PROJEKT WZMACNIACZA W UKŁADZIE WE NA TRANZYSTORZE 2N2907A

Spis treści

Spis rysunków

• Zadanie. 1.

1. Układ do wyznaczenia rodziny charakterystyk statycznych

2. Rodzina charakterystyk statycznych dla układu WE Ib=0:10:120uA; tj=27⁰C

(Uwaga: ze względu na widoczność zmieniono kolory wykresu instrukcją: Window > Copy to Clipboard > change white to Black)

Rysunek 1 Charakterystyki statyczne tranzystora 2N2907A

3. Rodzina charakterystyk dla otoczenia punktu pracy tranzystora w projekcie, czyli:

Ib = 8, 9 ,10uA; Uce = 5 - 7V

Rysunek 2 Charakterystyki statyczne tranzystora 2N2907A wokół projektowanego punktu pracy

Będzie to wykorzystane przy projektowaniu wzmacniacza dla UCE = 6V; IC = 2mA, gdyż

mamy stąd:

(1)

(2)

• Zadanie. 2. Projekt.

1. Określenie dokładności obliczeń i stabilności punktu pracy.

Biorąc pod uwagę stosowane w sprzęcie nieprofesjonalnym tolerancje elementów rzędu 5 - 20%, a przede wszystkim rozrzut parametrów poszczególnych tranzystorów, stosowanie większej dokładności obliczeń niż 5 10% nie ma praktycznego znaczenia. Odwrotnie, układ powinien być tak pomyślany - stabilizowany sprzężeniem zwrotnym i/lub źródłami odniesienia, aby duże wahania parametrów tranzystora spowodowane przede wszystkim zmianami temperatury otoczenia i rozpraszaniem mocy w tranzystorze, nie powodowały dużych zmian punktu pracy.

2. Określenie punktu pracy

1. Określenie prądu kolektora I_C

• Tylko w:

• Stopniach wejściowych, ze względu na parametry szumowe tranzystora, używa się małych prądów kolektora

• Stopniach wyjściowych, ze względu na przenoszone moce, używa się dużych prądów kolektora

Natomiast w stopniach wzmacniaczy napięciowych małej (akustycznej) częstotliwości (skrót: m.cz.), prądy kolektora wynoszą praktycznie 0.1 -10 mA

• Dobór prądu I_C w powyższych granicach nie jest krytyczny i przebiega według poniższej zależności:

(3)

Gdzie:
dla T = 300 ⁰K = 27 ⁰C, a k to stała Boltzmanna oraz e to ładunek elektronu

Z zależności (3) wynika, że powinno być:
, czyli I_C w miarę duży

• Nie należy jednak ze zwiększaniem Ic przesadzać, aby niepotrzebnie nie tracić zbyt dużej mocy zasilania

• Wybieram I_C = 2mA

1. Określenie opornika emiterowego R_E

Zakładam, że nawet w skrajnie zmiennych warunkach pogodowych: od -30 do +70 ⁰C (pomieszczenie czy samochód nieogrzewany, niewietrzony, w miejscu nasłonecznionym), czyli ΔT = 100 ⁰C, czyli ΔU_EB = 2,3mV/⁰C * 100⁰C = 230mV, punkt pracy tranzystora nie zmieni się bardziej niż o 10%. Stąd:


(4)

Takie wahania ΔU_EB = 230mV, przy braku opornika R_E, a wykładniczym wzroście prądu od napięcia w złączu emiterowym, jak w każdym złączu bipolarnym, spowodowałyby wzrost prądu I_C o kilka dekad wartości.

• Wybieram R_E = 1.2kΩ oraz U_E = 2.4V

1. Określenie napięcia kolektora U_C

• Wziąwszy pod uwagę (3) napięcie kolektora U_C powinno być jak najniższe

• Jednak ze względu na:

• Maksymalną, możliwą do osiągnięcia,wielkość sygnału wyjściowego Uomax równą:


(5)

powinno być:


(6)

• Stabilność termiczną, czyli aby przy zmianie punktu pracy tranzystora nie zmieniała się moc
  w nim tracona, czyli aby pochodna tej mocy zerowała się:




Stąd:




Czyli praktycznie identycznie jak (6)

• Oraz obliczę często dalej używaną rezystancję R_O||R_C, będącą równoległym połączeniem R_O i R_C, czyli wypadkową rezystancją obciążenia tranzystora:




• Stąd wybieram U_C = 9V i R_C = (E_C-U_C)/I_C = (15-9)V/2mA = 3kΩ oraz

1. Określenie opornika wypadkowego (równolegle połączone R_B1 i R_B2) bazy R_B

• Opornik ten, aby nie bocznikować nadmiernie rezystancji wejściowej tranzystora (h_11e), czyli niepotrzebnie nie zwiększać prądu wejściowego wzmacniacza, powinien być mniejszy od h_11e, które wynosi - patrz (1), (3):




• Opornik R_B z kolei nie może być zbyt czuły na prąd bazy wynoszący I_B = 9µA - patrz rys. 1. Dopuszczalna czułość to na przykład spadek na nim ΔU_B = 0.3V, czyli 10% U_B = 3V, przy przepływie tego prądu, czyli R_B < ΔU_B / I_B = 0.3V/9µA = 33.3kΩ

• Stąd 3.06 < R_B < 33.3kΩ

• Wybieram R_B = 10 kΩ

• Oraz obliczę często dalej używaną rezystancję R_B||h_11e, będącą równoległym połączeniem R_b i h_11e, czyli wypadkową rezystancją wejścia tranzystora:




• R_B || h_11e = 2.34 kΩ

1. Określenie oporników R_B1 i R_B2 dzielnika bazy R_B

• Oporniki te muszą dać napięcie na bazie:




Czyli stanowić dzielnik oporowy U_B / E_C = 3V / 15V = 0.2

• Wybrałem R_B = 10 kΩ, a dokładniej poniższe wartości R_B1 = 47 kΩ i R_B2 = 12 kΩ dadzą R_B = 9.56 kΩ

• W/w warunki spełnia R_B1 = 47 kΩ i R_B2 = 12 kΩ

3. Określenie parametrów wzmacniacza (K_u, K_i, r_WE, r_WY) dla środka jego pasma przepustowego.

1. Określenie rezystancji wejściowej wzmacniacza r_WE




2. Określenie rezystancji wyjściowej wzmacniacza r_Wy




3. Określenie wzmocnienia napięciowego wzmacniacza K_u

• 
  

• K_u w decybelach:




1. Określenie wzmocnienia prądowego wzmacniacza K_i

• 
  

• K_i w decybelach:




4. Określenie częstotliwości granicznych (3dB) pasma przepustowego wzmacniacza.

1. Dolna częstotliwość graniczna (3dB) pasma przepustowego wzmacniacza.

• Częstotliwość ta zależy od wszystkich 3 pojemności układu, gdyż wszystkie one są włączone szeregowo w stosunku do kierunku transmisji sygnału, a dokładniej:

• C₁ tworzy obwód wejściowy w szereg z r_WE=5.64kΩ i gdy na przykład 1/ω/C₁ = r_WE wówczas zmniejszy się moduł prądu wejściowego tranzystora o 3dB (√2)

• C₂ tworzy obwód wyjściowy w szereg z R_O+R_C=8.2 kΩ +3kΩ=11.2kΩ i gdy na przykład 1/ω/C₂ = 11.2kΩ wówczas zmniejszy się moduł prądu obciążenia o 3dB (√2)

• Transponowane do bazy C₃, czyli C₃/β tworzy obwód wejściowy w szereg z h_11e=3.06kΩ oraz rezystancją zastępczą źródła sygnału R_Z||R_B=3.3 kΩ ||10kΩ=2.48kΩ i gdy na przykład 1/ω/C_E = h_11e + R_Z||R_B wówczas zmniejszy się moduł prądu wejściowego tranzystora o 3dB (√2)

• Wartości kondensatorów ułożyłem w ciąg odwrotnie proporcjonalny do odpowiednich w/w rezystancji - dzięki temu otrzymałem najmniejszą możliwą do uzyskania wartość (z typowego dla kondensatorów elektrolitycznych szeregu wartości E3: 1, 2.2, 4.7) kondensatora CE - zawsze największego, czyli oszczędność kosztu i powierzchni zajmowanej przez układ. Omawiane pojemności przy wartościach: C1=10µF, C2=4.7µF, C1=470µF dają następujące tłumienia:










• Wyprowadzenie powyższych wzorów jest następujące:




1. Górna częstotliwość graniczna (3dB) pasma przepustowego wzmacniacza.

Częstotliwość ta zależy w pierwszym przybliżeniu od :

• Właściwości tranzystora, to znaczy jego:

• f_T = 250 MHz - typowo dla tego typu tranzystorów, czyli pole wzmocnienia i górnej częstotliwości granicznej

• β = 235 (oczywiście w tym przypadku), czyli przede wszystkim od właściwości tranzystora i nieco mniej od jego punktu pracy

• stąd mamy f_T = β f_β, czyli w tym przypadku f_g = f_β = f_T/β = 250MHz/235 = 1.06MHz

• Efektu Millera, czyli przy odwracającym fazę, wzmocnieniu napięciowym K_u, zwiększenie wartości pojemności C_jC złącza kolektor - baza, (K_u +1) razy i bocznikowanie tą pojemnością sygnału wejściowego.

Jak widać z wykresu K_u (dalej), w danym przypadku przeważa Efekt Millera.

• Zadanie. 3. Wyniki analizy PSpice.




Rysunek 3 Schemat układu




Rysunek 4 Charakterystyka Ku - wartość obliczona dla środka pasma 37dB




Rysunek 5 Charakterystyka Ki - wartość obliczona dla środka pasma 33.7dB




Rysunek 6 Charakterystyka r_WE - wartość obliczona dla środka pasma 5.64kΩ

1

---