niezbyt wysoki poziom skomplikowania
układów.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
67
6. yródła informacji technicznych
[1] Program symulacyjny Pspice ver. 6.3a
[2] www.infineon.com
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
68
7. Załącznik 1 schematy wzmacniaczy do analizy DC i AC
Rys. A. Schemat uproszczony wzmacniacza WE i WB do analizy w dziedzinie DC.
Rys. B. Schemat uproszczony wzmacniacza WK do analizy w dziedzinie DC.
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
69
Rys. C. Schemat zastępczy wzmacniacza WE do analizy małosygnałowej (AC).
Rys. D. Schemat zastępczy wzmacniacza WB do analizy małosygnałowej (AC).
Rys. E. Schemat zastępczy wzmacniacza WK do analizy małosygnałowej (AC).
Metody projektowania wzmacniaczy tranzystorowych
70
8. Załącznik 2 charakterystyki tranzystora BC547B
Rys. F. Charakterystyka przejściowa (sterowanie nap.) tranzystora bipolarnego typu BC547B.
Rys. G. Charakterystyka wyjściowa tranzystora bipolarnego typu BC547B (npn).

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Skrypt Projekt kolejowego łuku poziomego
Projekt Wzmacnianie policyjnej transgranicznej wspolpracy Litwy Lotwy i Polski
Projekt wzmacniacza tranzystorowego jednostopniowego
,elementy i układy elektroniczne I P, projektowanie wzmacniaczy oe
Cw 9 Wzmacniacz mocy
3dni wzmacniajaca
Wzmacniacz do aktywnej kolumny głośnikoiwej(1)
konwerter i wzmacniacz optyczne i coaksiale coaxial
przeprowadzenie kabli wzmacniacz Laguna 2
Wzmacniacz 2x50 lub 1x100W

więcej podobnych podstron