cap.12 amplificatorul

CAPITOLUL

Amplificatorul cu emitor comun

Valim

1 k

82 k

10 k

+15 V7.5 k

1.6 V

7.5 V

10 µ F

470 µ F

0 0

0

out

in

A. Amplificatorul cu sarcin` distribuit` (emitor comun degenerat) 154

B. Amplificatorul cu emitorul la mas` (emitor comun nedegenerat) 156

C. C[t de mare poate s` fie excursia de tensiune ? 161

D. Proiectarea unui amplificator cu emitor comun 164

Problem` rezolvat` 169, probleme propuse 171

Lucrare experimental` 174

154 Electronic` - Manualul studentului

Am v`zut c` repetoarele de tensiune (pe emitor sau pe surs`, dup` tipul cum tranzistorul este bipolarsau cu efect de c[mp) efectueaz` adaptarea [ntre impedan\a mare a generatorului de semnal ]i impedan\a mic`a sarcinii. Din p`cate, ele nu pot dec[t s` repete semnalul de la intrare, [n timp ce [n majoritatea aplica\iiloravem nevoie s` amplific`m varia\iile de tensiune. De exemplu, semnalul bioelectric generat de inim`, pe caredorim s`-l vizualiz`m, are amplitudini sub 1 mV iar pentru ca spotul osciloscopului s` devieze cu 1 cm estenecesar` o varia\ie de tensiune pe pl`cile de deflexie de ordinul a 100 V. Ne-ar trebui, [n acest caz, oamplificare global` de cel pu\in 100 000 !

Pentru c` ofer` a amplificare mare de tensiune,

cel mai frecvent utilizat etaj cu un singur tranzistor bipolar este amplificatorul cu emitor comun.

A. Amplificatorul cu sarcin` distribuit` (emitor comun degenerat)

O variant` de amplificator cu emitorcomun este prezentat` [n Fig. 12.1. Generatorulde semnal, cuplat capacitiv, produce varia\ii alepoten\ialului bazei iar ca semnal de ie]ire esteconsiderat poten\ialul colectorului. Emitorul(de]i nu este legat la mas`) este comunochiurilor de intrare ]i de ie]ire, ceea ce justific`numele de amplificator cu emitor comun.Pentru a-l distinge de o alt` variant`, se adaug`adesea "degenerat [n emitor" sau "cu rezisten\` [nemitor". n literatura de limb` român` el mai estecunoscut ]i ca amplificator cu sarcin`distribuit`, deoarece curentul comandat trece at[tprin RC c[t ]i prin RE , ca ]i cum sarcina ar fi

distribuit`.Atunci c[nd am studiat stabilitatea termic` a punctului de func\ionare ]i independen\a sa [n raport cu

factorul de amplificare β al tranzistorului, am ar`tat c` pe rezisten\a RE din emitor trebuie s` cad` [n repaus

cel pu\in 1-2 V. Acela]i curent str`bate ]i rezisten\a de colector ]i, cum pe ea c`derea de tensiune este deordinul Valim 2 iar tensiunea de alimentare nu dep`]e]te, de regul`, 40-50 V,

[n practic`, la etajul cu sarcin` distribuit` raportul R RC E este cuprins aproximatv [ntre 1 ]i 25.

Vom vedea imediat c` aceasta are consecin\e asupra amplific`rii maxime pe care o poate furniza acestamplificator.

Func\ionarea sa poate fi [n\eleas` u]or dac` recunoa]tem o configura\ie de surs` de curent comandat`,care are ca sarcin` rezisten\a RC (vezi Capitolul 4, sec\iunea 4.1.G). Dup` cum ]tim, tensiunea baz`-emitor

este practic constant`, poten\ialul emitorului urm`rind poten\ialul bazei, cu aproximativ 0.6 V mai jos. Astfel,varia\iile de tensiune ale bazei, produse de generatorul de semnal cuplat capacitiv, determin` varia\iilecurentului de emitor

∆∆I VRE

B

E= . (12.1)

Vout

Valim

~1 k

82 k

10 k

CB

+15 V

7.5 k

1.6 V

7.5 V

RCRB1

RB210 µ F RE

0

0

00

Fig. 12.1. Amplificator cu emitor comun degenerat (cusarcin` distribuit`).

Cap. 12. Amplificatorul cu emitor comun 155

Acestea sunt practic egale cu varia\iile curentului de colector. Din expresia poten\ialului colectorului,V V I RC C C= −alim , deducem imediat c` la ie]irea amplificatorului avem

∆ ∆V RR

VCC

EB= − . (12.2)

Amplificarea circuitului este, deci,

A RR

C

E= − (12.3)

semnul - ar`t[nd c` varia\iile de la ie]ire sunt opuse ca sens celor de la intrare; circuitul este un amplificatorinversor.

Pentru amplificatorul cu sacin` distribuit`, amplificarea este negativ` ]i egal` [n modul cu raportul dintrerezisten\a de colector ]i cea din emitor; din considerentele prezentate mai sus, modulul amplific`rii nu poatefi prea mare (p[n` pe la 25).

Faptul c` amplificarea depinde numai de valorile rezisten\elor este deosebit de important, deoarecerezisten\ele sunt disponibile [n game de toleran\` foarte str[ns` ]i pot fi ajustate, propriet`\i de neimaginatpentru factorul β al tranzistorului.

Dac` utiliz`m pentru tranzistor modelul mai exact, cu re , prezentat la Capitolul 10, sec\iunea 10.1.B,rezisten\a dinamic` re , apare [n serie cu RE , a]a cum se poate vedea [n Fig. 12.2. Noua expresie a

amplific`rii se ob\ine ca

A RR r

RR r R

C

E e

C

E e E= −

+= − ⋅

+1

1; (12.4)

cum r R Ve E E= 25 mV este mult mai mic dec[t unitatea, al doilea

factor din expresia (12.4) are valoarea aproximativ`1 25− mV VEb g. Deoarece din necesit`\i de stabilitate termic`

tensiunea pierdut` pe rezisten\a din emitor trebuie s` fie de cel pu\in1- 2 V, modulul amplific`rii "corectate", dat` de rela\ia (12.4) este cu1-2 % mai mic dec[t cel prezis de formula simpl` A R RC E= − .

Dac` nu cunoa]tem valorile rezisten\elor cu o precizie mai bun` de+/- 5 % (]i, [n cele mai multe cazuri, nu le cunoa]tem dec[t cu+/- 10 %), nu merit` s` mai \inem seama de rezisten\a dinamic` re ,

consider[nd-o nul`.Impedan\a de intrare [n baza tranzistorului se calculeaz` prin

aceea]i metod` utilizat` la repetorul pe emitor; deoarece curentul debaz` este de β ori mai mic dec[t cel de emitor, combina\ia serieR r RE e E+ ≅ este v`zut` ca fiind de β ori mai mare

Z V I Rin B B B E= ≅∆ ∆ β . (12.5)

RE

IB

re

"emitor intern"VB∆

∆

IE∆

VB∆

VC∆out

in

Valim∆ = 0

IC∆

≅ IC∆

Fig. 12.2. Calculul amplific`riiutiliz[nd modelul cu re al

tranzistorului.


Prezen\a divizorului rezistiv mic]oreaz` [ns` impedan\a de intrare [n amplificator. Am v`zut c`, dinnecesit`\i de stabilitate termic` ]i desensibilizare a punctului de func\ionare [n raport cu [mpr`]tierea lui β ,rezisten\a echivalent` a divizorului se alege cam o zecime din βRE . Astfel, divizorul rezistiv face caimpedan\a de intrare [n amplificator, Zin , s` fie de aproximativ 10 ori mai mic` dec[t valoarea ZinB . Putem

considera c` impedan\a de intrare a amplificatorului cu sarcin` distribuit` este practic egal` cu rezisten\aechivalent` a divizorului de polarizare.

Impedan\a de intrare a amplificatorului cu sarcin` distribuit` nu este afectat` de prezen\a rezisten\ei decolector; valoarea impedan\ei de intrare este dictat` practic de rezisten\a echivalent` a divizorului depolarizare.

Dup` cum ]tim, [n regiunea activ` colectorul tranzistorului se comport` ca o surs` de curent aproapeideal`. Din acest motiv, privind [nspre nodul colectorului vedem rezisten\a RC [n paralel cu impedan\a surseide curent, care are valori mult mai mari dec[t RC . Astfel, impedan\a de ie]ire a etajului este dictat` de

rezisten\a din colector

Z Rout C= . (12.6)

Impedan\a de ie]ire pentru amplificatorul cu sarcin` distribuit` este egal` practic cu valoarearezisten\ei de colector, de ordinul 1-10 kΩ.

Dac` la ie]ire se cupleaz` capacitiv rezisten\a de sarcin` Rs ,

putem calcula noua amplificare prin dou` metode. n prima, trebuies` [nlocuim [n formula amplific`rii pe RC cu rezisten\a echivalent`a grup`rii paralel ( RC , Rs ). A doua alternativ` este s` \inem seama

de impedan\a de ie]ire ]i s` corect`m amplificarea cu un factordatorat divizorului de tensiune format de Rs ]i Zout (Fig. 12.3).

Prin oricare din metode ob\inem

A RR

RR R

C

E

s

s C= −

+ . (12.7)

A]a cum spuneam, cu acest tip de etaj nu se pot ob\ine amplific`ri mai mari dec[t dac` m`rim exagerattensiunea de alimentare sau sacrific`m stabilitatea termic`. n aceast` situa\ie, se prefer` utilizarea unei altevariante de amplificator cu emitor comun, care este descris` [n continuare..

B. Amplificatorul cu emitorul la mas` (emitor comun nedegenerat)

n multe aplica\ii avem nevoie de amplific`ri mari, pe care amplificatorul cu sarcin` distribuit` nupoate s` le ofere. Dac` am lega, pur ]i simplu, emitorul la mas`, ca [n Fig. 12.4 a), RE ar deveni zero ]i am

ob\ine, conform rela\iei A R R rC E e= +( ) o amplificare maxim`. De]i prezent [n mai toate textele de

electronic`, acest circuit trebuie evitat. Am ar`tat [n Cap. 8, c[nd am studiat diferitele circuite de polarizare,c` [n acest caz curentul de colector este foarte sensibil la modific`rile factorului β ]i ale temperaturii. Pentru

RCVout

~

Zout

Rs

=

- RCRE

∆ Vin

∆

Fig. 12.3. Calculul amplific`rii [n cazulunei sarcini cuplate capacitiv [ncolector.


eliminarea acestor inconveniente, prezen\a unui rezistor [n emitor, pe care s` cad` [n repaus o tensiune de 1-2V, este obligatorie.

Vout

Valim

~1 k

82 k

10 k

CB

+15 V

7.5 k

1.6 V

7.5 V

RCRB1

RB2

10 µ F

CE470 µ F

RE

Valim

a) b)

acest tip de circuit trebuie evitat !

0 0

0

Fig. 12.4. Amplificatoare cu emitorul la mas`, [n curent continuu (a) ]i [n curent alternativ (b) .

Solu\ia este s` p`str`m rezisten\a RE vizibil` [n curent continuu (varia\iile de temperatur` sunt extrem

de lente [n compara\ie cu semnalele care trebuie amplificate) dar s` o scurtcircuit`m la frecven\ele la carelucreaz` amplificatorul (Fig. 12.4 b). n jargon se spune c` rezisten\a RE a fost "decuplat` [n alternativ" cu

ajutorul condensatorului. Aceasta [nseamn` c` [n curent alternativ ea dispare, fiind [nlocuit` cu unscurtcircuit.

Circuitul ob\inut este un amplificator cu emitorul la mas` ([n curent alternativ). n calcululamplific`rii ]i impedan\elor trebuie s` apar` impedan\ele pe care le "v`d" varia\iile a]a c`, [n rela\iaA R R rC E e= − +( ) , [n locul lui RE trebuie s` punem zero, deoarece aceast` rezisten\` este scurtcircuitat`

pentru varia\ii. Ob\inem atunci amplificarea

A Rr

g RR IV

R IC

em C

C Q

T

C Q= − = − = − = −25 mV (12.8)

unde IQ este curentul de repaus al tranzistorului, [n jurul c`ruia se efectueaz` aceste varia\ii. Aceast` rela\ie

este adev`rat` la frecven\ele la care reactan\a condensatorului CE este mult mai mic` dec[t rezisten\adinamic` re

fr Ce E

>>1

2π (12.9)

Privind cu aten\ie rela\ia (12.8) recunoa]tem la num`r`tor tensiunea de repaus pe rezisten\a din colector,VR repausC

; avem astfel rela\ia foarte util`


AVR repausC= −

25 mV . (12.10)

n absen\a altei rezisten\e de sarcin`, amplificarea pentru amplificatorul cu emitorul la mas` este egal`[n valoare absolut` cu raportul [ntre tensiunea de repaus pe rezisten\a din colector ]i tensiunea termic` de 25mV.

Dac`, [n plus, polarizarea s-a f`cut astfel [nc[t poten\ialul colectorului s` fie la jum`tatea tensiunii dealimentare, ajungem la concluzia c` amplificarea este dictat` numai de tensiunea de alimentare

A V V= −⋅

= − ⋅alimalim2 25 mV

(in volti)20 . (12.11)

Dac` poten\ialul de repaus al colectorului este la jum`tatea tensiunii de alimentare ]i nu exist` alt`sarcin` cuplat capacitiv, amplificarea pentru amplificatorul cu emitorul la mas` este egal` [n valoare absolut`cu 20 [nmul\it cu tensiunea de alimentare exprimat` [n vol\i.

Cu o tensiunea de alimentare de 10 V ob\inem o amplificare de 200, pe c[nd cu o tensiune de alimentare de40 V putem amplifica de 800 de ori varia\iile de la intrare.

n deducerea formulelor pentru amplificare am considerat c` tranzistorul se comport` [n colector ca osurs` ideal` de curent. n realitate, datorit` efectului Early, sursa de curent echivalent` are o rezisten\`dinamic` egal` cu r V Ice EA Q= , unde VEA este tensiunea Early, cu valori [n jur de 100 V. Aceast`

rezisten\` apare [n paralel cu rezisten\a RC din colector, ca [n Fig. 12.5 a), ]i, [n formula amplific`riiA g Rm C= − , trebuie s` [nlocuim pe RC cu valoarea corectat`

R rR r

RR r

R R rC ce

C ceC

C ceC C ce+

=+

≅ −1

11b g . (12.12)

Valim

RC

rce=VEAI Q

IC

impedan\a v`zuta desursa ideal` de curent

(constant)

a)

tranzistorul

Valim

rce=VEAI Q

IC

(constant)

b)

tranzistorul

Fig. 12.5. Impedan\a pe care debiteaz` sursa ideal` de curent comandat` a colectorului (a) ]i utilizareaunei sarcini active (b).


Dar raportul celor dou` rezisten\e, mult mai mic dec[t unu, poate fi exprimat simplu prin valorile regimuluide repaus

Rr

VI

IV

VV

C

ce

R repaus

Q

Q

EA

R repaus

EA

C C= = (12.13)

]i este de ordinul a 5-10 %. n consecin\`, dac` dorim o expresie mai exact` a amplific`rii, nu avem dec[t s`sc`dem 5-10 % din valoarea rezisten\ei RC , [nainte de a folosi formulele pentru amplificare.. Oricum,

aceast` corec\ie este de ordinul de m`rime al toleran\ei cu care cunoa]tem, de cele mai multe ori, valorilerezisten\elor.

O valoare mai exact` a amplific`rii se ob\ine \in[nd seama de efectul Early, prin utilizarea [n calcule aunei valori pentru rezisten\a RC mic]orat` cu 5-10 % fa\a de valoarea real` (raportul V VR repaus EAC

).

Privind [nc` o dat` la Fig. 12.5 a) ]i g[ndindu-ne c` numai rezistentele dinamice intervin [n calcululamplific`rii, s-ar putea s` g`sim o cale prin care putem cre]te ]i mai mult amplificarea etajului cu emitorul lamas`: [nlocuirea rezisten\ei din colector RC cu o surs` de curent constant (desenul b al figurii), care s`

furnizeze exact valoarea necesar` pentru curentul de colector, dar care are o rezisten\a dinamic` foarte mare(peste 1 MΩ putem ajunge u]or cu o surs` realizat` cu un tranzistor bipolar). Combina\ia ei paralel cu rceeste echivalent` practic cu rce (care este de cel pu\in 10 ori mai mic`) ]i, astfel, amplificarea ajunge la valoride ordinul V VEA T ≅ 4000 . n jargon se spune c` etajul are acum o sarcin` activ` (sursa de curent ce a[nlocuit rezisten\a RC). Nimic nu se ob\ine [ns` f`r` sacrificii: impedan\a de ie]ire a etajului a crescut de la

c[tiva kΩ c[t avea RC , la r V Ice EA Q= , care ajunge pe la 100 kΩ; nu mai putem conecta la ie]ire dec[t o

sarcin` cu rezisten\a de cel pu\in 1 MΩ.n plus, mai exist` o dificultate: am legat [n serie dou` surse de curent ]i [ntre ele apare un conflict

dac` nu sunt reglate exact la aceea]i valoare. n timp, valorile ajustate cu grij` se modific` ]i una din surseajunge [n regim de satura\ie [ncet[nd s` func\ioneze. Pentru a evita acest lucru, circuitul trebuie complicat cualte etaje care s` realizeze permanent echilibrarea surselor, aduc[nd la ordine sursa de curent rebel`. Din acestmotiv, cre]terea amplific`rii prin utilizarea unei sarcini active este utilizat` aproape exclusiv [n circuiteleintegrate, unde se poate face risip` de tranzistoare ]i rezistoare f`r` ca pre\ul s` fie afectat sensibil.

S` ne [ntoarcem pu\in la expresia (12.8) a amplific`rii A R I VC Q T= − ; [ncep[nd de acolo, pentru a

ob\ine rela\ii u]or de aplicat [n practic`, am [nlocuit tensiunea termic` V k T eT B= cu valoarea ei la

temperatura camerei, care este de aproximativ 25 mV. Din aceast` cauz` nu am sesizat primul pre\ pe caretrebuie s`-l pl`tim pentru amplificarea mare ob\inut`:

amplificarea etajului cu emitorul la mas` depinde de temperatur`; la o [nc`lzire cu 30 de grade, amplificareascade cu aproximativ 10 %.

Scurtcircuitarea [n curent alternativ a rezisten\ei RE are un efect puternic ]i asupra impedan\ei deintrare. Pun[nd RE = 0 [n expresia (12.5), ob\inem impedan\a de intrare [n baza tranzistorului

Z r Iin B e Q= = ⋅β β 25 mV ; (12.14)


cu un β de 100, avem 2.5 kΩ la 1 mA dar numai 250 Ω la 10 mA. Impedan\a de intrare a etajului este [nc`

]i mai mic`, datorit` rezisten\ei echivalente a divizorului de polarizare; aceast` rezisten\` a divizorului este[ns` mai mare dec[t Zin B astfel c` ea nu reu]e]te s` reduc` la jum`tate impedan\a de intrare. n consecin\` ,

impedan\a de intrare a etajului este pe undeva [ntre βre 2 ]i βre . Cum calculul este numai estimativdeoarece nu cunoa]tem pe β dec[t foarte aproximativ, putem afirma c`

impedan\a de intrare a amplificatorului cu emitorul la mas` este modest` (sute de Ω - kΩ ), fiind aproximativegal` cu β ⋅25 mV IQ .

Impedan\a de intrare este, deci, mic` ]i, ceea ce este poate ]i mai grav, prost predictibil`, deoarece esteaproximativ propor\ional` cu β ; cum acest factor are o [mpr`]tiere tehnologic` mare, putem numai s`

estim`m grosier aceast` impedan\` de intrare. Acesta este al doilea pre\ pe care trebuie s`-l pl`tim pentruvaloarea mare a amplificarii; vom vedea c` mai exist` [nc` unul, legat de m`rimea excursiei semnalului deie]ire.

Impedan\a de ie]ire a amplificatorului continu` s` fie egal` cu valoarea rezisten\ei din colector. Dac`suntem foarte preten\io]i, putem sc`dea din aceasta 5-10 %, datorate efectului Early. C[nd o alt` sarcin` Rseste cuplat` capacitiv [n colector, noua valoare a amplific`rii se poate ob\ine, ca ]i la etajul precedent, princonsiderarea divizorului format de Rs ]i Zout .

Valim

~ Zin

82 k

10 k

CB

+15 V

5 k

1.6 V

RCRB1

RB2

10 µ F

Vout

1 k

10 V

CE 100 µ

RE1 RE2

CE

R1 R2CE

R1

R2

a) b) c)

1 k

100 µF

F

d)

Fig. 12.6. Decuplarea par\ial` a rezisten\ei din emitor (a ]i b) ]i circuite care permit ajustarea amplific`riif`r` modificarea punctului static de func\ionare (c ]i d).

C[nd nu dorim s` ob\inem valoarea A V= − ⋅20 alim (in volti) pentru amplificare, ci una mai mic`,,

putem utiliza [n emitor unul din circuitele din Fig. 12.5 a) ]i b). n curent continuu (regimul de polarizare)emitorul vede o rezisten\` RE DC egal` cu R R1 2+ pentru circuitul a) ]i cu R1 [n cazul circuitului b). La

curent alternativ [ns`, [ntre emitor ]i mas` apare o impedan\` RE AC , care determin` amplificarea etajului.

Valoarea acestei impedan\e este R1 pentru circuitul a) ]i

RR R

R RE AC =+1 2

1 2(12.15)


pentru circuitul b).Dac` urm`rim o proiectare mai comod`, alegem circuitul a), deoarece RE AC este pur ]i simplu egal`

cu R1. Circuitul din desenul b) permite, [n schimb, ajustarea amplific`rii f`r` modificarea punctului static.

Desenul c) prezint` reprezint` complet` a unui astfel de amplificator; o alt` variant` ce ofer` acelea]iavantaje este prezentat` [n desenul d).

C. C[t de mare poate s` fie excursia de tensiune ?

Emitorul legat la mas` ([n curent alternativ)S` presupunem c` dorim amplificare c[t mai mare ]i [n circuitul din Fig. 12.6 c) am scurtcircuitat

emitorul la mas` [n curent alternativ. La varia\ii foarte mici [n jurul curentului de repaus de 1 mA,amplificarea circuitului este de R rC e =5 k 25 = 200Ω Ω . Ce se [nt[mpl` dac` semnalul de intrare are

amplitudini mult mai mari ? Poten\ialul emitorului este \inut constant de c`tre condensator a]a c` varia\iiletensiunii de intrare se reg`sesc [n totalitate ca varia\ii ale tensiunii baz`-emitor.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200.0

0.5

1.0

1.5

2.0

∆ VBE (mV)

15

10

5

IC (mA)Q

M

N

timpul

timpul

VC (V)

repaus

VC

Fig. 12.7. Amplificatorul cu emitorul la mas` distorsioneaz` semnalele cu amplitudini mari.

Dar noi cunoa]tem forma caracteristicii de transfer I f VC BE= ( ), este o exponen\ial`

I I eC sV VBE T= . O reprezent`m grafic, trec[nd pe axa absciselor valorile varia\iilor ∆VBE m`surate de la

regimul de repaus (Fig. 12.7). S` aplic`m la intrare o tensiune triunghiular`, cu amplitudinea de aproximativ18 mV. Dup` cum ]tim, o varia\ie de aceast` m`rime a tensiunii baz`-emitor provoac` o modificare cu unfactor de 2 a curentului de colector. Astfel, punctul de func\ionare, care era [n repaus [n Q, se deplaseaz` [ntrepunctele extreme M ]i N, unde curentul de colector devine 0.5 mA ]i, respectiv 2 mA. Evolu\iacorespunz`toare a poten\ialului VC al colectorului eviden\iaz` o distorsionare major` a formei de und`,


semialternan\a superioar` av[nd o amplitudine 5 V, de dou` ori mai mare dec[t cea inferioar`, care are numai2.5 V.

Distorsiunile care apar sunt distorsiuni de neliniaritate ]i se datoreaz` formei caracteristicii detransfer a tranzistorului. Ele au ap`rut [naintea celor de limitare, provocate de intrarea tranzistorului [nblocare sau satura\ie.

Neliniaritatea caracteristicii de transfer poate fi exprimat` ]i prin modificarea pantei, care estetransconductan\a tranzistorului, ea fiind pentru circuitul nostru propor\ional` cu amplificarea la semnal mic.A]a cum se vede [n Fig. 12.8, dac` facem trei experimente diferite, provoc[nd varia\ii mici [n jurul fiec`ruiadintre punctele M, Q ]i N, amplific`rile ob\inute vor fi diferite. n timp ce [n jurul punctulului de repaus Qamplificarea este egal` [n modul cu 200, ea ajunge la 400 pentru varia\iile [n jurul punctului N dar coboar` la100 [n cazul varia\iilor [n jurul punctului M.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200.0

0.5

1.0

1.5

2.0

∆ VBE (mV)

15

10

5

IC (mA)Q

M

N

VC (V)

Fig. 12.8. Amplificarea la semnal mic depinde puternic de punctul de func\ionare.

Putem consdera c` un nivel acceptabil de distorsiuni se ob\ine dac` amplificarea de semnal micvariaz` numai cu +/- 10 % de-a lungul [ntregii excursii a punctului de func\ionare; aceasta se poate [nt[mplanumai dac` re variaz` [n total cu numai 20 % [ntre valorile extreme ale curentului de colector. Rezult`, de

aici, c` varia\iile curentului de colector trebuie s` [ndeplineasc` condi\ia

∆ I IC Q ≤ 10% ; (12.16)

Astfel, excursia tensiunii de ie]ire trebuie s` aib` amplitudinea sub o zecime din c`derea de tensiune [nrepaus pe RC . Cum aceasta din urm` are valori uzuale de 5-10 V

distorsiunile produse de amplificatorul cu emitorul la mas` sunt acceptabile numai dac` excursia de tensiunede la ie]ire nu dep`]e]te 1 -2 Vvv.


Ce [nseamn` aceasta pentru tensiunea de intrare ? Din expresia caracteristicii de transfer deducem c`,indiferent de amplificare, ∆VBE ≤ 5 mVvv . Cum poten\ialul emitorului este constant, aceasta este excursia

maxim` acceptabil` a tensiunii de intrare.

n cazul amplificatorului cu emitorul la mas`, pentru ca amplificarea s` nu se modifice cu mai mult de+/- 10 %, tensiunea de intrare trebuie s` aib` amplitudinea mai mic` dec[t 5 mVvv, indiferent de valoareaamplific`rii.

n concluzie,

amplificatorul cu emitorul la mas` poate fi utilizat numai pentru amplificarea semnalelor mici, [n caz contrarel produc[nd distorsiuni inacceptbil de mari.

Acesta este al treilea pre\, pe l[ng` dependen\a de temperatur` a amplific`rii ]i impedan\a mic` de intrare, pecare trebuie s`-l pl`tim pentru amplificarea mare pe care am ob\inut-o.

La semnal mare, nu numai amplificarea se modific`. Revenind la exemplul nostru ]i presupun[nd unfactor β = 100 pentru tranzistor, impedan\a v`zut` privind [nspre baz`, Zin B, are 5.0 kΩ [n punctul M, 2.5 k

Ω [n repaus (punctul Q) ]i numai 1.25 kΩ [n punctul N. Aceste varia\ii se resimt puternic [n impedan\a deintrare a amplificatorului; cu o rezisten\` echivalent` a divizorului de polarizare de 20 kΩ, impedan\a deintrare Zin evolueaz` de la 4 kΩ la 1.2 kΩ.

La semnal mare, amplificatorul cu emitorul la mas` apare, pentru generatorul de semnal care [l excit`,ca o sarcin` neliniar` (care nu respect` legea lui Ohm).

n exemplul nostru, dac` generatorul de semnal nu are impedan\a intern` mult mai mic` dec[t 1 kΩ,varia\iile impedan\ei de intrare vor produce varia\ii ale amplitudinii la intrare ]i, [n consecin\`, distorsiunisuplimentare. Din fericire, aceste modific`ri ale amplitudinii au un sens opus celor determinate deschimbarea amplific`rii. Astfel, pe ansamblu, ele reduc distorsiunile produse de amplificator.

Rezisten\a din emitor decuplat` par\ialS` presupunem acum c` nu mai suntem at[t de lacomi ]i ne mul\umim cu o amplificare de 50 [n locul

celei de 200. Utiliz[nd formula amplific`rii A R R rC E AC e= +( ) , deducem c` rezisten\a v`zut` [n

alternativ de c`tre emitor trebuie s` aib` valoarea 75 Ω ([mpreun` cu re = 25 Ω face 100 Ω). La o excursie apoten\ialului de colector de 5 Vvv, curentul de colector se modific` de la 0.75 mA la 1.25 mA, ]i re variaz`

de la 20 Ω la 33 Ω dar, datorit` prezen\ei termenului RE AC la numitor, amplificarea de semnal mic nu se

modific` [n acela]i raport, cresc[nd doar de la 46 la 53, adic` sufer` o varia\ie total` de 14 %Avem, deci, o varia\ie total` a amplific`rii de 14 % [n cazul unei excursie de tensiune la ie]ire de

5 Vvv , provocat` de un semnal de intrare de 100 mVvv ; cu emitorul legat la mas`, ar fi trebuit s` mic]or`mexcursia de la ie]ire la 0.75 Vvv (3.75 mVvv la intrare) pentru ca amplificarea s` aib` o varia\ie total` deaceeas]i m`rime ]i s` ob\inem acela]i nivel de distorsiuni. n concluzie, mic]orarea amplific`rii de la 200 la50 ne permite s` prelucr`m f`r` distorsiuni semnificative semnale de intrare mult mai mari ]i s` ob\inemexcursii mari ale semnalului de ie]ire.

Liniaritatea amplificatorului a fost [mbun`t`\it`. Exager[nd [n aceast` direc\ie, putem ajunge la unamplificator cu amplificare unitar` dar cu liniaritate excelent`; am reg`sit repetorul de tensiune. Vom vedeamai t[rziu c` aceste modific`ri ale performan\elor se datoreaz` reac\iei negative pe care o introduceimpedan\a vizibil` [n emitor.


n Fig. 12.9 am reprezentat graficdependen\a lui A [n func\ie de curentul de

colector, pentru mai multe valori ale luiR rE AC e repaus. Se observ` c`, pe m`sur`

ce sc`dem amplificarea etajului prin m`rireavalorii lui RE AC , amplificarea devine mai

pu\in sensibil` la varia\ia curentului decolector ]i distorsiunile vor fi mai mici.Graficul poate fi utilizat la proiectareaamplificatoarelor cu emitor comun, pentrualegerea lui RE AC atunci c[nd ni se impune

excursia de tensiune de la ie]ire ]i niveluldistorsiunilor.

Pentru a putea ob\ine excursii de tensiune mari la ie]ire cu distorsiuni acceptabile, amplificarea trebuiemic]orat`; acest lucru se realizeaz` prin impedan\a care este v`zut` [n curent alternativ de c`tre emitorultranzistorului.

D. Proiectarea unui amplificator cu emitor comun

Av[nd fixat` tensiunea de alimentare Valim , primul pas [l constituie alegerea curentului de repaus IQ .

O valoare exagerat de mic` duce la sc`derea factorului β al tranzistorului, pe c[nd una prea mare va m`rinejustificat disipa\ia de putere pe tranzistor. Mai trebuie \inut seama ]i de faptul c` IQ va impune valoarea

V IQalim (2 ) a rezisten\ei din colector, care va fi impedan\a de ie]ire a amplificatorului. n cazul

amplificatoarelor de mic` putere, o alegere de 1-10 mA este rezonabil`.Poten\ialul colectorului trebuie s` fie pe la jum`tatea tensiunii de alimentare, chiar dac` excursia de

tensiune de la ie]ire nu va dep`]i 1 Vvv, deoarece punctul de func\ionare mai este afectat de [mpr`]tierea luiβ ]i de varia\iile de temperatur` ]i este bine s` avem "distan\e" de rezerv` fat` de regimurile de blocare ]i

satura\ie. Astfel,

R VICQ

= alim2

1. (12.17)

n regim de repaus, pentru o stabilitate termic` satisf`c`toare, poten\ialul emitorului trebuie s` fie de 1-2 V

VE = ÷1 2 V ; (12.18)

rezult` imediat valoarea rezisten\ei RE DC pe care trebuie s` o vad` emitorul [n curent continuu

IC QI

A Arepaus

R E AC re repaus = 0

R E AC re repaus = 50

2510

0.5 1.0 1.50.5

1.0

1.5

251050

Fig. 12.9. M`rirea lui RE AC mic]oreaz` sensibilitatea

amplific`rii la varia\ia curentului de colector.


R V IE DC E Q= . (12.19)

Poten\ialul de repaus al bazei se va g`si cu 0.6 V mai sus

V VB E= + 0.6 V . (12.20)

Putem proiecta acum divizorul rezistiv de polarizare a bazei. Raportul celor dou` rezisten\e va trebui s` fie

RR

V VV

B

B

a B

B

1

2=

−lim (12.21)

iar rezisten\a lor echivalent`

R RR R

RB B

B B

E DC1 2

1 2 10+≅

β. (12.22)

Cum RB2 fiind mai mic`, va dicta practic rezisten\a echivalent` ]i cum putem miza pe un factor β de cel

pu\in 100, putem lua, practic

R RB E DC2 10≅ ⋅ . (12.23)

Cu aceasta, proiectarea circuitului de polarizare este [ncheiat`. Mai r`m[ne s` stabilim amplificarea.Dac` dorim s` ob\inem amplificarea maxim` posibil`, egal` aproximativ cu 20 [nmul\it cu tensiunea dealimentare exprimat` [n vol\i, emitorul trebuie scurtcircuitat la mas` cu un condensator. Dac` nu dorim s`ob\inem amplificarea maxim` ci una mai mic`, din rela\ia

A RR r

C

E AC e=

+(12.24)

ob\inem impedan\a RE AC pe care trebuie s` o vad` emitorul [n

curent alternativ

R RA

rE ACC

e= − . (12.25)

Circuitul din emitor va ar`ta ca cel din Fig. 12.10. n cazul [n carem`rimea amplific`rii trebuie reglat` "la cald", vom utiliza [nemitor un circuit ca cel din desenele c) sau d) ale Fig. 12.6. Lafrecven\a minim` de lucru reactan\a condensatorului CE trebuies` fie mult mai mic` dec[t r Re E AC+

Vout

Valim

Cin

RCRB1

RB2 RE AC

CE

RE DC

Fig.12.10.


Cf r RE

e E AC>>

+1

2π min ( ). (12.26)

Valoarea condensatorului de intrare se stabile]te pun[nd condi\ia ca la frecven\a minim` de lucrureactan\a sa s` fie mult mai mic` dec[t impedan\a de intrare a amplificatorului (care este rezistiv`). Aceast`impedan\` se calculeaz` \in[nd seama c` la intrare apare reziste\a echivalent` a divizorului [n paralel cuβ ( )R rE AC e+ .

ntreaga procedur` de proiectare, simplificat`, poate fi urm`rit` pe desenul din Fig. 12.11.

Vout

Valim

Cin

RCRB1

RB2 RE AC

CE

1. Alegem curentulde repaus IQ

RCValim

IQ=

22. Luam

RE DC3. Cu VE

de 1-2 V, = IQVE

RB1 RB2 = Valim VB - 1

4.

VEcu VB = +0.6 V

RB2 ≅ RE DC10

5.Alegem RE AC

pentru a stabili amplificarea

RE AC =RCA

- re

6. Alegem CE

CE >>1

2π f min ( RE ACre + )

7.

Z in = RB1 RB2 ( RE ACre + )β1Cin >> 2π f min Z in

lu`m

RE DC

Fig. 12.11. Procedura simplificat` de proiectare pentru amplificatorul cu emitor comun.


Enun\uri frecvent utilizate(at[t de frecvent [nc[t merit` s` le memora\i)

- La amplificatorul cu emitor comun, intrarea este [n baza tranzistorului iar ie]irea se face dincolectorul acestuia; oferind amplificare de tensiune mare cu o impedan\a de intrare rezonabil`, el estecel mai utilizat etaj de amplificare cu un singur tranzistor.

-Pentru amplificatorul cu sarcin` distribuit` (emitor comun degenerat), amplificarea estenegativ` ]i egal` [n modul cu raportul rezisten\elor de colector ]i, respectiv, emitor; amplificatorul esteunul inversor;

-Cu tensiuni de alimentare de 10-50 V, aceast` amplificare are valori p[n` spre 25.-Impedan\a de intrare a amplificatorului cu sarcin` distribuit` are aceea]i expresie ca a

repetorului pe emitor, fiind stabilit` practic de divizorul rezistiv de polarizare.- Impedan\a de ie]ire a amplificatorului cu sarcin` distribuit` este practic egal` cu valoarea

rezisten\ei din colector.-Scurtcircuitarea [n alternativ a rezisten\ei din emitor transform` etajul [ntr-un amplificator cu

emitorul la mas`, p`str[ndu-i stabilitatea termic`.- n absen\a altei sarcini, modulul amplific`rii pentru amplificatorul cu emitorul la mas` este

egal cu R rC e , fiind propor\ional cu valoarea curentului de repaus.

- Amplificarea etajului cu emitorul la mas` este invers propor\ional` cu temperatura ([n K); la o[nc`lzire cu 30 oC, modulul amplific`rii scade cu aproximativ 10 %.

- Acela]i modul al amplific`rii mai poate fi exprimat ca raportul [ntre c`derea de tensiune [nrepaus pe rezisten\a din colector ]i tensiunea termic`, cu valoarea de 25 mV la temperatura camerei,A VR repausC

= 25 mV.

- Dac` poten\ialul de repaus al colectorului a fost stabilit la jum`tatea tensiunii de alimentare,modulul amplific`rii este egal cu 20 [nmul\it cu tensiunea de alimentare, exprimat` [n vol\i.

-n cazul [n care dorim o valoare mai exact` a amplific`rii, putem \ine seama de efectul Early,utiliznd [n calcule o valoare a rezisten\ei din colector cu 5-10 % mai mic` dec[t cea real`.

-Pentru amplificatorul cu emitorul la mas`, impedan\a de intrare privind [n baza tranzistoruluieste modest`, fiind dat` de Z rin e= β ; impedan\a de intrare a etajului este [nc` ]i mai mic`, datorit`

divizorului rezistiv, ajung[nd la valori de sute de Ω - kΩ.-Amplificatorul cu emitorul la mas` este un amplificator de semnal mic (sub 5 mVvv la intrare,

sub 1 -2 Vvv la ie]ire); dac` semnalul este mai mare, el va fi distorsionat semnificativ de c`treamplificator.

- Dac` rezisten\a din emitor este scurtcircuitat` doar par\ial cu condensator, modululamplific`rii devine A R r RC e E AC= +( ), unde RE AC este impedan\a v`zut` [n curent alternativ de

c`tre emitor.- C[nd amplificarea este sc`zut` prin aceasta metod`, se reduce ]i nivelul distorsiunilor ]i cre]te

impedan\a de intrare [n baza tranzistorului. La A ≤ 50 amplificatorul poate fi utilizat cu distorsiuni

acceptabile ]i la un semnal de intrare de 100 mVvv .


Termeni noi

-amplificator cu sarcin` distribuit` amplificator cu emitor comun care are montat` o rezisten\` [n circuitul de emitor; curentul de colector (care este m`rimea controlat`) str`bate am[ndou` rezisten\ele ca ]i cum am avea o sarcin` distribuit`;

-degenerare [n emitor prezen\a unei rezisten\e [n circuitul emitorului care, astfel, nu mai este legat la mas` (amplificator cu emitor comun cu rezisten\` [n emitor);

-decuplarea [n alternativ a unei scurtcircuitarea rezisten\ei cu un condensator care are reactan\a rezisten\e neglijabil` la frecven\ele de lucru;-distorsiuni de limitare deformarea semnalului de la ie]irea amplificatorului datorit`

intr`rii tranzistorului [n satura\ie sau blocare;-distorsiuni de neliniaritate deformarea semnalului de la ie]irea amplificatorului datorit`

comport`rii neliniare a trazistorului (varia\iei transconductan\ei cu valoarea curentului de colector);


Problem` rezolvat`

S` se proiecteze un amplificator cu emitor comun, av[ndimpedan\a de ie]ire de 1 kΩ, care s` fie alimentat de la +12 V ]i s`ofere o amplificare egal` [n modul cu 50. Amplificatorul trebuie s`func\ioneze la frecven\e mai mari de 100 Hz iar tranzistorul utilizatare factorul β peste 100.

RezolvareDesen`m, mai [nt[i o schem` de la care s` pornim. (Fig.

12.12 a). Impedan\a de ie]ire va fi egal` cu rezisten\a din colector.Alegem a]adar,

RC = 1 kΩ;

pe ea trebuie s` cad` [n repaus aproximativ Valim 6 V2 = . Cum

va mai trebui s` pierdem tensiune ]i pe rezisten\a de emitor, alegemun curent de repaus de

IQ = 5 mA

stabilind la 7 V poten\ialul emitorului. Deoarece poten\ialul de repaus al emitorului trebuie s` fie 1-2 V,alegem

V RE E DC= ⇒ =2 V 400 Ω.

Urmeaz` alegerea divizorului rezistiv. Lu`m

R R RB E DC B2 210≅ ⇒ = 3.9 kΩ,

o valoare din seria E12 cu toleran\a +/- 10% (vezi Anexa 1 din primul volum).Cum V VB E= + 0.6 V = 2.6 V

R RB B1 212 2 6

2 6=

−≅

..

14 kΩ

]i alegem valoarea standardizat` RB1 = 15 kΩ .La 5 mA, rezisten\a intrinsec` a emitorului este re = 25 mV 5 mA = 5 Ω . Deoarece amplificarea

trebuie s` fie 50, emitorul va trebui s` vad` [n curent alternativ

R RA

rE ACC

e= − = − =1000 Ω

Ω50

5 15 .

Vom realiza circuitul de emitor cu dou` rezisten\e, cea care va fi scurtcircuitat` cu condensator av[nd [n jurde 400 Ω -15 Ω; alegem valoarea standardizat` de 390 Ω.

Vout

Valim

Cin

RCRB1

RB2 RE AC

CE

RE DC - RE AC

Fig.12.12 a)


Pentru condensatorul CE stabilim la fmin = 100 Hz o reactan\` mult mai mic` dec[t 20 Ω, s` zicem 2

Ω. Rezult`

CE ≅⋅ ⋅

≅1

2 100 2800

πµ

Hz F

Ω

]i alegem valoarea standardizat` CE = 1000 Fµ .

Impedan\a de intrare se calculeaz` prin legarea [n paralel alui RB1 cu RB2 ]i cu β( )R rE AC e+ adic`, 3.9 kΩ cu 15 kΩ ]i cu

20 kΩ, respectiv. Ultimele dou` dau ceva aproape de 8 kΩ care,,[mpreun` cu RB1, ajung pe la 3 kΩ. n consecin\`,

Cin ≅⋅ ⋅

≅1

2 100 30 53

πµ

Hz k F

Ω.

]i alegem, pentru siguran\`, Cin = 1 Fµ .

Cu toate valorile trecute, schema circuitului arat` acum ca [nFig. 12.12 b).

Vout

Valim

Cin

RCRB1

RB2 RE AC

CE

+12 V

+ 7 V

+ 2 V

15 Ω

390 Ω1000 µ F

3.9 k

15 k

1.0 µ F

1 k

5 mA

Fig. 12.12 b).


Probleme propuse

P 12. 1. Pentru circuitul din Fig. 12.13,a) calcula\i punctul de func\ionare;b) determina\i valoarea amplific`rii;c) estima\i impedan\a de intrare (β ≅ 200)

d) c[t este impedan\a de ie]ire ?P 12.2. Amplificatorul cu sarcin` distribuit` din problema

precedent` este utilizat pentru amplificarea unui semnal deamplitudine mare.

a) Calcula\i valorile extreme pe care le poate luapoten\ialul colectorului (tranzistorul [n regim de blocare ]i,respectiv, satura\ie). Aten\ie, poten\ialul emitorului nu esteconstant.

b) |in[nd seama de valoarea de repaus a poten\ialului colectorului, calcula\i amplitudinea maxim` asemnalului la ie]ire, cu condi\ia ca tranzistorul s` nu ajung` [n satura\ie sau blocare.

c) Care este amplitudiea semnalului de intrare, [n condi\iile de la punctul precedent ?P 12.3. Cu acela]i tranzistor ]i cu aceea]i surs` de alimentare ca [n problema P 12.1, proiecta\i un

circuit similar, care s` aib` un curent de repaus de 2 mA ]i o amplificare egal` cu 5 ([n valoare absolut`).P 12.4. Circuitul din Fig. 12.14 are R RC E= ]i

furnizeaz` simultan dou` semnale de ie]ire. Compara\ia) amplitudinile celor dou` semnale de ie]ire;b) fazele celor dou` semnale de ie]ire;

Cele dou` ie]iri difer` mult prin valoarea impedan\ei. Calcula\iaceste impedan\e de ie]ire, consider[nd nul` impedan\ageneratorului de semnal, ]i formula\i o concluzie asuprasarcinilor ce pot fi conectate la aceste ie]iri.

P 12.5. Explica\i func\ionarea circuitului din Fig. 12.15 ]ijustifica\i prezen\a celui de-al doilea tranzistor (\ine\i seama deproblema precedent`)

P 12.6. n circuitul din Fig. 12.16 condensatoarele aureactan\e neglijabile.

a) Calcula\i amplificarea, atunci c[nd [n colector nu este

cuplat` nici o sarcin` suplimentar`.b) mbun`t`\i\i precizia rezultatului

precdent, \in[nd seama de Efectul Early.P 12.7.a) Estima\i amplificarea circuitului din

Fig. 12.17, atunci c[nd [n colector nu este cuplat`nici o sarcin` suplimentar` (condensatoarele potfi considerate cu reactan\` nul`)

b) mbun`t`\i\i estimarea precdent`, \in[ndseama de Efectul Early.

c) La c[t coboar` amplificarea dac` [ncolector se cupleaz` capacitiv o sarcin`RS = 2 2. kΩ ?

Vout

Valim

2.2 k

150 k

22 k

+20 V6.2 k

1.0 µ F 3.3 µ F

Fig. 12.13.

Vout 1

Valim

150 k

47 k

+20 V6.2 k

1.0 µ F

6.2 k

Vout 2

Fig.12.14.

150 k

47 k

Valim+20 V

6.2 k

1.0 µ FVout 1

6.2 kVout 2

T1

T2

12 k

Fig.12.15.


Valim+25 V

10 Vin

out

Valim

inout

1 mA

4.7 k

Fig. 12.16. Fig. 12.17.

P 12.8. La amplificatorul cu emitorul la mas` (nedegenerat), efectul Early produce o mic]orare aamplific`rii [n gol (f`r` alt` sarcin` dec[t RC) cu 5-10 %. Crede\i c` acela]i lucru se [nt[mpl` ]i la

amplificatorul cu sarcin` distribuit` (emitor comun degenerat) ?Indica\ie: Rezisten\a dinamic` v`zut` privind [nspre colector depinde dup` cum, la varia\ia lui VC ,

tensiunea-baz` emitor este men\inut` constant` sau curentul de emitor r`m[ne constant (revede\i Cap. 4).P 12.9. Ave\i un semnal de tensiune alternativ cu amplitudinea 1 mVvv ]i trebuie s`-l amplifica\i p[n`

la valoarea de 10 Vvv. Pentru aceasta, ave\i la dispozi\ie un amplificator cu emitorul la mas` cu amplificareade 250 ]i un alt etaj cu emitorul comun av[nd amplificarea de 40. Cupla\i [n cascad` cele dou` amplificatoare]i neglija\i, [n prim` aproxima\ie, pierderile datorit` impedan\ei de intrare finite a celui de-al doilea etaj.

a) C[t va fi amplificarea global` ? Este ea suficient` pentru tema primit` ?b) Aceea]i amplificare o pute\i ob\ine indiferent de ordinea [n care cupla\i etajele. M`rimea

distorsiunilor nu va fi, [ns`, aceea]i. Care este ordinea de cuplare care produce distorsiuni mai mici ?c) Cele dou` etaje, av[nd ie]irile [n colector, au aproximativ

aceea]i impedan\` de ie]ire. Care este ordinea de cuplare astfel[nc[t impedan\a de intrare a celui de-al doilea s` "[ncarce" c[t maipu\in ie]irea primului ?

P 12.10. Proiecta\i amplificatorul cu emitorul la mas` dinproblema precdent`, care s` v` furnizeze o amplificare egal` cu250. Frecven\a minim` de lucru va fi 100 Hz.

P 12.11. Proiecta\i acum ]i cel`lalt amplificator, cuamplificarea de 40, alimentat de la aceea]i surs` ca cel de laproblema precedent`.

P 12.12. n amplificatorul cu emitor comun din Fig. 12.18,destinat s` lucreze la semnal mic, circuitul din emitor a fostmodificat prin [nlocuirea uneia dintre rezisten\e cu un tranzistorJFET.

a) Stabili\i [n ce regim func\ioneaz` tranzistorul cu efect dec[mp (\ine\i seama de m`rimea tensiunii dren`-surs`).

b) Tranzistorul JFET are tensiunea de blocare VP = −2 V]i parametrul IDSS = 5 mA . ntre ce valori se modific`amplificarea, la varia\ia tensiunii de comand` a por\ii Vcontr ?

(dac` nu ]ti\i [ntre ce valori poate fi modificat` aceast` tensiune, revede\i Capitolul 7)c) Propune\i o aplica\ie a acestui circuit [n lan\ul de amplificare al unui reportofon.

Valim+15 V

5 k

1 k

10 V

100 µ

Vcontr

≤( 0)

1 M1 M

Fin

out

Fig. 12. 18.


50 Ω

4 k1000 µ F

47 k

150 k

1.0 µ F

10 k

Vout

Valim+12 V

75 Ω

2 k1000 µ F

22 k

68 k

1.0 µ F

5 k

sarcina2.2kin

Fig. 12.19.

P 12.13. n Fig. 12.19 ave\i dou` amplificatoare cu emitor comun legate [n cascad`, primul fiindexcitat cu un generator cu impedan\a intern` neglijabil` iar la ie]irea celui de-al doilea fiind legat` capacitiv orezisten\` de sarcin`.

a) Calcula\i amplificarea de tensiune a celui de-al doilea etaj (cu sarcina cuplat`).b) Estima\i impedan\a de intrare a celui de-al doilea etaj (β = 200).

c) Calcula\i amplificarea primului etaj, [n gol, f`r` ca etajul al doilea s` fie conectat.d) Utiliz[nd rezultatele de la punctele b) ]i c) calcula\i amplificarea primului etaj cu etajul al doilea

conectat ca sarcin`.e) Calcula\i amplificarea global` [n condi\iile de la punctul precedent.P 12.14. Relua\i problema precedent`, consider[nd c` tranzistoarele au factorul β = 100 . Compara\i

amplific`rile cu cele deduse anterior ]i formula\i o concluzie asupra predictibilit`\ii amplific`rii globale.Merit`, [n aceste condi\ii, s` calcul`m [n aproxima\ii mai exacte amplificarea unor astfel de etaje ?


Lucrare experimental`

Ave\i pe plan]et` circuitul din Fig. 12.20. Desena\i-v` pe caiet schema acestuia ]i apoi alimenta\iplan]eta cu o tensiune continu` de aproximativ 15 V.

Valim

120 k

20 k

C1

+15 V

7.5 kRC

RB1

RB2

10 µ F

C3470 µ F1.5 k

RE

2C 22 µ F

22 µ FC4

3.3 kR sin

out

Fig. 12.20.

Experimentul 1. Determinarea punctului static de func\ionare

ncerca\i, mai [nt[i, s` calcula\i punctul de func\ionare din valorile componentelor. Neglij[nd curentulbazei, calcula\i poten\ialul acesteia. De aici rezult` imediat poten\ialul emitorului; legea lui Ohm furnizeaz`curentul de emitor, practic egal cu cel de colector. n sf[r]it, determina\i tensiunea pierdut` pe rezisten\a RC]i poten\ialul colectorului. Decide\i dac` amplificatorul a fost proiectat corect ]i nota\i-v` concluzia

Determina\i acum experimental punctul de func\ionare; m`sura\i, cu un voltmetru de curent continuu,tensiunea de alimentare ]i poten\ialele fa\` de mas` ale colectorului ]i emitorului. C[t de aproape sunt acestevalori de cele calculate ? Calcula\i apoi valoarea de repaus a curentului de colector ]i, cu aceasta, calcula\irezisten\a dinamic` re .

Experimentul 2. Amplificatorul cu sarcin` distribuit` [n condi\ii de semnal mic

a) AmplificareaCunoa]te\i valorile rezisten\elor din colector ]i emitor, precum ]i rezisten\a dinamic` re . Calcula\i

amplificarea de tensiunea care se ob\ine la ie]irea din colector

A RR r

C

E e=

+.

Relua\i apoi acest calcul, neglij[nd rezisten\a dinamic` re . Determina\i c[t de mare este eroarea relativ`

produs` de aceast` aproxima\ie. Compara\i-o cu precizia de +/- 10 % cu care cunoa]tem de obicei valorilerezisten\elor ]i trage\i o concluzie.

Conecta\i apoi la intrarea amplificatorului un generator de semnal sinusoidal. Regla\i frecven\a pe la1 kHz iar amplitudinea la 100 mV (m`surat` cu osciloscopul). M`sura\i amplitudinea semnalului din emitor]i formula\i o concluzie.

Determina\i acum amplitudinea semnalului din colector ]i calcula\i amplificarea etajului. Compara\iaceast` valoare ob\inut` experimental cu cea calculat` din valorile rezisten\elor. C[t de mare ([n procente)este diferen\a [ntre aceste valori ?


b) Impedan\a de intrareti\i valorile pentru RE ]i rezisten\a dinamic` re ]i pute\i conta pe un factor β de cel pu\in 200.

Calcula\i impedan\a de intrare v`zut` privind [nspre baza tranzistorului ]i apoi rezisten\a echivalent` adivizorului care polarizeaz` baza tranzistorului. Aceste impedan\e apar in paralel la intrarea amplificatorului.Care din ele determin` practic impedan\a de intrare Zin ]i c[t

estima\i c` va fi aceasta ?Ve\i determina acum experimental impedan\a de

intrare. Pentru aceasta, va trebui s` utiliza\i un truc, intercal[nd[ntre generatorul de semnal ]i intrarea amplificatorului orezisten\` ′R de valoare cunoscut`, ca [n Fig. 12.21. Cumaceast` rezisten\` este parcurs` de acela]i curent ca ]i Zin ,

c`derile de tensiune pe rezisten\e sunt propor\ionale cu valorileacestor rezisten\e. De aici, deduce\i expresia lui Zin [n func\iede ′R , vg ]i vin . M`sura\i cu osciloscopul amplitudinile

semnalelor vg ]i vin ]i calcula\i impedan\a de intrare.

Compara\i valoarea ob\inut` cu cea estimat` anterior dinvalorile componentelor circuitului. C[t de mare este diferen\a ? De unde crede\i c` provine ea ?

c) Impedan\a de ie]ireIe]irea amplificatorului este la nodul colectorului. C[t ar trebui s` fie impedan\a de ie]ire ?Vom determina experimental aceasta impedan\` de ie]ire m`sur[nd amplitudinea semnalului [n dou`

situa\ii diferite: f`r` alt` sarcin` dec[t rezisten\a de colector (ie]irea [n gol) ]i cu o rezisten\` de sarcin`cunoscut`, cuplat` capacitiv pentru a nu modifica punctul de func\ionare (Fig. 12.22). La cuplarea sarcinii,tensiunea echivalent` Thevenin (cea de mers [n gol) vout gol se distribuie at[t pe impedan\a de ie]ire Zout c[t

]i pe rezisten\a de sarcin` Rs ; [n consecin\`, tensiunea la ie]ire vout s va fi mai mic`

v RR Z

vout ss

s inout gol=

+.

Valim

+15 V

7.5 kRC

1.5 kRE

2C 22 µ Fout

Valim

+15 V

7.5 kRC

1.5 kRE

2C 22 µ F

3.3 kR s

out

vout gol vout s

a) b)Fig. 12.22.

~

amplificator

inZin

R'

vg

vin

10 k

Fig. 12.21.


Deduce\i, din rela\ia precdent`, expresia impedan\ei de ie]ire. Determina\i apoi experimental cele dou`tensiuni vout gol ]i vout s ]i calcula\i impedan\a de ie]ire a amplificatorului. Compara\i aceast` valoare

ob\inut` experimental cu cea determinat` din structura circuitului.Uneori, la amplificatorul cu sarcin` distribuit` se utilizeaz` ]i ie]irea din emitor. Relua\i procedura

anterioar` ]i determina\i experimental impedan\a de ie]ire din emitorului tranzistorului. Cum este aceasta [ncompara\ie cu impedan\a de ie]ire din colector ?

Experimentul 3. Amplificatorul cu sarcin` distribuit` [n condi\ii de semnal mare

A\i determinat la Experimentul 1 punctul static de func\ionare. Calcula\i acum valorile extreme pe carele poate atinge poten\ialul colectorului (tranzistorul blocat ]i, respectiv, saturat). Atentie, poten\ialulemitorului nu este constant. Cel mai u]or este s` reprezenta\i pe acela]i grafic dependen\ele liniare alepoten\ialelor VC ]i VE [n func\ie de valoarea curentului de colector.

Desena\i o diagram` pe care s` apar` cele dou` valori extreme determinate la paragraful precedent,[mpreun` cu nivelul de repaus al poten\ialului colectorului. Cu aceast` diagram`, determina\i amplitudineamaxim` pe care o poate avea semnalul de ie]ire, f`r` s` aduc` tranzistorul [n limitare (blocare sau satura\ie).

Verifica\i acum experimental rezultatul ob\inut, m`rind amplitudinea de la generatorul de semnal ]iurm`rind permanent pe osciloscop evolu\ia poten\ialului de colector (aten\ie, intrarea osciloscopului trebuiecuplat` [n curent continuu). Desena\i pe caiet formele de und` distorsionate datorit` atingerii regimului delimitare.

Deoarece caracteristica de transfer I f VC BE= ( ) a tranzistorului este neliniar`, amplificatorul

distorsioneaz` semnalul ]i [nainte de atingerea regimului de limitare Cum pe o form` de und` sinusoidal`asemenea distorsiuni se observ` mai greu (ochiul nu este exersat s` recunoasc` dependen\a sinusoidal`), ve\iexcita amplificatorul cu un generator de semnal triunghiular, care este gata realizat pe plan]eta pe carelucra\i (Fig.12.23). M`ri\i c[t mai mult amplitudinea semnalului, f`r` s` aduce\i [ns` amplificatorul [nlimitare. Urm`ri\i por\iunile rectilinii ale formei de und` ]i [ncerca\i s` vede\i dac` amplificatorul ledistorsioneaz`, curb[ndu-le. Formula\i o concluzie. Estima\i ]i cu ce precizie relativ` pute\i spune c`semnalul nu este dstorsionat.

Valim

120 k

20 k

C1

+15 V

7.5 kRC

RB1

RB2

10 µ F

C3470 µ F1.5 k

RE

2C 22 µ F

22 µ FC4

3.3 kR sin

out

reglaj amplitudine

generator de

semnal triunghiular

Fig. 12.23.


Experimentul 4. Amplificatorul cu emitorul la mas` [n curent alternativ ([ncondi\ii de semnal mic)

Pentru amplificatorul cu sarcin` distribuit`, amplificarea, fiind egal` cu raportul R RC E (]i, deci, cu

raportul tensiunilor pe aceste rezisten\e) nu poate fi prea mare. Dac` dorim o amplificare de valoare mare,emitorul trebuie legat la mas` [n curent alternativ, prin intermediul unui condensator de valoare suficient demare. Realiza\i ]i dumneavoastr` acest lucru pe plan]et`, conect[nd condensatorul C3 [n paralel cu rezisten\a

din emitor ([n jargon s-ar spune c` a\i decuplat rezisten\a [n curent alternativ).Excita\i amplificatorul de la un generator de semnal sinusoidal cu frecven\a pe la 1 kHz. Stabili\i

amplitudinea [n a]a fel [nc[t semnalul [n colectorul tranzistorului, vizualizat cu osciloscopul, s` aib` oamplitudine [n jur de 1 Vvv. Convinge\i-v` c`, de]i poten\ialele bazei ]i colectorului variaz` [n timp datorit`semnalului aplicat, poten\ialul emitorului este men\inut constant de c`tre condensatorul C3 .

a) AmplificareaAve\i la dispozi\ie mai multe moduri de a calcula amplficarea acestui etaj. Cunoa]te\i valoarea

rezisten\ei dinamice re ]i a rezisten\ei RC ; calcula\i modulul amplific`rii A R rC e= . ti\i, de asemenea,

c`derea de tensiune [n repaus pe rezisten\a RC ; ]i din aceast` informa\ie pute\i calcula amplificareaA VR repausC

= 25 mV. Explicati de ce aceste dou` valori nu concord` exact. Care din ele are ]anse s` fie

mai apropiat` de realitate ?Determina\i acum experimental valoarea amplific`rii. Pentru a determina mai precis amplificarea,

m`sura\i tensiunile de intrare ]i de ie]ire cu un voltmetru electronic (dac` acesta are mai multe func\ii,verifica\i s` fie trecut pe tensiuni de curent alternativ).

Compara\i valoarea m`surat` a amplific`rii cu cea estimat` din punctul staic de func\ionareA VR repausC

= 25 mV. C[t de mare este eroarea relativ` ? Poate fi ea justificat` numai prin imprecizia cu

care cunoa]tem VR repausC ]i tensiunea termic` ?

Face\i acum o estimare mai exact` a amplific`rii, lu[nd [n considera\ie efectul Early; porni\i de lavaloarea A VR repausC

= 25 mV ]i sc`de\i 10 %. Compara\i noua estimare cu valoarea m`surat`. C[t este

acum eroarea relativ` ? Compara\i-o cu imprecizia cu care a\i m`surat VR repausC ]i cu imprecizia lui

VT ≅ 25 mV , care este de 0.3 % pe grad.

b) Impedan\a de intrarencerca\i mai [nt[i s` estima\i valoarea acestei impedan\e din valorile componentelor. Rezisten\a

echivalent` a divizorului rezistiv a r`mas aceea]i, dar s-a modificat Zin B, deoarece [n emitor apare acum [n

alternativ numai rezisten\a dinamc` re .

Pentru determinarea experimental` a impedan\ei de intrare, ve\i utiliza din nou trucul din Fig. 12.21:intercalarea unei rezisten\e [ntre generatorul de semnal ]i intrarea amplificatorului. nainte de a m`suratensiunile vg ]i vin , reface\i reglarea amplitudinii generatorului pentru a ob\ine la ie]ire un semnal de

aproximativ 1 Vvv.Comparati estimarea cu valoarea m`surat`. De unde crede\i c` provine, [n principal, diferen\a ?A\i determinat impedan\a de intrare at[t pentru etajul cu sarcn` distribuit` c[t ]i pentru cel cu emitorul

la mas`. Compara\i valorile ob\inute ]i formula\i o concluzie.


Experimentul 5. Amplificatorul cu emitorul la mas` [n condi\ii de semnal mare

Calcula\i valorile extreme pe care le poate atinge poten\ialul colectorului (tranzistorul blocat ]i,respectiv, saturat). Spre deosebire de cazul etajului cu sarcin` distribuit`, lucrurile sunt mai simple deoarecepoten\ialul emitorului nu variaz` [n timp.

Desena\i o diagram` pe care s` apar` cele dou` valori extreme determinate la paragraful precedent,[mpreun` cu nivelul de repaus al poten\ialului colectorului. Cu aceast` diagram`, determina\i amplitudineamaxim` pe care o poate avea semnalul de ie]ire, f`r` s` aduc` tranzistorul [n limitare (blocare sau satura\ie).

Verifica\i experimental rezultatul ob\inut, m`rind amplitudinea de la generatorul de semnal ]i urm`rindpermanent pe osciloscop evolu\ia poten\ialului de colector (aten\ie, intrarea osciloscopului trebuie cuplat` [ncurent continuu). Desena\i pe caiet formele de und` distorsionate datorit` atingerii regimului de limitare.

Amplificatorul distorsioneaz` semnalul ]i [nainte de atingerea regimului de limitare Pentru a observamai comod aceste distorsiuni de neliniaritate, ve\i excita amplificatorul generatorul de semnal triunghiularde pe plan]et`. M`ri\i c[t mai mult amplitudinea semnalului, f`r` s` aduce\i [ns` amplificatorul [nlimitare. Desena\i pe caiet formele de und` de la intrare ]i ie]ire. M`sura\i la ie]ire amplitudinilesemialternan\ei pozitive ]i ale celei negative (stabili\i, mai [nt[i, nivelul de repaus). Ce observa\i ?

Trage\i o concluzie [n leg`tura cu liniaritatea amplificatorului cu emitorul la mas`. Compara\i-l dinacest punct de vedere cu etajul cu sarcin` distribuit`.

Mic]ora\i lent amplitudinea de la generatorul de semnal, urm`rind tot timpul forma de und` de laie]ire. Dac` este nevoie, modifica\i sensibilitatea osciloscopului. C[nd vi se pare c` semnalul de la ie]ire numai este distorsionat, opri\i-v` ]i m`sura\i amplitudinea. Acesta este regimul de semnal mic.


Pagini distractive

A. Oric[t de bune ar fi inten\iile autorului, nu putem [nv`\a dintr-o carte mai mult dec[t a [n\eles autorul[nsu]i din domeniul despre care vorbe]te. Astfel, [ntr-o carte ambi\ioas` 1, g`sim ceea ce aproape to\iscriitorii no]tri de c`r\i de electronic` ocolesc cu elegan\`: procedura de proiectare a unui circuit depolarizare cu divizor, ca cel din figura al`turat`. Ne facem c` nuvedem justificarea, eronat` ]i imprecis`, inventat` de autori pentrudecizia de a pierde o tensiune de 1 V pe rezistorul din emitor ]iconstat`m cu pl`cere c`, pornind de la tema de proiectare VCE = 5 V]i IC = 1 mA , valorile rezistoarelor din emitor ]i colector sunt

calculate corect. De asemenea, este calculat corect poten\ialul bazei ]ise pune condi\ia rezonabil` ca divizorul de tensiune s` nu fieinfluen\at semnificativ de curentul bazei, prin alegerea unui curentprin divizor de zece ori mai mare dec[t curentul de baz` ([n cazul s`ucel mai defavorabil). Calculul aritmetic le spune autorilor c`rezistoarele divizorului trebuie s` aib` valorile RB1 103 65= . kΩ ]iRB2 = 16.5 kΩ .

Dac` totul s-ar fi oprit aici, [nc` ar fi fost bine, am fi crezut c` au omis ultima etap` a procedurii deproiectare. Dar nu, domniile lor \in s` ne [nve\e tot ce cred c` ]tiu:

" Observa\ie: Valorile rezistoarelor produse de c`tre industrie apar\in unui ]ir discret de valoriprecizate [n standarde. Acolo unde valorile rezistoarelor nu sunt critice, ca de pild` [n exemplele de mai sus,se aleg pentru rezistoare valori apar\in[nd ]irului amintit cel mai apropiat (sic !) de valorile calculate. Pentruexemplul de mai sus ... se pot alege RC = 6.04 kΩ , RB2 104= kΩ , valori standardizate (ca ]i 1 kΩ,

respectiv 16.5 kΩ )"

Erorile de exprimare ]i de tipar nu ne apar\in, 104 kΩ trebuie s` aib`, de fapt, RB1. Ce vor s` ne

spun` autorii ? C` industria produce doar un ]ir discret de valori. Acest lucru este complet fals. Valorilerezisten\elor nu sunt cuantificate. Industria ofer` [ns` rezistoare cu diferite grade de imprecizie [n valoarealor (+/- 10 %, +/- 5 %, +/- 1 %, etc.). Valorile centrale ale acestor intervale formeaz` ]irul discret despre careau aflat autorii. Ignor[nd complet gama de toleran\`, autorii caut` la [nt[mplare printre "valorilestandardizate" ]i g`sesc, de exemplu, 104 ca fiind cea mai apropiat` de 103.65, c[t a ie]it din calcul. Numaic` aceast` valoare "standardizat`" se g`se]te doar [n seria E 192 2 care este o serie cu toleran\a de+/- 0.5 % ! Nici valorile 6.04 ]i 16.5 nu sunt valori uzuale, ele se g`sesc doar cu toleran\e mai bune sau egalecu +/- 1 %. n opinia autorilor, aceste valori "nu sunt critice".

Credem c` v-a\i dat seama de ce ne sf`tuiesc autorii acest lucru : habar n-au ce precizie are calculul pecare l-au f`cut. tiu doar c` valorile "nu sunt critice" . n realitate, nu avem cum s` ne a]tept`m ca tensiuneade alimentare s` fie 12 V cu o precizie mult mai bun` de 5 % iar valorile rezisten\elor RB1 ]i RB2 au fost

ob\inute din valoarea tensiunii de alimentare, fiind propor\ionale cu aceasta. Mai mult, nici raportul lor nueste cunoscut cu precizie deoarece divizorul a fost considerat "[n gol" dar curentul de baz` va cobor[ cam cuo zecime valorea tensiunii m`surat` [n gol. Cu alte cuvinte, datorit` aproxima\iei f`cute, valorile calculatepentru rezisten\elor divizorului au o imprecizie de cel pu\in 10 %. Autorii no]tri scriu rezultatul cu cinci cifresemnificative ]i ne sf`tuiesc s` alegem rezistoare de toleran\` +/- 0.5 %. Ce noroc am avut c` "valorile nusunt critice" ]i nu au utilizat un calculator de buzunar cu opt cifre semnificative !

1 ***, "Electronic` ...", Editura Academiei Române, Bucure]ti, 1994, ISBN 973-27-0377-6.2 Radu Oviudiu, "Componente electronice pasive - Catalog", Ed. Tehnic`, Bucure]ti, 1981.

RCR B1

RB2

RE

+ 12 V


B. Am mai discutat, [n Volumul 1, o problem`propus` la Olimpiada na\ional` de fizic`, 1998 3. Aceastase refer` la "un etaj de amplificare cu un tranzistor [nmontaj cu emitorul comun" a c`rui schem` esteprezentat` [n figura al`turat`.

Ne ocup`m acum de n`stru]nicul rezistorintercalat [n circuitul emitorului, care are valoarea de1 Ω. La curentul de 5 mA pe el cade [n repaus o tensiunede 5 mV, infim` [n compara\ie cu tensiunea baz`-emitorcu valoarea de 600 mV. Din acest motiv, efectul acestuirezistor asupra stabilit`\ii termice este practic inexistent.

Pe de alt` parte, acest rezistor mic]oreaz` amplificarea de tensiune a etajului, aceasta av[nd expresia

A Rr R

C

e E=

+.

La curentul de colector precizat, rezisten\a dinamic` re are valoarea de 5 Ω; astfel, introducerea rezistorului

din emitor coboar` amplificarea de la 200 doar la 167, reac\ia negativ` introdus` fiind extrem de slab`.n concluzie, prezen\a rezistorului de 1 Ω din emitor nu are nici un rost. Dac` nu ne g[ndim la acela al

deconspir`rii gradului de competen\` al autorului problemei.

3 ***, "Fizic`", Manual pentru clasa a X-a, Ed. Teora Educa\ional, Bucure]ti, 2000.

1 Ω

6 k

1 kRC

R1

R2

RE

1

1'

2

2'

+ 12 V

5 mA

K

+-0.6 V

cap.12 amplificatorul

Documents