Capitolul

Transcriere

1 CAPITOLUL Repetoare de tensiune (pe emitor ]i pe surs`) 0 V in - 0 V out - Introducere Repetorul pe emitor (amplificatorul cu colector comun) Repetorul pe surs` (amplificatorul cu dren` comun`) Repetorul pe emitor (amplificatorul cu colector comun) 90 1.A. Analiza cu un model al tranzistorului foarte simplificat 90 1.B. O analiz` mai exact`: modelul cu r e 95 1.C. Polarizarea repetorului pe emitor 98 1.D. Cuplarea capacitiv` a sarcinii E. Proiectarea unui repetor pe emitor Repetorul pe surs` (amplificatorul cu dren` comun`) 104 Problem` rezolvat` 109, probleme propuse 113 Lucrare experimental` 116

2 88 Electronic` - Manualul studentului Introducere {n multe c`r\i, atunci c[nd se discut` familia caracteristicilor de ie]ire, regimul activ normal al tranzistorului bipolar este prezentat ca fiind "liniar", deoarece la varia\ii egale ale parametrului I B (curentul bazei) caracteristica este aproximativ translatat` cu aceea]i valoare I C. Aceast` liniaritate este consecin\a rela\iei IC =β IB, unde β r`m[ne aproape constant. Cu toate acestea, [n imensa majoritate a aplica\iilor informa\ia de la intrare, care trebuie prelucrat`, nu este curentul bazei ci tensiunea baz`-emitor. Din acest motiv, esen\ial` este dependen\a IC = Ise V BE V T, care este foarte neliniar`. Tranzistoarele bipolare sunt elemente de circuit neliniare ]i, [n consecin\`, circuitele cu tranzistoare bipolare sunt circuite neliniare. Acela]i lucru se [nt[mpl` ]i pentru tranzistoarele cu efect de c[mp, la care curentul de dren` depinde p`tratic de tensiunea de comand`. Totu]i, pentru varia\ii mici [n jurul punctului de func\ionare (regimului de repaus), circuitele cu tranzistoare se comport` aproximativ liniar. C[t de mici trebuie s` fie aceste varia\ii depinde de structura circuitului ]i de gradul nostru de exigen\`. Dac` un circuit liniar este excitat sinusoidal [ncep[nd de la un anumit moment, dup` stingerea regimului tranzitoriu se stabile]te un regim sinusoidal sta\ionar (permanent) [n care toate poten\ialele ]i to\i Vin curen\ii evolueaz` sinusoidal, cu frecven\a de excita\ie, dar cu amplitudini ]i faze diferite. {n Fig au fost 2 Vin reprezentate evolu\iile [n timp ale tensiunii de intrare (excita\ia) ]i tensiunii de ie]ire, ob\inute [ntr-un timpul experiment de acest tip. Vout Amplificarea complex` se define]te pentru regimul sinusoidal permanent; ea are modulul egal cu raportul amplitudinilor de la ie]ire ]i intrare ]i argumentul egal cu defazajul ie]irii fa\` de intrare; [n general, amplificarea depinde de frecven\`. {ntodeauna, [ns`, trebuie s` avem grij` s` nu lu`m [n considera\ie la calculul amplific`rilor ]i impedan\elor dec[t varia\iile m`surate de la regimul de repaus ]i s` nu [mp`r\im niciodat` una la cealalt` tensiunile sau intensit`\ile de repaus. Vom nota, de aici [nainte, amplitudinea sinusoidei de regim permanent cu liter` mic` regim tranzitoriu timpul A = V out Vin regim sinusoidal permanent Fig Amplificarea se define]te pentru regimul siusoidal permanent. 2 Vout v out = Vout ; (10.1) de multe ori, pentru a nu mai complica nota\ia, vom [n\elege prin v out fie amplitudinea v[rf la v[rf, fie tensiunea efectiv`, deoarece aceste m`rimi sunt propor\ionale cu amplitudinea. Trebuie s` avem gri`, [ns`, s` specific`m [ntodeauna semnifica\ia utilizat`. Cu oricare dintre semnifica\iile de mai sus, modulul amplific`rii are aceea]i expresie

3 Cap. 10. Repetoare de tensiune (pe emitor ]i pe surs`) 89 A v = out v. (10.2) in C[nd amplificarea este real`, sinusoidele de la intrare ]i ie]ire sunt fie [n faz`, fie [n antifaz`. Dac` sinusoida de la ie]ire este [n faz` cu cea de la intrare, amplificarea este real` ]i pozitiv` iar dac` cele dou` sinusoide sunt [n antifaz` amplificarea este real` ]i negativ`. Putem extinde defini\ia amplific`rii ]i pentru frecven\a zero (curent continuu): producem o varia\ie treapt` de [n`l\ime V in la intrare ]i a]tept`m p[n` c[nd nivelul de la ie]ire se sta\ionarizeaz` devenind practic constant, ca [n Fig M`sur`m atunci varia\ia V out ]i calcul`m amplificarea de tensiune la frecven\a zero (numit` ]i amplificare la curent continuu) Vin Vin timpul Vout ADC V = out = Vin vout ; (10.3) vin Vout Amplificarea la curent continuu nu este raportul dintre tensiunile de curent continuu (de repaus) ci raportul varia\iilor cuasistatice ale acestora; amplificarea la curent continuu este obligatoriu un num`r real, pozitiv sau negativ. A = timpul Noi ne vom ocupa numai de semnale de joas` frecven\`, la care putem s` neglij`m timpul de r`spuns al tranzistoarelor; acestea vor fi considerate ca dispozitive f`r` memorie. {n consecin\`, toate poten\ialele ]i curen\ii lor vor evolua [n faz` (sau antifaz`) ]i amplific`rile pe care le vom calcula vor fi pur reale. C[nd acestea vor fi negative, vom numi circuitele "inversoare", deoarece sensurile varia\iilor de la ie]ire ]i intrare sunt [n opozi\ie. Amplific`rile calculate vor fi, deci, amplific`ri la frecven\e mici. A]a cum spuneam mai sus, pentru calculul acestora va trebui s` consider`m varia\ii ale punctului static; din aceast` cauz`, DC Vout Vin Fig Defini\ia amplific`rii la curent continuu. [n calculul amplific`rii vor interveni rezisten\ele ]i transconductantele dinamice, calculate [n jurul punctului de func\ionare. {n acest capitol ne vom ocupa de ni]te circuite care au amplificarea de tensiune subunitar` dar foarte apropiat` de valoarea 1. Astfel, varia\iile tensiunii de intrare se reg`sesc, aproape identic, la ie]ire. Din acest motiv, ele sunt numite repetoare de tensiune.

4 90 Electronic` - Manualul studentului Repetorul pe emitor (amplificatorul cu colector comun) 1.A. Analiza cu un model al tranzistorului foarte simplificat S` analiz`m comportarea circuitului din Fig la modificarea poten\ialului bazei, considerat ca tensiune de intrare. Tensiunea de ie]ire este definit` [ntre emitor ]i mas`, fiind egal` cu poten\ialul emitorului. Vom utiliza, pentru [nceput, un model extrem de simplu pentru tranzistor. }tim c` [n regiunea activ` tensiunea baz`-emitor are o valoare de aproximativ 0.6 V = 600 mv ]i variaz` pu\in [n jurul acesteia: pentru o varia\ie cu un factor de doi a curentului de colector, V BE 18 mv. Vom considera, din acest motiv, tensiunea baz`-emitor perfect constant` 0 V in - V B V E V BE - 0 V out - Fig Repetorul pe emitor. V BE = 0. (10.4) {n aceste condi\ii, poten\ialul emitorului sufer` varia\ii absolut identice cu acelea ale tensiunii de intrare, VE = VB VBE = VB. {n consecin\`, amplificarea de tensiune are exact valoarea 1 V A = E V = 1, (10.5) B circuitul din Fig fiind numit repetor pe emitor (emitter follower [n englez`). Semnalul de intrare se aplic` [n baza tranzistorului, cel de ie]ire se ob\ine [n emitor iar colectorul r`m[ne la poten\ial constant. Pentru varia\ii, este ca ]i cum colectorul ar fi legat la mas` (el chiar este legat la mas` [n alternativ, prin condensatorul de filtrare de valoare foarte mare al sursei de alimentare). Din acest motiv, circuitul mai este cunoscut ]i sub numele academic de amplificator cu colectorul comun. Observa\ie: {n Fig am notat tensiunea de alimentare, ca ]i [n capitolele anterioare, cu. Acest manual fiind unul introductiv, am preferat s` facem acest lucru pentru a reduce la minimum riscul unor confuzii. {n schemele profesionale, tensiunea de alimentare pozitiv` a circuitelor ce con\in tranzistoare bipolare este notat` cu V CC. Sunt dou` aspecte implicate [n aceast` conven\ie. {n primul r[nd, dublarea indicelui unei tensiuni este rezervat` exclusiv tensiunilor de alimentare.; at[t pentru litera V c[t ]i pentru indici se folosesc majuscule deoarece tensiunea este continu`. {n al doilea r[nd, pentru circuitele cu tranzistoare bipolare, tensiunea pozitiv` are indicele "CC" pentru c` cele mai utilizate tranzistoare sunt cele de tip npn, la care colectorul este legat` spre alimentarea pozitiv`. Tensiunea pozitiv` se noteaz` cu V CC chiar ]i [n cazul [n care circuitul nu con\ine dec[t tranzistoare de tip

5 Cap. 10. Repetoare de tensiune (pe emitor ]i pe surs`) 91 pnp, care au emitoarele legate spre alimentarea pozitiv`. Pentru simetria nota\iei, dac` circuitul are ]i o alimentare negativ` fa\` de mas`, tensiunea ei este notat` cu V EE. C[t de mare poate fi evolu\ia poten\ialului de intrare? De]i varia\iile lor sunt identice (cu modelul nostru foarte simplificat), poten\ialele 0.6 V emitorului ]i bazei nu sunt egale, poten\ialul emitorului fiind [ntodeauna cu V BE = const. 0.6 V mai cobor[t dec[t cel al bazei (Fig. 10.4). Dar la V E = 0, conform legii lui Ohm, IC IE =0 ]i tranzistorul se blocheaz`. Din acest motiv, dac` dorim ca repetorul s` func\ioneze, poten\ialul de intrare nu trebuie s` coboare p[n` la 0.6 V. 0.6 V 0 Pe de alt` parte, colectorul este men\inut la poten\ialul aliment`rii. Pentru ca jonc\iunea baz`-colector s` nu fie deschis` (adic` tranzistorul s` nu ajung` [n satura\ie) poten\ialul de intrare nu trebuie s` dep`]easc` tensiunea de alimentare. V in V out tranzistor saturat tranzistor blocat Fig Evolu\ia poten\ialelor de intrare ]i de ie]ire. La ce ne poate folosi un etaj care nu amplific` Putem s` ne [ntreb`m, pe bun` dreptate, la ce poate servi un etaj care doar repet` varia\iile de tensiune de la intrare. Dac` toate sursele al c`ror semnal de tensiune trebuie prelucrat ar fi surse ideale de tensiune (cu rezisten\` intern` nul`), repetorul ar fi cu totul inutil. Realitatea este, [ns`, cu totul alta. S` presupunem c` dorim s` m`sur`m u]oara modificare a temperaturii provocat` de procesul repetat de inspira\ie-expira\ie, cu ajutorul uui termistor cu rezisten\a de 20 kω (Fig a); alegem curentul I 0 = 1 ma ]i, cum la o varia\ie de 0.1 o C rezisten\a termistorului se modific` cu aproximativ 0.4 %, vom ob\ine ni]te varia\ii de tensiune V g de ordinul a 100 mv. Aceasta este tensiunea disponibil` [n gol, f`r` s` fi legat vreo sarcin`. = 0 I 0 = const. 20 k 20 k I B V B 20 k (sufera mici variatii in timp) sarcina 2 k - Vg sarcina 2 k - Vg Z in B I E V E 2 k out a) b) c) Fig Sursa de semnal ]i sarcina (a) cuplate direct (b) ]i prin intermediul repetorului pe emitor (c). Cupl`m aparatul de m`sur` prin intermediul unui condensator de valoare mare, care s` aib` reactan\a mic` la frecven\a la care lucr`m (unul de 4700 µf are 34 Ω la 1 Hz), echival`m Thevenin "generatorul de

6 92 Electronic` - Manualul studentului semnal" ]i ajungem la circuitul din desenul b). Din p`cate, aparatul cu care putem m`sura tensiuni are rezisten\a intern` de numai 2kΩ. Din aceast` cauz`, pe sarcina reprezentat` de aparatul de m`sur` va ap`rea o tensiune care este numai 222 9% din semnalul de tensiune V g disponibil [n gol. Rezultatul este c`,, tocmai am mic]orat de peste zece ori semnalul util. Ce se [nt[mpl` dac` [ntre sursa de semnal ]i sarcin` intercal`m un etaj repetor, ca [n Fig c)? Va trebui s` echival`m dipolul reprezentat de tranzistor, accesibil la bornele de intrare baz` ]i mas`, cu o impedan\`, numit` impedan\a de intrare [n baza tranzistorului, Z in B. Deoarece dipolul considerat este un circuit f`r` memorie, aceast` impedan\` este una pur real` (o rezisten\` dinamic`). Pentru calculul ei consider`m o varia\ie V B pozitiv` a tensiunii de intrare. Varia\iile de tensiune la intrare ]i ie]ire sunt egale, VB = VE, dar curen\ii de baz` ]i cel de emitor nu sunt egali, tranzistorul trimi\ind prin rezisten\a de sarcin` din emitor un curent de β 1 β mai mare dec[t cel de baz`. Din aceast` cauz`, avem impedan\a de intrare [n baza tranzistorului V V Z B in B = E = RE IB IE β β ; (10.6) rezisten\a de sarcin` cuplat` [n emitor apare v`zut` dinspre baz` ca fiind de β ori mai mare. Astfel, aparatul de m`sur` cu rezisten\a de 2kΩ este v`zut acum de sursa de semnal ca av[nd o rezisten\` de β ori mai mare. Cu un factor β de 100, impedan\a de intrare [n baz` este de 200 kω, de zece ori mai mare dec[t a sursei de semnal. {n consecin\`, la intrarea repetorului (]i, deci, ]i pe sarcin`) ajunge acum % din valoarea semnalului disponibil [n gol. Impedan\a de intrare este o m`rime cheie atunci c[nd cupl`m un amplificator la o surs` de semnal. Pentru ca tensiunea ob\inut` s` fie practic aceea de mers [n gol impedan\a de intrare a amplificatorului trebuie s` fie mult mai mare dec[t aceea a sursei de semnal; aici []i dovede]te utilitatea repetorul pe emitor care face ca rezisten\a de sarcin` cuplat` [n emitor s` par` de β ori mai mare. Vom vedea c`, de cele mai multe ori, asigurarea regimului de repaus al tranzistorului (polarizarea sa) necesit` conectarea [n baza tranzistorului a unui divizor rezistiv, ca [n Fig {n acest caz, impedan\a de intrare a amplificatorului, Z in, nu mai este egal` cu impedan\a de intrare [n baza tranzistorului Z in B, deoarece sursa de semnal trebuie s` I 1 I in furnizeze ]i curentul prin cele dou` rezistoare. La defini\ia Z in B ambelor impedan\e intr` aceea]i varia\ie de tensiune dar ~ Z in I 2 V out varia\iile de curent sunt diferite. Pentru a face distinc\ie [ntre R R B2 E aceste impedan\e, se utilizeaz` simbolurile cu s`geat` desenate 10 k [n figur`; s`geata este l[ng` ramura al c`rui curent intr` [n defini\ia impedan\ei iar sensul ei este dinspre generatorul de Fig Defini\ia impedan\ei de intrare. semnal care provoac` varia\ia curentului. {n jargon se spune c` aceasta este impedan\a "v`zut` privind [n sensul s`ge\ii". Astfel, Z in este impedan\a v`zut` de generator privind [nspre amplificator iar Z in B este impedan\a v`zut` privind [nspre baza tranzistorului. V in R B1 I B = 0

7 Cap. 10. Repetoare de tensiune (pe emitor ]i pe surs`) 93 = 0 - R B V g I B V B I E = i e V E = v e Z out E Z out E i e v e v e gol α rezistenta sarcinii scade V out ~ sarcina v e gol 0 0 tg α = Z out E i e a) b) c) Fig Calculul impedan\ei de ie]ire. Am v`zut c` impedan\a de intrare [n baza tranzistorului este mare, fiind de β ori rezisten\a cuplat` [n emitor. Dar aceasta nu este singura calitate a repetorului pe emitor. S` leg`m [n baz` o surs` de semnal cu impedan\a echivalent` R B (Fig a) ]i s` ne punem acum o cu totul alt` [ntrebare: ce se [nt[mpl` cu tensiunea de ie]ire dac` modific`m valoarea rezisten\ei de sarcin`? La ie]ire, amplificatorul poate fi echivalat Thevenin printr-o surs` ideal` de tensiune [n serie cu o impedan\`, ca [n desenul b) al figurii. Aceasta este impedan\a de ie]ire a amplificatorului. Semnifica\ia ei fizic` reiese clar din Fig c) unde am reprezentat amplitudinea semnalului variabil de la ie]ire [n func\ie de curentul variabil absorbit de sarcin`. Impedan\a de ie]ire ne spune cum scade amplitudinea tensiunii semnalului alternativ de la ie]irea amplificatorului atunci c[nd sarcina se modific` ]i absoarbe un curent alternativ mai mare; dac` impedan\a de ie]ire ar fi zero tensiunea de ie]ire ar fi insensibil` la modificarea sarcinii. C[nd am discutat teoremele Thevenin ]i Norton pentru curent continuu, am spus c` rezisten\a intern` poate fi m`surat` ]i printr-un altfel de experiment: pasivizarea sursei interne (sursa de tensiune trece [ntr-un scurtcircuit iar cea de curent se transfom` [ntr-un circuit [ntrerupt) ]i aplicarea din exterior a unei excita\ii. Acest lucru r`m[ne valabil ]i la curent alternativ, impedan\a Z out E put[nd fi definit` ]i m`surat` ca [n Fig Se vede clar c` impedan\a Z out E este de fapt impedan\a v`zut` privind [nspre emitor, cu condi\ia ca generatorul de semnal de la intrarea circuitului s` fie pus la tensiune nul`, impedan\a lui proprie r`m[n[nd [n circuitul de intrare. Din acest motiv, simbolizarea pe scheme a impedan\elor de ie]ire se face cu s`geat` [nspre amplificator. R B Z out E = IB V B I E = V E - I E i e = 0 V E = Z out E v e - V Fig Calculul impedan\ei de ie]ire din emitorul tranzistorului. Acum putem calcula valoarea impedan\ei Z out E prin

8 94 Electronic` - Manualul studentului Zout E V = E. (10.7) IE {ncerc`m s` exprim`m m`rimile din relatia precedent` prin m`rimi de la intrare; varia\iile de tensiune sunt identice iar curentul de emitor este de aproximativ β ori mai mare dec[t curentul din baz`. Pe de alt` parte IB = ( 0 VB) RB, a]a c` [n final Zout E VB R = = B β IB β ; (10.8) impedan\a de ie]ire v`zut` [nspre emitor este de β ori mai mic` dec[t impedan\a legat` [ntre baz` ]i mas`. {n cazul ideal [n care generatorul de semnal cuplat [n baz` ar avea impedan\a intern` nul`, ]i impedan\a de ie]ire a repetorului ar fi nul`. 10 k generator de ~ semnal 1V -Un volt, exact tensiunea pe care o doream! 1 k 2. - Pentru 1 ma imi trebuie 10 V! 1V ~ 10 k 1. - Numai 0.1 ma? Dl. Ohm spunea c` am nevoie de 1 ma... 1 k a) V este [ntreaga tensiune, trebuie s-o [mp`r\i\i [ntre voi... - Ce mult ]i-a redus preten\iile! b) 1V ~ 10 k in Z in 100 k repetor pe emitor 1V repetor pe emitor ~ 100 Ω Z out out 1 k -A]a da generator de semnal! c) Fig Repetorul pe emitor rezolv` neadaptarea de impedan\` [ntre generatorul de semnal ]i sarcin`.

9 Cap. 10. Repetoare de tensiune (pe emitor ]i pe surs`) 95 Repetorul pe emitor func\ioneaz`, astfel, ca o lentil` fermecat` [ntre dou` lumi: rezisten\a legat` la ie]ire [ntre emitor ]i mas` se vede de la intrare m`rit` de β ori, iar rezisten\a legat` la intrare [ntre baz` ]i mas` se vede de la ie]ire mic]orat` de β ori. Principala aplica\ie a repetorului pe emitor este adaptarea de impedan\e [ntre sursa de semnal ]i sarcin`, a]a cum se vede [n Fig Un circuit cu aceast` func\ie este numit ]i circuit "de separa\ie" (buffer [n limba englez`), deoarece amplitudinea la bornele sursei de semnal nu mai este influen\at` de m`rimea rezisten\ei de sarcin`. Observa\ie: Am v`zut [n capitolul anterior c` adaptarea de impedan\` poate fi realizat` ]i cu ajutorul unui transformator; aceast` Fig Impedan\ele de ie]ire. solu\ie este utilizat` ast`zi numai [n radiofrecven\`, la joas` frecven\` prefer[ndu-se adaptarea cu tranzistoare. Impedan\a Z out E este impedan\a v`zut` privind [nspre emitor; aceasta este impedan\a de ie]ire sesizat` de rezisten\a dac` nu este cuplat` alt` sarcin` [n emitor. C[nd utiliz`m o sarcin` extern`, aceasta vede [n afara impedan\ei Z out E a tranzistorului ]i rezisten\a legat` [n paralel, ca [n Fig R B = 0 Z out E Z out Zout = Zout E in paralel cu RE (10.8) Observa\ie: Impedan\a de intrare ]i impedan\a de ie]ire ale unui amplificator sunt, de fapt, m`rimi definite identic: sunt inmitan\ele [n nodul de intrare ]i respectiv ie]ire. Diferen\a de semnificatie este una pragmatic`, la intrare amplificatorul se vede ca un circuit pasiv (care nu con\ine surse de semnal alternativ), pe c[nd la ie]ire amplificatorul se comport` activ fa\` de rezisten\a de sarcin`, ap`r[nd pentru aceasta ca un generator de semnal. 1.B. O analiz` mai exact`: modelul cu r e Am considerat p[n` acum c` tensiunea baz`-emitor r`m[ne riguros constant`; ]tim c` acest lucru nu este adev`rat. Pentru varia\ii mici ale curentului de colector IC << IC construim acum un model al tranzistorului care va fi valabil [ns`, numai pentru varia\ii mici. Pornim de la expresia caracteristicii de transfer ]i exprim`m mica varia\ie a tensiunii baz`-emitor prin IC = Ise V BE V T (10.9) VBE V = T IC ; (10.10) IC m`rimea constant` (repet`m, pentru varia\ii mici) VT IC are dimensiuni de rezisten\` ]i este inversul unei cuno]tin\e mai vechi, transconductan\a tranzistorului. O vom nota cu r e, fiind o rezisten\` dinamic`

10 96 Electronic` - Manualul studentului re = VT IC =1 gm. (10.11) E mult mai u]or, totu]i, s` judec`m cu circuite echivalente V dec[t cu ecua\ii. Expresia V T C colector BE = IC poate fi interpretat` IC baza (Fig ) ca legea lui Ohm pe rezisten\a r e, pe care o vom numi rezisten\a dinamic` intrinsec` a emitorului; cantitatea B emitor "intern" E' V BE se adun` la valoarea presupus` ini\ial constant` a tensiunii I tensiune C baz`-emitor. Ob\inem astfel un model mai exact, pentru varia\ii constanta r e r V e I C mici: nu trebuie dec[t s` consider`m c` [n interiorul tranzistorului BE - exist`, [n serie cu emitorul, rezisten\a dinamic` r e. Emitorul - emitor E modelului simplu, a c`rui tensiune [n raport cu baza ram[ne constant`, [l vom numi emitor "intern". V BE = V BE' r e I E = r e I C Rezistorul r e nu exist` [n interiorul tranzistorului, a]a cum nu exist` nici emitorul intern; este de vorba de un circuit Fig Modelul cu r e al echivalent convenabil, care respect`, [ns`, ni]te ecua\ii tranzistorului. adev`rate. Modelul pe care tocmai l-am construit este cunoscut ca modelul cu r e sau uneori ca modelul transconductan\` ori Ebers-Moll. Datorit` simplit`\ii calculelor, ast`zi "anumite institu\ii folosesc exclusiv modelul cu r e " 1. Observa\ie: Am fi putut la fel de bine s` introducem o rezisten\` dinamic` de valoare β r e [n serie cu baza, [n locul celei din emitor. Alegerea f`cut` are o serie de avantaje care se vor vedea pe parcurs; unul este acela c` r e nu depinde de β care este foarte prost controlat tehnologic. Rezisten\a dinamic` r e depinde de punctul de func\ionare, fiind invers propor\ional` cu intensitatea curentului de colector; la 1 ma ea este de 25 Ω. Amplificarea = 0 S` recalcul`m amplificarea repetorului folosind, de data aceasta, modelul cu r e (Fig ). Varia\iile tensiunii de intrare se reg`sesc identic la nodului emitorului "intern" dar la ie]irea repetorului semnalul este mai mic datorit` divizorului rezistiv format din rezisten\a dinamic` r e ]i rezistorul montat [n circuitul emitorului. Cu regula de trei simpl` ob\inem imediat noua expresie a amplific`rii - R B I B V B in I E "emitor intern" V B r e out V A = E = VB RE 1 =. (10.12) RE re 1 re RE V E Fig Analiza repetorului pe emitor cu modelul cu r e. 1 Robert Boylestad, Louis Nashelsky, "Electronic Devices and Circuit Theory", Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J., 2002 (a opta edi\ie)

11 Cap. 10. Repetoare de tensiune (pe emitor ]i pe surs`) 97 Cum rezisten\a dinamic` este re = VT IC =25 mv IC, raportul re R prin valorile punctului static de func\ionare (repaus) E poate fi simplu exprimat re RE V = T = 25 mv (10.13) ICRE VE unde V E este poten\ialul de repaus al emitorului. {n consecin\`, A = 1 ICR = mv ( E) 1 25 mv VE. (10.14) 1 Dac` ne mai aducem aminte c`, pentru ε<<1, 1 1 ε ε A 1 25 mv V E (10.14') amplificarea repetorului pe emitor este subunitar` ]i foarte apropiat` de valoarea 1; eroarea relativ` pe care o facem c[nd o consider`m unitar` este aproximativ egal` cu re RE = 25 mv VE. Cu poten\ialul V E la 5 V, aceast` eroare este de numai 0.5 %, amplificarea fiind de fapt Impedan\a de intrare Cu modelul foarte simplu utilizat la [nceput, am ob\inut impedan\a de intrare [n baza tranzistorului ca fiind Z in B =β. De data aceasta, [n serie cu rezisten\a apare suplimentar rezisten\a dinamic` r e ]i formula mai exact` este Zin B = β( re ); corec\ia este, [ns`, sub 1 % ]i ar fi complet neserios s` o lu`m [n considera\ie c[nd nu ]tim dac` factorul β este 100 sau 200. Impedan\a de ie]ire C[nd am considerat tensiunea baz`-emitor perfect constant`, am ob\inut pentru impedan\a de ie]ire v`zut` privind [n emitor expresia Zout E = RB β, unde R B era rezisten\a dinamic` echivalent` prin care baza era legat` la mas`. Astfel, dac` generatorul de semnal care excit` amplificatorul are impedan\a intern` de 1 kω ]i tranzistorul are un factor β egal cu 100, impedan\a de ie]ire ajunge la o valoare mic`, de numai 10 Ω. Aceasta ar putea fi cobor[t` suplimentar dac` alegem tranzistoare cu factorul β mai mare ]i mic]or`m impedan\a intern` a generatorului de semnal; cu un generator de impedan\` nul` ]i Z out E ar fi zero. Cu modelul mult mai realist [n care am \inut seama de varia\ia tensiunii baz`-emitor, lucrurile se schimb` fundamental. Privind [nspre emitorul tranzistorului (Fig ), rezisten\a dinamic` r e apare legat` [n serie ]i se adun` la impedan\a de ie]ire calculat` cu modelul simplificat. {n consecin\`, noua expresie a impedan\ei de ie]ire privind [n emitor este Zout E = re RB β ; (10.15)

12 98 Electronic` - Manualul studentului chiar cu un generator de semnal ideal ( R B = 0), ea nu poate fi cobor[t` sub r e. Pentru a ob\ine impedan\a de ie]ire a [ntregului etaj trebuie s` consider`m ]i pe legat [n paralel cu Z out E. Dar cum RE re = VE 25 mv >> 1, efectul lui poate fi neglijat [n aceast` situa\ie. {n concluzie, Impedan\a de ie]ire a repetorului nu poate fi cobor[t` sub valoarea re = 25 mv IC nici dac` generatorul de semnal are impedan\a intern` nul`. La 1 ma aceast` valoare de palier este de 25 Ω ]i poate fi cobor[t` numai prin cre]terea curentului de colector. Avantajul esen\ial al repetorului pe emitor de a avea o impedan\` mic` de ie]ire poate fi compromis dac` al doilea termen din rela\ia anterioar`, R B β, devine dominant. Astfel, repetorul pe emitor are o impedan\` mic` de ie]ire, de ordinul 25 mv I C, numai dac` generatorul de semnal care [l excit` are o impedan\` intern` mai mic` dec[t ( β 25 mv) I C. C[t de mare poate fi semnalul prelucrat f`r` ca el s` sufere distorsiuni semnificative? C[nd am considerat tensiunea baz`-emitor perfect constant` am descoperit c` poten\ialul bazei poate s` evolueze [ntre 0.6 V ]i tensiunea de alimentare, varia\iile sale reg`sindu-se absolut identic (f`r` distorsiuni) la ie]ire. Un asemenea amplficator se nume]te de semnal mare, poten\ialul ie]irii put[nd evolua f`r` distorsiuni practic pe tot intervalul dintre zero ]i tensiunea de alimentare. Modelul perfec\ionat a fost construit [ns` [n ipoteza unor varia\ii mici ale curentului de colector deoarece numai pentru acestea are sens s` vorbim despre rezisten\` dinamic` ]i transconductan\`. Ne poate ajuta aceast` abordare s` afl`m cum se comport` amplificatorul atunci c[nd poten\ialul ie]irii sufer` o varia\ie mare? S` presupunem c` [n repaus poten\ialul emitorului este la 5 V, jum`tatea tensiunii de alimentare ]i c` acesta face o excursie de /- 2.5 V. C[nd V E = 7.5 V curentul a devenit de 1.5 ori mai mare ]i amplificarea, conform rela\iei 10.14, se modific` de la la La extrema cealalt`, curentul de colector se reduce la jum`tate din valoarea de repaus ]i amplificarea scade la Varia\ia total` a amplific`rii de semnal mic este de 0.7 %, ceea ce ne arat` c` repetorul poate prelucra semnale mari cu distorsiuni foarte mici. Dac` acest argument nu ne-a convins [nc`, s` calcul`m distorsiunile global ]i nu prin modificarea amplific`rii de semnal mic. Cunoa]tem dependen\a IC = f( VBE), de aici ob\inem V BE la varia\ia curentului de colector de la I C1 la I C2 : VBE = 25 mv lnbic2 IC1g. Cre]terea de 1.5 ori a curentului de colector se face cu pre\ul cre]terii cu 10 mv a tensiunii baz`-emitor iar sc`derea la jum`tate se face datorit` sc`derii cu 17.3 mv a aceleia]i tensiuni. Avem [n total o varia\ie de 27.3 mv a tensiunii baz` emitor, care se va reg`si ca distorsiune la ie]ire (cu aceast` cantitate va diferi V out de V in ). Aceasta [nseamn`, [n valori relative, mv 5 V = % pentru un semnal la ie]ire cu amplitudinea de 5 V virf la v[rf. 1.C. Polarizarea repetorului pe emitor S` relu`m problema cupl`rii repetorului pe emitor la termistorul cu care m`suram temperatura (Fig ). Poten\ialul la cap`tul termistorului sufer` varia\ii de ordinul a 0.1 V [n jurul valorii continue de 20 V; putem lega, astfel, [n acest punct baza tranzistorului direct, f`r` s` mai fie nevoie de alt circuit de polarizare. Trebuie s` avem, [ns`, grij` ca tensiunea de alimentare a tranzistorului s` fie mai mare de 20 V pentru ca acesta s` fie [n regiunea activ`. Aceasta este o situa\ie norocoas`: putem s` stabilim prin ajustarea curentului I 0 al sursei ideale de curent un poten\ial de repaus convenabil pentru emitorul tranzistorului. {n general, [ns`, sursele de semnal nu

13 Cap. 10. Repetoare de tensiune (pe emitor ]i pe surs`) 99 pot asigura ]i regimul de curent continuu de repaus. De exemplu, un senzor de presiune piezoelectric (PZT [n englez`), cum ar fi o doz` clasic` de pick-up, nu poate produce dec[t varia\ii de tensiune [n jurul valorii de zero (media semnalului de tensiune este nul`). Va trebui, deci, s` rezolv`m problema polariz`rii cu un circuit separat. {n Capitolul 8 am studiat influen\a temperaturii asupra punctului static de func\ionare al tranzistorului ]i am ajuns la concluzia c` o polarizare suficient de stabil` termic ]i relativ insensibil` la [mpr`]tierea lui β se ob\ine cupl[nd un divizor rezistiv [n baz` ]i intercal[nd o rezisten\` [n emitor. Aceasta este solu\ia ]i pentru repetor (Fig a). Generatorul de semnal este cuplat [n baza tranzistorului prin intermediului condensatorului C B, care are o valoare suficient de mare astfel [nc[t s` poat` s` fi considerat ca un scurtcircuit la frecven\ele produse de generatorul de semnal. I 0 1 ma 20 V 20 k (sufera mici variatii in timp) 22 k 30 V sarcina 2 k Fig Cuplarea [n curent continuu a intr`rii repetorului. R B1 200 k C B 0 0 C B Z in B 0 ~ Z in Z in B 100 k 1 M ~ Z in R B2 200 k 10 k V out R B1 R B2 β a) b) Fig Polarizarea repetorului pe emitor. Dou` condi\ii trebuia s` [ndeplineasc` circuitul de polarizare. Prima cerea ca pe rezisten\a din emitor s` pierdem cel pu\in 1-2 V [n repaus; la repetor aceast` condi\ie este [ndeplinit` cu prisosin\`, pe rezisten\a din emitor c`z[nd de regul` jum`tate din tensiunea de alimentare. A doua condi\ie impune ca rezisten\a echivalent` a divizorului s` fie cel mult β 10; nu este o problem` s` [ndeplinim aceast` condi\ie dar prezen\a divizorului modific` impedan\a de intrare a etajului. {ntr-adev`r, curentul (alternativ) de la generatorul de semnal are acum dou` c`i pe care curge c`tre mas`: prin baza tranzistorului (impedan\a Z in B egal` cu β ) ]i prin rezisten\ele divizorului. Cum = 0, pentru varia\ii este ca ]i cum R B1 ar fi legat` la mas`, astfel [nc[t cele dou` rezisten\e de polarizare apar [n paralel, impedan\a echivalent` fiind chiar cea a divizorului. Astfel, impedan\a de intrare a etajului este mai mic` dec[t β 10. Prezen\a divizorului, cu care este polarizat` baza tranzistorului, mic]oreaz` de peste 10 ori impedan\a de intrare a repetorului. {n acest mod, principala calitate a repetorului pe emitor este pierdut`. Dac` impedan\a de intrare [n baza tranzistorului, Z in B, poate ajunge la 1-10 MΩ, divizorul rezistiv, fiind legat [n paralel la intrare,

14 100 Electronic` - Manualul studentului coboar` impedan\a Z in de intrare a etajului la 100 kω - 1MΩ. Aceasta [nseamn` c` aproximativ nou` zecimi din curentul furnizat de generatorul de semnal, [n loc s` ajung` [n baza tranzistorului, este pierdut spre mas` prin rezisten\ele divizorului. C B C B R B1 100 k ~ Z in R B3 Z in B 50 k 1 M C B R B1 100 k ~ M R B3 50 k R B2 100 k 10 k V out M R B1 R B2 50 k β ~ R B3 50 k R B2 100 k C BS 10 k V out a) b) Fig Metoda bootstrap. Eliminarea acestui inconvenient se face printr-un truc, cunoscut ca metoda bootstrap. Mai [nt[i s` intercal`m o alt` rezisten\` [ntre baz` ]i punctul median al divizorului, ca [n Fig a). Pentru a men\ine calit`\ile polariz`rii, va trebui s` mic]or`m corespunz`tor rezisten\a echivalent` a divizorului, a]a c` nu am rezolvat [nc` nimic, impedan\a de intrare r`m[ne [n continuare aproximativ β 10. S` observ`m pe unde curge acum curentul alternativ produs de generatorul de semnal (desenul b al figurii). Cea mai mare parte din acesta (aproximativ 9/10) se duce la mas` prin combina\ia serie R B3 cu rezisten\a echivalent` a divizorului, amplitudinea varia\iilor poten\ialului punctului M fiind jum`tate din amplitudinea varia\iior poten\ialului bazei, a]a cum se vede [n Fig a). c) V B V B V M V M t a) b) cu bootstrap f`r` bootstrap [ntre B si M circul` un curent alternativ semnificativ V M (t) [ntre B ]i M curentul alternativ a devenit foarte mic t V B (t) Fig Poten\ialele bazei ]i punctului M f`r` bootstrap (a) ]i cu bootstrap (b). Cum am putea mic]ora acest curent? Legea lui Ohm ne ofer` r`spunsul: prin ridicarea poten\ialului (alternativ) al punctului M! Mai mult, avem toate condi\iile pentru a realiza aceast lucru: [n emitorul

15 Cap. 10. Repetoare de tensiune (pe emitor ]i pe surs`) 101 tranzistorului exist` o versiune a semnalului variabil din baz` (0.995 din acesta) ]i, [n plus, acest nod are o impedan\` mult mai mic` dec[t aceea a punctului M. Nu trebuie dec[t s` leg`m un condensator C BS de valoare suficient de mare [ntre emitor ]i punctul M. Vom mai pierde ceva din amplitudine prin [nc`rcarea ie]irii, [nc` ceva pe condensator (nu va avea impedan\a exact nul`) dar un semnal egal cu 0.99 din cel existent [n baz` tot va ap`rea [n punctul M (desenul b al Fig ). Sâ scriem, pentru varia\ii, legea lui Ohm pe rezisten\a R B3 IR3 = VB 099. VB V V = 001. B = B ; (10.16) RB3 RB3 100 RB3 se [nt[mpl` ca ]i cum baza ar fi legat` la mas` cu o rezisten\` de valoare 100 R B 3 = 5 MΩ ]i nu prin combina\ia serie din Fig b). De]i calculul a fost numai unul estimativ, putem afirma c` efectul mic]or`rii impedan\ei de intrare datorit` divizorului de polarizare este mult diminuat, aceast` impedan\` fiind acum aproape egal` cu Z in B. Bootstrap [nseamn` [n englez` "curea de cizm`", accesoriu care ajuta, prin tragere [n sus la [nc`l\area acestor obiecte. Ca [n povestirea baronului Munchausen [n care acesta se autoextrage din mla]tin` tr`g[ndu-se de cizme, to bootstrap are sensul de a se ajuta singur, a se autosus\ine. De aici vine ]i denumirea metodei prezentate, prin care poten\ialul punctului M ([n curent alternativ) este ridicat pentru a nu se mai pierde curent prin rezisten\a R B3. Metoda bootstrap diminueaz` considerabil efectul divizorului rezistiv asupra impedan\ei de intrare; cu aceast` metod`, impedan\a de intrare a etajului ajunge la valori apropiate de β. 1.D. Cuplarea capacitiv` a sarcinii P[n` acum am considerat c` rezisten\a de sarcin` este chiar rezisten\a montat` [n emitor. Atunci c[nd repetorul este utilizat pentru prelucrarea unei tensiuni continue, rezisten\a de sarcin` nici nu poate fi conectat` [n alt fel. De multe ori, a]a cum a fost cazul cu circuitul pentru m`surarea varia\iilor de temperatur` din Fig , suntem interesa\i numai de componenta alternativ` ]i, dac` am conecta sarcina direct [n emitor, ea ar fi parcurs` ]i de curentul R B1 continuu de repaus, lucru nedorit mai ales c[nd 0 C acest curent are valori mari. {n aceast` situa\ie, B rezisten\a de sarcin` este conectat` [n emitor prin CE 0 intermediul unui condensator C E de valoare ~ Z in 0 V out suficient de mare, ca [n Fig Condensatorul R B2 R C E se [ncarc` la cuplarea aliment`rii montajului cu E R S 0 o tensiune egal` cu poten\ialul de repaus al emitorului ]i, datorit` capacit`\ii sale mari, Fig Cuplarea sarcinii prin condensator. tensiunea pe el nu variaz` semnificativ dac` varia\iile lui V E [n jurul valorii de repaus sunt suficient de rapide. De]i pentru calculul polariz`rii trebuie s` \inem seama numai de rezisten\a (deoarece sarcina este separat` prin condensator) la calculul regimului de varia\ii, rezisten\a de sarcin` R S apare legat` [n paralel cu.

16 102 Electronic` - Manualul studentului Astfel, [n formulele amplific`rii ]i ale impedan\ei v`zute din baza tranzistorului, trebuie [nlocuit` cu RE '= RERS RE RS (10.17) Cuplarea sarcinii prin condensator poate s` ne induc` [n eroare atunci c[nd calcul`m excursia maxim` a poten\ialului de la ie]ire (pentru care tranzistorul nu intr` [n satura\ie sau blocare). C[nd sarcina era (cuplat` [n emitor) lucrurile erau simple, poten\ialul ie]irii putea evolua [ntre 0 ]i. Ceea ce nu ne convenea era curentul de repaus ( 2 ) care trecea prin sarcin`. 12 V 12 V 12 V tranzistor blocat 5 V 10 ma - 0 V C E R S 500 Ω 100 Ω 70 ma 20 ma - 50 ma C E 10 V 5 V R S 500 Ω 100 Ω 0 5 V 5V 4.17 V 8.33 ma 5 V - C E R S 500 Ω 100 Ω V a) repaus b) Fig Comportarea la varia\ii mari a repetorului cu sarcina cuplat` capacitiv. c) S` vedem ce se [nt[mpl` [n circuitul din Fig Poten\ialul de repaus al emitorului a fost stabilit la 5 V, curentul de repaus fiind de 10 ma (desenul a). La cre]terea brusc` a poten\ialului bazei cu 5 V, poten\ialul emitorului o urmeaz`, ajung[nd la 10 V. Conform legii lui Ohm, prin avem o cre]tere de curent de 10 ma, iar prin rezisten\a de sarcin` avem un puls de curent de 50 ma, poten\ialul ie]irii cresc[nd de la zero la 5 V (desenul b al figurii). Ce se va [nt[mpla dac` poten\ialul bazei coboar`, ca [n desenul c), de la valoarea de repaus la zero? Tranzistorul se blocheaz`, curentul lui de emitor devine nul ]i [n circuit mai r`m[n condensatorul, [nc`rcat la 5 V, ]i rezistoarele ]i R S. Curentul prin acest circuit serie va fi de 8.33 ma ; el va determina o valoare de 4.17 V a poten\ialului de emitor ]i una de -0.83V a poten\ialului ie]irii. Amplitudinile varia\iilor poten\ialului ie]irii sunt complet diferite pentru varia\iile pozitive ]i cele negative; acest lucru se [nt[mpl` deoarece tranzistorul nu poate s` absoarb` curent [n terminalul emitorului. Singura cale prin care am putea m`ri amplitudinea varia\iilor negative este mic]orarea rezisten\ei (cu men\inerea poten\ialului de repaus al emitorului). Aceasta implic` automat cre]terea curentului de repaus. {n exemplul nostru, cu RE = RS =100 Ω, putem cobor[ poten\ialul ie]irii p[n` la -2.5 V. Pre\ul pl`tit este cre]terea la 50 ma a curentului de repaus.

17 Cap. 10. Repetoare de tensiune (pe emitor ]i pe surs`) E. Proiectarea unui repetor pe emitor Primele lucruri de avut [n vedere sunt excursia de tensiune pe care trebuie s` o realiz`m pe rezisten\a de sarcin` ]i valoarea rezisten\ei de sarcin`. De aici putem calcula amplitudinea curentului alternativ prin sarcin`. A]a cum am v`zut mai sus, pentru ca acest curent s` fie disponibil trebuie s` alegem valoarea curentului de repaus mai mare dec[t amplitudinea dorit` a curentului alternativ prin sarcin`. Fie I Q aceast` valoare aleas` pentru curentul de repaus. Putem urm`ri etapele procedurii de proiectare pe desenul din Fig V 3. R B1 R B2 = C B 1 f inf R B µ F C B R B1 120k R B2 120k 1 ma 1. Alegem I Q C E 2. = 2 I Q R S 5.6 k 3.3 µ F 10 k 5. C E 1 2 f inf R S Fig Procedura simplificat` pentru proiectarea unui repetor pe emitor de putere mc`; [n exemplul numeric, frecven\a inferioar` f inf a fost luat` de 20 Hz. Poten\ialul de repaus al emitorului trebuie s` fie aproximativ la jum`tatea tensiunii de alimentare; de aici rezult` imediat valoarea rezisten\ei de emitor RE V = alim 2I ; (10.18) Q deoarece calcul`m regimul de curent continuu al polariz`rii, rezisten\a de sarcin`, cuplat` prin condensator, nu intervine aici. Divizorul rezistiv va trebui s` aib` o rezisten\a echivalent` de aproximativ β 10. Dac` o m`rim prea mult deterior`m stabilitatea termic` ]i insensibilitatea punctului static de func\ionare la [mpr`]tierea lui β ; pe de alt` parte, o valoare prea mic` produce o cobor[re inacceptabil` a impedan\ei de intrare. Poten\ialul bazei trebuie s` fie la VB = Valim V Valim 2. Din acest motiv, vom alege rezisten\ele divizorului egale; avem, deci pentru tranzisoarele de mic` putere putem miza pe β 100, a]a c` RB1 = RB2 = 2β RE 10; (10.19)

18 104 Electronic` - Manualul studentului este o alegere bun`. Pentru calculul capacit`\ii care trebuie conectat` la intrare trebuie s` estim`m mai [nt[i impedan\a de intrare, care are caracter rezistiv (pur real`). Ea este, a]a cum se vede [n Fig , combina\ia paralel a trei rezisten\e: rezisten\a echivalent` a divizorului, rezisten\a multiplicat` cu β ]i rezisten\a R S multiplicat` cu β. Dac` rezisten\a de sarcin` nu este mult mai mic` dec[t, atunci impedan\a de intrare este aproape egal` cu R B1 2. La frecven\a de t`iere f inf1 a filtrului trece-sus format de condensatorul C B ]i impedan\a de intrare (pur rezistiv`!), modulul RB1 = RB2 = 20RE (10.20) Fig Impedan\a de intrare. reactan\ei condensatorului este egal cu impedan\a de intrare. Dac` f min este frecven\a de valoare minim` ce trebuie procesat`, deducem valoarea necesar` pentru condensator Zin 1 CB 2π f Z (10.21) min in C B Z in B R B1 2 β β R S Z in = R B1 2 β R S β Alegerea condensatorului de ie]ire se face \in[nd seama c` la frecven\a de t`iere a filtrului format din condensatorul C E ]i rezisten\a de sarcin`, modulul reactan\ei condensatorului este egal cu rezisten\a de sarcin`. Rezult` de aici CE 1 2π f R. (10.22) inf S Deoarece avem dou` filtre trece sus (care rejecteaz` frecven\ele inferioare) legate [n cascad`, efectele benzilor lor de tranzi\ie se cumuleaz`. {n consecin\`, este bine s` fim prev`z`tori ]i s` lu`m capacit`\i mai mari Repetorul pe surs` (amplificatorul cu drena comun`) Dac` [nlocuim, [n repetorul pe emitor, tranzistorul bipolar NPN cu unul JFET cu canal n, ob\inem un circuit cu o func\ionare similar` (Fig a). Polarizarea montajului a fost discutat` la Capitolul 7: poten\ialul de repaus al por\ii este stabilit la zero de c`tre rezisten\a R G (curentul de poart` este practic nul) iar poten\ialul sursei este undeva [ntre 0 ]i V P. Pentru tranzistorul cu efect de c[mp, [n cazul varia\iilor mici putem construi un model identic cu cel de la tranzistorul bipolar, ca [n desenul b al figurii. Difer` numai valoarea rezisten\ei dinamice rs = 1 gm, deoarece transconductan\a tranzistoarelor cu efect de c[mp este mult mai mic` dec[t a celor bipolare. Dac` relu`m formula (10.12) amplific`rii ]i o exprim`m [n transconductan\`, ob\inem A = RS RS rs gmrs 1 = = 1 gmrs 1 1( gmrs) (10.23)

19 Cap. 10. Repetoare de tensiune (pe emitor ]i pe surs`) 105 La curen\i de c[\iva ma, transconductan\a tranzistoarelor cu efect de c[mp este de c[tiva ms; astfel, pentru R S = 5 kω produsul gmrs este [n jur de 10. {n consecin\`, valoarea amplificarii repetorului pe surs` este de , mai mic` dec[t amplificarea de a repetorului pe emitor. V in - C G V G R G 1 M Ω G S D V S R S V out - V in = V G V GS G tensiune constanta S D r s = 1 g m V S V R out S - a) b) Fig Repetorul pe surs`. Principalul avantaj al repetorului pe surs` este impedan\a sa de intrare. Privind [nspre poart`, impedan\a la frecven\e joase este extrem de mare ( Ω) astfel [nc[t impedan\a de intrare a etajului este dictat` practic numai de rezisten\a de polarizare R G. Cum valoarea curentului de repaus din poart` este infim`, rezisten\a R G poate fi aleas` f`r` probleme [n intervalul 1-10 MΩ. Impedan\a de intrare a repetorului pe surs` poate ajunge u]or la 1-10 MΩ, f`r` s` fie nevoie de utilizarea metodei bootstrap. {n privin\a impedan\ei de ie]ire, lucrurile sunt simple, dar nepl`cute. Impedan\ei de ie]ire v`zut` privind [nspre surs` este Zout S = rs =1 gm ; (10.24) [ntruc[t curentul de poart` este nul, impedan\a legat` [ntre poart` ]i mas` nu apare [n aceast` expresie. Deoarece transconductan\a este mic` impedan\a de ie]ire a repetorului pe surs` nu este foarte mic`, av[nd valori de sute de Ω. Nici vorb` s` ajungem la 2.5 Ω, ca [n cazul unui tranzistor bipolar operat la un curent de 10 ma. Observa\ie: Amplificarea mai mic` se datoreaz` tocmai impedan\ei de ie]ire, care formeaz` cu rezisten\a R S un divizor; cum impedan\a de ie]ire nu este mic`, pe ea se pierde o parte din semnal.

20 106 Electronic` - Manualul studentului Dezavantajele legate de impedan\a de ie]ire insuficient de mic` ]i de amplificarea nu foarte aproape de unitate se pot rezolva simplu, prin introducerea suplimentar` a unui tranzistor bipolar, ca [n Fig , montat [ntr-o configura\ie de repetor pe emitor. Impedan\a de ie]ire a [ntregului circuit este aceea a repetorului pe emitor care, a]a cum ]tim, este foarte mic`. De data aceasta, sursa tranzistorului JFET nu mai debiteaz` pe o rezisten\a legat` cu cel`lalt cap`t la mas`; fiind conectat` [n paralel pe jonc\iunea baz`-emitor, tensiunea pe rezisten\a R S este men\inut` aproape constant`, deci curentul prin rezisten\` este aproape constant. Sursa tranzistorului JFET vede aceast` rezisten\` ca pe o surs` de curent aproape ideal`, adic` de impedan\` foarte mare. De asemenea, impedan\a de intrare [n baza tranzistorului bipolar este foarte mare. {n consecin\`, [n formula amplifc`rii in C G R G 1 M Ω R S - V SS out V DD Fig Repetor de tensiune cu JFET ]i tranzistor bipolar. 1 A = 1 1( gmrs) (10.25) [n locul lui R S apare o impedan\` foarte mare ]i amplifiarea devine foarte apropiat` de valoarea 1. Observa\ie: Tehnica prin care rezisten\a R S este v`zut` [n curent alternativ ca fiind mult mai mare este identic` cu metoda bootstrap pe care am aplicat-o la repetorul pe emitor; de data aceasta nici m`car nu am mai avut nevoie de condensator, leg[nd cap`tul lui R S direct [n emitorul tranzistorului. Ca ]i [n cazul repetorului pe emitor, [ntre poten\ialul de intrare ]i cel de ie]ire exist` un decalaj aproape constant. Dac` la repetorul pe emitor acesta era de 0.6 V, la repetorul pe surs` decalajul depinde de parametrii V P ]i I DSS ai tranzistorului. Deoarece ace]ti parametri au o [mpr`stiere tehnologc` mare la repetorul pe surs`, decalajul [ntre poten\ialul de intrare ]i cel de ie]ire are o predictibilitate proast`, ajung[nd la nedetermin`ri de ordinul vol\ilor.

21 Cap. 10. Repetoare de tensiune (pe emitor ]i pe surs`) 107 Enun\uri frecvent utilizate (at[t de frecvent [nc[t merit` s` le memora\i) -Amplificarea se define]te pentru regimul sinusoidal permanent; ea este, [n general, o m`rime complex` ]i depinde de frecven\`. -La frecven\a nul` (curent continuu) amplificarea este pur real` ]i este raportul varia\iilor cuasistatice de la ie]ire ]i, respectiv, intrare. -Pentru frecven\e joase, neglij`m timpul de r`spuns al tranzistoarelor ]i capacit`\ile lor parazite; [n consecin\` amplificarea va fi real`, independent` de frecven\`, iar [n calculul ei vor interveni rezisten\ele dinamice definite [n jurul punctului de func\ionare. - Repetorul pe emitor are amplificarea foarte pu\in mai mic` dec[t unitatea; dac` sarcina este rezisten\a din emitor, eroarea relativ` pe care o facem consider[nd mplificarea unitar` este de ordinul 25 mv V E, unde V E este c`derea de tensiune [n repaus pe rezisten\a din emitor. -Impedan\a de intrare v`zut` privind [n baza tranzistorului este de β ori ai mare dec[t impedan\a sarcinii cuplat` [n emitor; aceast` imedan\a poate ajunge la 1-5 MΩ. -Polarizarea repetorului se face cu un divizor rezistiv; din condi\iile de stabilitate termic` ]i insensibilitate la [mpr`]tierea lui β rezult` c` rezisten\a echivalent` a divizorului trebuie s` fie aproximativ β 10. -Rezisten\a echivalent` a divizorului apare [n paralel la intrare, reduc[nd cu un factor de 10 valoarea impedan\ei de intrare; acest inconvenient se remediaz` prin metoda bootstrap. -Impedan\a de ie]ire v`zut` [n emitorul tranzistorului este foarte mic`, fiind egal` cu 25 mv I C ; aceasta este 25 Ω la un curent de 1 ma ]i coboar` la 2.5 Ω la 10 ma. - Dac` generatorul de semnal nu este ideal (cu impedan\` nul`), la valoarea de mai sus se mai adaug` R B β, unde R B este impedan\a echivalent` legat` [n baz` (divizorul [n paralel cu rezisten\a generatorului de semnal); pentru a a avea impedan\a de ie]ire cobor[t`, rezisten\a generatorului trebuie s` fie mai mic` dec[t 25 mv I C. - Principala aplica\ie a repetorului pe emitor este adaptarea de impedan\` [ntre un generator de semnal ]i o sarcin`. -Repetorul pe emitor poate fi utilizat ]i pentru excursii mari ale tensiunii de ie]ire deoarece distorsiunile sunt foarte mici; ob\inerea unor varia\ii mari de curent prin sarcin` necesit`, totu]i, curen\i de repaus mari deoarece repetorul nu poate absorbi curent prin emitor. - Repetorul pe surs` (amplificatorul cu tranzistor FET cu drena comun`) are amplificarea subunitar`, mai mic` dec[t a repetorului pe emitor. - Impedan\a de ie]ire a repetorului pe surs` nu este foarte mic`, ajung[nd la c[teva sute de Ω. - Inconvenientele de mai sus sunt contrabalansate de u]urin\a cu care se pot ob\ine impedante de intrare foarte mari, f`r` s` mai fie nevoie de utilizarea metodei bootstrap. -Conectarea, dup` repetorul pe surs`, a unui repetor pe emitor elimin` dezavantajele legate de amplificare ]i impedan\a de ie]ire; mai r`m[ne s` ne deranjeze numai proasta predictibilitate a decalajului [ntre poten\ialele de intrare ]i ie]ire.

22 108 Electronic` - Manualul studentului Termeni noi -repetor de tensiune circuit la ie]irea c`ruia varia\iile tensiunii sunt practic egale cu cele ale tensiunii de intrare; [ntre poten\ialele de ie]ire ]i de intrare exist`, [n general, un decalaj constant; - amplificator cu colector comun circuit realizat cu un tranzistor bipolar la care intrarea se face pe (repetor pe emitor) baz` iar ie]irea este [n emitor, colectorul tranzistorului fiind men\inut la un poten\ial constant; -inmitan\a unui nod raportul [ntre poten\ialul de curent alternativ al nodului respectiv ]i curentul alternativ absorbit de la un generator de semnal care ar fi cuplat la nodul respectiv, [n condi\iile pasiviz`rii circuitului (poten\ialul ]i curentul sunt considerate m`rimi complexe); [n general este o m`rime complex` ]i depinde de frecven\`; - impedan\a v`zuta la un nod raportul [ntre poten\ialul de curent alternativ al nodului respectiv ]i privind [nspre o anumit` ramur` curentul alternativ absorbit prin acea ramur` de la un generator de semnal care ar fi cuplat la nodul respectiv, [n condi\iile pasiviz`rii circuitului; - impedan\a de intrare a unui inmitan\a nodului de intrare (condi\iile de la ie]ire trebuie amplificator precizate); - impedan\a de ie]ire a unui inmitan\a nodului de ie]ire (condi\iile de la intrare trebuie amplificator precizate); - rezisten\a intrinsec` r e rezisten\a dinamic` ce modeleaz` varia\iile tensiunii baz`-emitor a emitorului provocate de varia\iile curentului de colector; depinde de punctul de func\ionare, fiind invers propor\ional` cu valoarea curentului de repaus; -bootstrap metod` prin care o rezisten\a prin care se face polarizarea bazei tranzistorului este "v`zut`" dinspre baz`, [n curent alternativ, ca o impedan\` de valoare mult mai mare; acest lucru se realizeaz` for\[nd cel`lalt cap`t al rezisten\ei s` urm`reasc` varia\iile de poten\ial ale emitorului; metoda elimin` mic]orarea impedan\ei de intrare a repetorului provocat` de circuitul de polarizare; -amplificator cu drena comun` circuit realizat cu un tranzistor cu efect de c[mp, la care intrarea se (repetor pe surs`) face pe poart` iar ie]irea este [n surs`, drena tranzistorului fiind men\inut` la un poten\ial constant;