Ενισχυτές τάσης - ρεύματος με τρανζίστορ

 

Στα παρακάτω πειράματα μπορούμε να μελετήσουμε το τρανζίστορ σε λειτουργία ενισχυτή τάσης και ρεύματος. Με μετρήσεις στα δυναμικά DC και AC μπορούμε να υπολογίσουμε την ενίσχυση των κυκλωμάτων που παρουσιάζονται και να παρατηρήσουμε τη συχνοτική απόκριση των ενισχυτών και τη συμπεριφορά τους όταν συνδέονται φορτία. Οι μετρήσεις που παρουσιάζονται είναι πραγματικές και συμφωνούν απόλυτα με τα θεωρητικά μοντέλα.

 

Συγγραφέας: Πορλιδάς Δημήτριος

Βιογραφικό Σημείωμα

electronics@porlidas.gr

Facebook

Linkedin


 

Σχήμα 1. Κύκλωμα ενισχυτή τάσης.

 

Όταν ένα τρανζίστορ βρίσκεται σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού και λειτουργεί στη γραμμική περιοχή του συμπεριφέρεται ως ενισχυτής τάσης. Στο σχήμα 1 παρουσιάζεται ένα χαρακτηριστικό κύκλωμα ενισχυτή τάσης. Ο πυκνωτής C1 απομονώνει το κύκλωμα από ανεπιθύμητα συνεχή δυναμικά της εξόδου του προηγούμενου κυκλώματος. Οι αντιστάσεις R1, R2 σχηματίζουν ένα διαιρέτη τάσης που μας εξασφαλίζει το DC δυναμικό που χρειάζεται για την πόλωση του τρανζίστορ, ώστε το σημείο λειτουργίας του να βρίσκεται στη γραμμική περιοχή. Το τρανζίστορ είναι συνδεδεμένο σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού. Η αντίσταση R3 είναι η αντίσταση συλλέκτη. Η αντίσταση R4 είναι η αντίσταση εκπομπού και χρησιμεύει για τη σταθεροποίηση του ρεύματος πόλωσης. Ο πυκνωτής C3 παρουσιάζεται ως βραχυκύκλωμα στο AC και βοηθάει στην αύξηση της ενίσχυσης. Ο C2 απομονώνει το κύκλωμα του ενισχυτή από συνεχή δυναμικά της επόμενης βαθμίδας. Αρχικά μπορούμε να θεωρήσουμε ότι ο πυκνωτής C3 δεν υπάρχει στο κύκλωμα και να μελετήσουμε τη συμπεριφορά του κυκλώματος χωρίς αυτόν.

Η εφαρμογή εναλλασσόμενης τάσης στην είσοδο, έχει ως αποτέλεσμα να μεταβάλλεται το δυναμικό VBB, που εξασφαλίσαμε με το διαιρέτη τάσης R1, R2 στη βάση του τρανζίστορ και να μετατοπίζεται παράλληλα η ευθεία φόρτου (σχήμα 2) στο τμήμα εισόδου ώστε να μεταβάλλεται έτσι το ρεύμα βάσης iB. Η τομή της ευθείας φόρτου με τη χαρακτηριστική εισόδου του τρανζίστορ μας δίνει το μέγεθος της μεταβολής αυτής. Η μεταβολή του ρεύματος βάσης, στη συνέχεια, έχει ως συνέπεια να μεταβάλλεται το σημείο λειτουργίας του τρανζίστορ πάνω στην ευθεία φόρτου του τμήματος εξόδου και να μεταβάλλεται έτσι αναλόγως και το ρεύμα συλλέκτη και η τάση υCE. Η τομή της ευθείας φόρτου με τις χαρακτηριστικές εξόδου του τρανζίστορ μας δίνει το μέγεθος της μεταβολής αυτής. Έτσι η εναλλασσόμενη τάση της εισόδου εμφανίζεται στην έξοδο ενισχυμένη κατά ένα παράγοντα Α. Επειδή όταν αυξάνει η τάση εισόδου αυξάνει και το ρεύμα εισόδου, με αποτέλεσμα να αυξάνει το ρεύμα συλλέκτη, να μειώνεται η τάση υCE και να μειώνεται έτσι η τάση εξόδου, ο ενισχυτής παρουσιάζει μια διαφορά φάσης 180ο μεταξύ εισόδου και εξόδου. Τα χαρακτηριστικά του ενισχυτή δίνονται από τις σχέσεις:

 

Αντίσταση εισόδου:      

 Αντίσταση εξόδου:     

Ενίσχυση τάσης:       

Ενίσχυση ρεύματος:   

Στην περίπτωση που είναι συνδεδεμένος ο πυκνωτής C3 παράλληλα με την αντίσταση εκπομπού (όπως στο σχήμα 1), λειτουργεί ως βραχυκύκλωμα για το AC ενώ για το DC λειτουργεί ως ανοιχτό κύκλωμα με αποτέλεσμα να τροποποιούνται οι σχέσεις:

            Αντίσταση εισόδου:   ="font-size:10pt; line-height:100%;">  

             Ενίσχυση τάσης:      ="font-size:10pt; line-height:100%;">   

Η δυναμικήαντίσταση εκπομπού (re = VT / IC) είναι πολύ μικρή συγκριτικά με τις τυπικές τιμές αντιστάσεωνεκπομπού, με αποτέλεσμα η ενίσχυση τάσης στην περίπτωση που στο κύκλωμα υπάρχει πυκνωτής εκπομπού να είναι πολύ μεγαλύτερη, διατηρώντας ταυτόχρονα ο ενισχυτής σταθερότητα στο ρεύμα πόλωσης, αφού στο συνεχές ρεύμα ο πυκνωτής παρουσιάζεται ως ανοιχτό κύκλωμα. Στο κύκλωμα του σχήματος 3 το τρανζίστορ βρίσκεται σε συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη (ακολουθητής τάσης). Η πηγή V1 θεωρείται βραχυκύκλωμα για το εναλλασσόμενο ρεύμα και έτσι μπορεί να θεωρηθεί ότι στο AC ανάλογο ο συλλέκτης είναι γειωμένος και αποτελεί το κοινό σημείο εισόδου – εξόδου. Η ενίσχυση τάσης και ρεύματος του ενισχυτή δίνεται από τις σχέσεις:

Ενίσχυση τάσης:       ="font-size:10pt; line-height:100%;">          

Ενίσχυση ρεύματος:   ="font-size:10pt; line-height:100%;">        

Ο ενισχυτής κοινού συλλέκτη κάνει ενίσχυση ρεύματος αλλά όχι ενίσχυση τάσης και η τάση εξόδου παρουσιάζεται σε φάση με την τάση εισόδου. Η αντίσταση εισόδου του ενισχυτή είναι πολύ μεγάλη, ενώ η αντίσταση εξόδου είναι πολύ μικρή. Έτσι ο ενισχυτής κοινού συλλέκτη αποτελεί συχνά βαθμίδα προσαρμογής ενός φορτίου με μικρή αντίσταση σε ενισχυτή με μεγάλη αντίσταση εξόδου.

 

Σχήμα 2. Ευθεία φόρτου τρανζίστορ.

 

 

 

 

Σχήμα 3. Συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη.

.

 

Πίνακας Ι. Πειραματικές μετρήσεις.

Μέτρηση

Χωρίς Ce

Με Ce

VB (V)

2.7

2.8

VC (V)

5.6

5.7

VE (V)

2.0

2.1

υi (Vpp)

2.3

0.058

υo (Vpp)

4.7

5.9

Αυ

2

100

 

 

Για την εκτέλεση του πειράματος κατασκευάζουμε το κύκλωμα του σχήματος 1 για δύο περιπτώσεις: α) χωρίς πυκνωτή στον εκπομπό (Ce) και β) με πυκνωτή στον εκπομπό (Ce). Ρυθμίζουμε και για τις δύο περιπτώσεις το πλάτος του σήματος εισόδου ώστε να έχουμε το μέγιστο πλάτος εξόδου χωρίς παραμόρφωση. Στα παρακάτω σχήματα παρουσιάζονται αντίστοιχα οι κυματομορφές εισόδου – εξόδου και για τις δύο περιπτώσεις. Στη συνέχεια μετράμε τα DC δυναμικά στους ακροδέκτες του τρανζίστορ και υπολογίζουμε την ενίσχυση τάσης για την κάθε περίπτωση. Οι μετρήσεις μας παρουσιάζονται στον πίνακα Ι.

 

Με βάση τα στοιχεία του κυκλώματος μπορούμε να υπολογίσουμε από τη σχέση (3) την ενίσχυση τάσης για την περίπτωση του κυκλώματος χωρίς πυκνωτή στον εκπομπό. Η ενίσχυση τάσης προκύπτει περίπου 2, όση και η τιμή που βρήκαμε από τα πειραματικά δεδομένα. Για την περίπτωση του κυκλώματος με πυκνωτή στον εκπομπό η ενίσχυση 100, που προκύπτει από τα πειραματικά δεδομένα, είναι και μια τυπική τιμή ενίσχυσης τάσης για τέτοιου είδους κυκλώματα. Για παραπάνω θεωρητικούς υπολογισμούς είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε το β του τρανζίστορ. Στη συνέχεια μπορούμε να μεταβάλλουμε τη συχνότητα του σήματος εισόδου και να υπολογίσουμε συχνοτική απόκριση του ενισχυτή για συχνότητες από 300 Hz ως 100 kHz. Το διάγραμμα BODE παρουσιάζεται στο σχήμα 4.

Από τη συχνοτική απόκριση του ενισχυτή και το διάγραμμα BODE παρατηρούμε ότι η ενίσχυση είναι μικρή στις χαμηλές συχνότητες και παίρνει κανονικές τιμές στις μεγάλες, με συχνότητα αποκοπής στα 2.6kHz. Η κλίση είναι περίπου 20dB/dec, περίπου όση και σε τυπικά υψηλοπερατά φίλτρα RC.

Στη συνέχεια μπορούμε να συνδέσουμε για φορτίο μια αντίσταση RL=1kΩ στο κύκλωμα του ενισχυτή χωρίς πυκνωτή εκπομπού και να μετρήσουμε το πλάτος της τάσης εξόδου (βρέθηκε υ΄ο=2.35Vpp). Το πλάτος εξόδου πριν τη σύνδεση του φορτίου ήταν υο=4.7V (πίνακας 1). Η αντίσταση εξόδου του κυκλώματος σε αυτήν την περίπτωση δίνεται από τη σχέση 2.

 

Σχήμα 4. Διάγραμμα BODE ενισχυτή.

 

 

Σχήμα 5. Thevenin ανάλογο του ενισχυτή.

 

Στο Thevenin ανάλογο του ενισχυτή (σχήμα 5) μπορούμε να δούμε τι συμβαίνει στον ενισχυτή μετά τη σύνδεση του φορτίου. Το φορτίο συνδέεται στο άκρα ΑΒ και σχηματίζει έτσι ένα διαιρέτη τάσης με την αντίσταση εξόδου στα άκρα του. Από το νόμο του διαιρέτη τάσης, το αναμενόμενο πλάτος της τάσης εξόδου, μετά τη σύνδεση του φορτίου, είναι όσο ακριβώς και το πλάτος που μετρήσαμε:

Έπειτα μπορούμε να συνδέσουμε στην έξοδο του ενισχυτή το κύκλωμα του ακολουθητή τάσης του σχήματος 3. Το θεωρητικό σχέδιο του συνολικού κυκλώματος παρουσιάζεται στο σχήμα 6. Διατηρούμε το πλάτος του σήματος εισόδου στα 2.3Vpp, και μετράμε το πλάτος της τάσης εξόδου του συνολικού κυκλώματος χωρίς την αντίσταση φορτίου συνδεδεμένη στο κύκλωμα (βρέθηκε υο=3.6Vpp). Στη συνέχεια συνδέουμε την αντίσταση φορτίου και μετράμε πάλι την έξοδο  (βρέθηκε υ΄ο=3.5Vpp). Η επίδραση του φορτίου σε αυτό το κύκλωμα είναι πάρα πολύ μικρή σε αντίθεση με το προηγούμενο και αυτό οφείλεται στην πολύ μικρή αντίσταση εξόδου του ακολουθητή τάσης.

 

Στο Thevenin ανάλογο του συνολικού κυκλώματος του ενισχυτή, η αντίσταση εξόδου είναι πολύ μικρή σε σχέση με την αντίσταση φορτίου, με αποτέλεσμα στον διαιρέτη τάσης που σχηματίζεται με το φορτίο να είναι:

Το χαρακτηριστικό αυτό του ακολουθητή τάσης εκμεταλλευόμαστε στα κυκλώματα που χρειάζεται προσαρμογή σε μία έξοδο μιας αντίστασης φορτίου με τιμή συγκρίσιμη με την αντίσταση εξόδου. Ο ακολουθητής τάσης, όταν παρεμβάλλεται μεταξύ της βαθμίδας εξόδου και του φορτίου, λόγω της μεγάλης αντίστασης εισόδου που έχει, δεν επηρεάζει σημαντικά την έξοδο του κυκλώματος στο οποίο συνδέεται και λόγω της μικρής αντίστασης εξόδου που έχει η έξοδός του, δεν επηρεάζεται από το φορτίο. Έτσι η έξοδος του συνολικού κυκλώματος παραμένει σταθερή και μετά τη σύνδεση του φορτίου. Στις παραπάνω τοπολογίες ενισχυτών το σημείο λειτουργίας βρίσκεται στο κέντρο της ευθείας φόρτου με αποτέλεσμα τα τρανζίστορ να διαρρέονται από ρεύμα στο 100% του σήματος εισόδου (λειτουργία σε κλάση Α). Όταν υπάρχει απαίτηση για σχετικά μεγάλη ισχύ εξόδου τότε έχουμε σημαντική κατανάλωση ενέργειας ιδιαίτερα από το τρανζίστορ εξόδου ακόμα και στο σημείο ηρεμίας (όταν δεν υπάρχει σήμα στην είσοδο).

 

Σχήμα 6. Τελικό κύκλωμα ενισχυτή.

 

Σχήμα 7. Ενισχυτής push pull.

 

Το πρόβλημα αυτό λύνεται με τους ενισχυτές που λειτουργούν σε κλάση Β, όπου τα τρανζίστορ άγουν μόνο κατά τη μία ημιπερίοδο. Στο σχήμα 7 παρουσιάζεται η τοπολογία push pull στην οποία τα δύο τρανζίστορ βρίσκονται σε συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη. Η διάταξη είναι ένας ακολουθητής τάσης και το κάθε ένα τρανζίστορ άγει στη μια μόνο ημιπερίοδο του σήματος εισόδου, ενώ δεν άγει κανένα από τα δύο όταν δεν υπάρχει σήμα στην είσοδο. Για την τροφοδοσία του ενισχυτή χρησιμοποιούμε συμμετρική τροφοδοσία και εφαρμόζουμε εναλλασσόμενη τάση στην είσοδο. Στο σχήμα που ακολουθεί παρουσιάζονται οι κυματομορφές εισόδου εξόδου όπου παρατηρούμε ότι υπάρχει μια παραμόρφωση του σήματος στην περιοχή του 0. Αυτό συμβαίνει γιατί κάθε τρανζίστορ αρχίζει να άγει όταν η τάση VBE ξεπεράσει τα 0.7V. Έτσι χάνεται η πληροφορία της εξόδου του ακολουθητή στην περιοχή των ±0.7V. Η παραμόρφωση αυτή ονομάζεται παραμόρφωση crossover.

 

Ένας απλός τρόπος αντιμετώπισης της παραμόρφωσης crossover είναι να συμπεριλάβουμε το κύκλωμα push pull στο βρόγχο ανάδρασης ενός ακολουθητή με τελεστικό ενισχυτή στην είσοδο του push pull (σχήμα 8). Όταν το σήμα εισόδου στην είσοδο της βαθμίδας Push-Pull είναι μικρότερο κατά απόλυτη τιμή από 0.6V περίπου, τα τρανζίστορ μπαίνουν σε κατάσταση αποκοπής μηδενίζοντας την έξοδο. Η αρνητική ανάδραση αναγκάζει τότε τον τελεστικό ενισχυτή να εργαστεί σε μεγάλη απολαβή (σχεδόν κατάσταση ανοιχτού βρόγχου) δίνοντας ικανή έξοδο για πολύ μικρό σήμα εισόδου. Μόλις το σήμα εξόδου του τελεστικού ενισχυτή ξεπεράσει τα 0.6V κατά απόλυτη τιμή, άγουν κανονικά τα τρανζίστορ αποκαθιστώντας την αρνητική ανάδραση. Η παραμόρφωση crossover έτσι γίνεται ελάχιστη στις ακουστικές συχνότητες. Σε μεγάλες συχνότητες όμως, ο ρυθμός ανόδου (slew rate) του τελεστικού ενισχυτή γίνεται αιτία να παρατηρηθούν ορισμένα κενά στις κυματομορφές στο σημείο του μηδέν, γιατί ο τελεστικός καθυστερεί να μεταβάλλει την έξοδο του σε μεγάλη ενίσχυση.

Η παραμόρφωση crossover μπορεί επίσης να αντιμετωπιστεί με κατάλληλη πόλωση των τρανζίστορ έτσι ώστε άγουν λίγο περισσότερο χρόνο από τη μια ημιπερίοδο με αποτέλεσμα να υπάρχει μια μικρή επικάλυψη (κλάση ΑΒ), δηλαδή, στην περιοχή του μηδενός, για ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα να άγουν και τα δύο τρανζίστορ ταυτόχρονα. Αυτό σημαίνει ότι στην κατάσταση ηρεμίας θα υπάρχει μια μικρή ροή ρεύματος από τη VCC1 προς τη VCC2 κάτι που είναι δυνατό να ελαχιστοποιηθεί με προσεκτική ρύθμιση της πόλωσης.

 

Σχήμα 8. Διόρθωση crossover με OPA.

 

Σχήμα 9. Διόρθωση crossover με ρύθμιση               πόλωσης.

 

Παρόμοια κυκλώματα αυτό χρησιμοποιούνται ως τελική βαθμίδα σε ενισχυτές ακουστικών σημάτων. Παρέχουν μεγάλη ενίσχυση ρεύματος και έχει σχετικά καλή απόδοση. Στο σχήμα 9 παρουσιάζεται το θεωρητικό κύκλωμα ενισχυτήισχύος Push – Pull με ρύθμιση πόλωσης όπου ο ακολουθητής τάσης βρίσκεται σε συνδεσμολογία τρανζίστορ Darlington. Στη συνδεσμολογία αυτή ο εκπομπός του ενός τρανζίστορ συνδέεται απευθείας στη βάση του επόμενου, με αποτέλεσμα το ρεύμα εκπομπού του πρώτου να αποτελεί ρεύμα βάσης για το δεύτερο. Με αυτόν τον τρόπο τα δύο τρανζίστορ συμπεριφέρονται ως ένα, του οποίου το β είναι το γινόμενο του β των δύο τρανζίστορ, η αντίσταση εισόδου είναι:  Ri = β1β2(2re + RE) και η αντίσταση εξόδου: Ro 2re

 Η αντίσταση R4 ρυθμίζει την πηγήτάσης  VBE που σχηματίζει μαζί με την R5 και το Q5. Αυτή η πηγή τάσης αυτή εξασφαλίζει μια σταθερή διαφορά δυναμικού, ανεξάρτητη από την τάση τροφοδοσίας, έτσι ώστε και τα δύο τρανζίστορ να βρίσκονται μόλις σε αγωγιμότητα όταν το κύκλωμα βρίσκεται σε κατάσταση ηρεμίας. Με αυτόν τον τρόπο ρυθμίζεται η παραμόρφωση crossover και είναι απαραίτητο να γίνει για να αναπαραχθεί στην έξοδο ακόμα και ένα πολύ μικρό σήμα εισόδου χωρίς παραμόρφωση. Η αντίσταση R2 μαζί με την πηγή τάσης VBE και την R3 σχηματίζουν έναν διαιρέτη τάσης και πολώνουν τα τελικά ζεύγη με αποτέλεσμα σε κατάσταση ηρεμίας να έχουμε μηδέν στην έξοδο. Και αυτή η ρύθμιση είναι απαραίτητη για να εξαλειφθεί κάθε DC συνιστώσα από το σήμα εξόδου. Οι ρυθμίσεις αυτές έχουν ως αποτέλεσμα μια μικρή ροή ρεύματος από την VCC1 προς την VCC2 μέσω των  Q1, R6, R7 και Q2. Αν είναι σωστά ρυθμισμένο το κύκλωμα θα πρέπει να έχουμε μια πολύ μικρή διαφορά δυναμικού στα άκρα των R6, R7 η οποία προέρχεται από το ρεύμα ηρεμίας και μάλιστα να είναι η ίδια και στις δύο αντιστάσεις.

Για την εκτέλεση του πειράματος κατασκευάζουμε το κύκλωμα του σχήματος 9 και κάνουμε τις απαραίτητες ρυθμίσεις. Στο σχήμα παρουσιάζονται τα DC δυναμικά όπως μετρήθηκαν μετά τη ρύθμιση. Η διαφορά δυναμικού στα άκρα των R6, R7 είναι 0.8mV στην κάθε μία, που σημαίνει ότι το ρεύμα ηρεμίας του κυκλώματος είναι 0.8mA. Οι τιμές των δυναμικών που μετρήσαμε επαληθεύουν όσα αναφέρθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο, αφού για το κάθε τρανζίστορ είναι VBE περίπου 0.55V που σημαίνει ότι όλα τα τρανζίστορ είναι μόλις σε αγωγιμότητα.

 

Τα παραπάνω κυκλώματα ενίσχυσης ρεύματος όταν συνδυαστούν με κυκλώματα ενίσχυσης τάσης, όπως το κύκλωμα του σχήματος 1, για οδήγηση της εισόδου τους, υλοποιούν έναν ολοκληρωμένο ενισχυτή ισχύος. Μια καλύτερη τοπολογία ενισχυτή τάσης είναι ο διαφορικός ενισχυτής. Ο διαφορικός ενισχυτής χρησιμοποιείται για να ενισχύσει τη διαφορά δύο σημάτων τα οποία εφαρμόζονται στις εισόδους του. Έχει δύο εξόδους μεταξύ των οποίων υπάρχει διαφορά φάσης 180ο. Στο σχήμα 10 παρουσιάζεται ένα απλό κύκλωμα διαφορικού ενισχυτή με πηγή ρεύματος στους εκπομπούς των τρανζίστορ.

Για την εκτέλεση του πειράματος για μελέτη του διαφορικού ενισχυτή κατασκευάζουμε το κύκλωμα του σχήματος 1 χωρίς την πηγή ρεύματος στους εκπομπούς, αλλά με μια αντίσταση RE1=4.7k. Επιλέγουμε τρανζίστορ με ίδια τιμή β (περίπου 160) ώστε να είναι το κύκλωμα συμμετρικό. Τοποθετούμε αντιστάσεις R=1k στις βάσεις των τρανζίστορ, συνδέουμε το άλλο άκρο τους στη γείωση και μετράμε τα DC δυναμικά στα διάφορα σημεία του κυκλώματος τα οποία παρουσιάζονται στο σχήμα 11. Από τις τιμές των δυναμικών και των αντιστάσεων παρατηρούμε ότι τα ρεύματα που διαρρέουν τα τρανζίστορ είναι σχεδόν ίσα και το άθροισμά τους είναι ίσο με το ρεύμα που διαρρέει την αντίσταση εκπομπού. Η διαφορά στα ρεύματα των δύο κλάδων οφείλονται στις ανοχές των υλικών και είναι φυσιολογική. Επίσης παρατηρούμε ότι έχουμε και ρεύματα βάσης, τα οποία είναι αρκετά μικρότερα (περίπου β φορές) από τα ρεύματα συλλέκτη των τρανζίστορ.

Στη συνέχεια τοποθετούμε γεννήτρια ημιτονικής τάσης στην αριστερή είσοδο του διαφορικού ενισχυτή μέσω της αντίστασης R1 και παρατηρούμε τις κυματομορφές στην έξοδο και στην RΕ1. Οι κυματομορφές εξόδου έχουν μεγαλύτερο πλάτος από αυτές της εισόδου, δηλαδή ο διαφορικός ενισχυτής ενισχύει το σήμα εισόδου και το σήμα στην RΕ1 έχει περίπου μισό πλάτος σε σχέση με το σήμα εισόδου, λόγω του διαιρέτη τάσης που σχηματίζουν οι R1, R2, RE1. Η διαφορική ενίσχυση τάσης δίνεται από τη σχέση Ad = -RC / re = -84.

 

Σχήμα 10. Κύκλωμα διαφορικού ενισχυτή.

 

Σχήμα 11. Πειραματικό κύκλωμα             διαφορικού ενιχυτή.

 

Έπειτα τοποθετούμε μια μεταβλητή αντίσταση ως φορτίο στην έξοδο του διαφορικού ενισχυτή για να μετρήσουμε την αντίσταση εξόδου Ro. Ηαντίσταση φορτίου με την αντίσταση εξόδου σχηματίζουν έναν διαιρέτη τάσης, με αποτέλεσμα, όταν αυτές γίνουν ίσες η τάση εξόδου να έχει τη μισή τιμή από ότι στην περίπτωση ανοιχτού κυκλώματος εξόδου. Παρατηρούμε ότι η τάση εξόδου παίρνει τη μισή τιμή για αντίσταση φορτίου RL=2.2k, όταν δηλαδή το φορτίο γίνει ίσο με την αντίσταση συλλέκτη Rc. Η μέτρηση αυτή συμφωνεί με τη θεωρητική τιμή όπου Ro = Rc.

Για να υπολογίσουμε την αντίσταση εισόδου μετράμε το πλάτος του σήματος εισόδου πριν και μετά την αντίσταση R1 στη βάση του Τ1 όπου βρίσκουμε μια πτώση τάσης VR1 = 5mV σε σήμα πλάτους Vi = 4.4mV. Η αντίσταση εισόδου με αυτά τα στοιχεία υπολογίζεται Ri = 8.8kΩ [Ri = Vi / IB = Vi / (VR1 / R1)]. Η θεωρητική τιμή της αντίστασης εισόδου προκύπτει, σύμφωνα με το κύκλωμα, από την αντίσταση rπ (rπ = βre) του Τ1, η οποία είναι σεσειρά με τον παράλληλο συνδυασμό της αντίστασης RE1, με την rπ του Τ2 συν την R2: Ri = rπ + RE1 || (rπ + R1) = 6.6kΩ. Η διαφορά της θεωρητικής τιμής από την πειραματική δεν είναι σημαντική και μπορεί να δικαιολογηθεί, γιατί ο τρόπος μέτρησης που χρησιμοποιούμε στο πείραμα αντιπροσωπεύει ένα μικρό στιγμιότυπο του σήματος εισόδου και όχι όλο το AC σήμα. Επίσης η μέτρηση βάζει ένα πολύ μεγάλο σφάλμα λόγω της μικρής διαφοράς των δύο σημάτων.

Στη συνέχεια αντικαθιστούμε την RE1 με μια πηγή ρεύματος (σχήμα 10), αφού υπολογίσουμε τις αντιστάσεις πόλωσης ώστε να διαρρέει το κύκλωμα το ίδιο ρεύμα και επαναλαμβάνουμε τις ίδιες μετρήσεις. Παρατηρούμε ότι τα DC δυναμικά είναι ακριβώς ίδια. Αυτό είναι αναμενόμενο γιατί η γεννήτρια ρεύματος υπολογίστηκε έτσι ώστε τα χαρακτηριστικά του κυκλώματος να παραμείνουν τα ίδια. Παρόμοιες είναι και οι αντιστάσεις εισόδου και εξόδου με τη διαφορά ότι σε αυτή την περίπτωση η θεωρητική τιμή της αντίστασης εισόδου είναι Ri = 2rπ = 8.3kΩ,η οποία είναι πιο κοντά στη θεωρητική. Ίδια είναι και η απολαβή διαφορικού σήματος Αd.

     

Σας ευχαριστώ για την υποστήριξή σας ώστε να γίνει η ιστοσελίδα μου καλύτερη.

© 2017 Πορλιδάς Δημήτριος