Zesilovač s tranzistorem MOSFET

Transkript

1 Cvičení 8 Zesilovač s tranzistorem MOFET Nastavení klidového pracovního bodu a mezní parametry tranzistoru imulace vlivu teploty na polohu P, stabilizace Náhradní Lineární Obvod tranzistoru MOFET, odečet parametrů Aplikace tranzistoru MOFET v zesilovači malého signálu: zapojení a význam jednotlivých obvodových prvků, analýza parametrů: zisk, vstupní a výstupní odpor - Ppice Měření na zesilovači malého signálu s tranzistorem MOFET a analýza výstupních dat (Excel) Elektronické prvky A2B34ELP

2 Volba polohy klidového pracovního bodu P Omezení:. mezními parametry I [ma] I max Výstupní U P tot U I I [na] Vstupní U max U U BU U max U max rain-ource Voltage Maximum I Continuous rain Current I M Pulsed rain Current U max ate-ource Voltage Maximum P tot Power issipiation BU rain-ource Breakdown Voltage

3 Volba polohy klidového pracovního bodu P Omezení: I [ma] Výstupní. mezními parametry 2. nelinearitami charakteristiky I max U P tot U I P I [na] Vstupní U max U U BU U max U max rain-ource Voltage Maximum I Continuous rain Current I M Pulsed rain Current U max ate-ource Voltage Maximum P tot Power issipiation BU rain-ource Breakdown Voltage

4 Volba polohy klidového pracovního bodu Kde a Jak? I U Většinou dáno použitým zdrojem > U fixní, dle U volí tranzistor s odpovídajícím U max R R omezuje polohu P ve výstupní charakteristice, ovlivňuje zisk a omezuje P max U U I [ma] R < R 2 < R 3 I max Minimimální hodnota R je dána maximálním ztrátovým výkonem tranzistoru. Zdroj dodává max. výkon do zátěže (FETu) je-li U U /2 U R 3 P tot U I R 2 P max > U P * I P U /2 * U /(2*R ) 2 U R min > 4P max R 3 U /2 U U U max BU

5 Kde a Jak? I [ma] I max U U P tot U I I R P /2ΔU U U U U max BU U U Optimální poloha P pro třídu A by měla garantovat maximální rozkmit pracovního bodu v lineární části převodní charakteristiky U /2 P P P o volit uprostřed její lineární části volba U U /2 nemusí být ideální! W/L3 W/L3 U

6 Způsoby nastavení polohy klidového pracovního bodu U U I R I R U U U R s I (U -U )/R () rozptyl parametrů rozptyl parametrů I I P 2 U /R I () I P 2 I 2 P U I 2 P U U konst U

7 Ppice MOFET Zesilovač třídy A ) pustit Capture/esign Entry CI 2) File Open Project..8_MOFET_analog.opj K dispozici jsou čtyři simulační profily:. Pracovní bod 2. tejnosměrná analýza nastavení R g 3. Zesilovač osciloskop 4. Zesilovač- nastavení C Určete polohu pracovního bodu tranzistoru B7 pro různé volby odporů R x a R při teplotách 25 a 25 o C (profil ). Proveďte simulaci vlivu teploty na závislost napětí U na změně odporu R x pro různé hodnoty odporu R (profil 2). Výsledky zpracujte v Excelu.

8 Zpracování výsledků list Poimulace. zde vložit nasimulované závislosti U f(r x ) pro teploty 25 a 25 o C R Ω R Ω 2. zjistit hodnotu R x nutnou pro nastavení U U /2 pro T 25 o C 3. určit jak se změní U,, stoupne-li teplota na 25 o C (pro zjištěné R x ) 25 o C 25 o C U U /2 U? R x

9 MOFET jako zesilovač malého signálu převodní charakteristika I f(u ) pro okolí P lze považovat za lineární u MOFETu platí pokud <<2(U -U T ) I Δi P I t [s] U U U T - R d Δi t [s]

10 I MOFET jako odporový dvojbran U U 2 I popsán dvojicí nelineárních časově neproměnných rovnic U h ( I, ) U2 I h ( I, ) 2 2 U2 I I I I U U U U FET > řídící veličiny jsou napětí I y ( U, U ) I y 2 ( U, U )

11 Linearizace pro okolí P I I U U I y ( U, U ) Δi y + y 2 I y 2 ( U, U ) Δi y + 2 y 22 Δi Δi y I U P y 2 I U P y 2 I U P y 22 I U P

12 Linearizace pro okolí P Δi Δi MOFET I Δi y,y2 Δi y + 2 y 22 NLO pro změny veličin Δi g m r o Δi y y Δi 2 gm P Δi 22 /r P

13 iferenciální strmost g m g m g m g y m 2 y 2 Δi P 3.7mA - 3.5mA 3.4V - 3.V g m 25.5 m I U P rozměr [A/V] resp. [] typické hodnoty ma/v A/V tanovit lze z poměru diferencí Δi ku 25 I [ma] Δi Δi g m u u 2 P Δi r o U U u -u

14 iferenciální výstupní odpor r Δi Δi r / y 22 U I P g m r o rozměr [Ω] typické hodnoty kω kω tanovit lze z poměru diferencí ku Δi 25 I [ma] 2 U 3.6 r / y 22 r r Δi 4V - V 8mA - 7mA 4 kω P Δi 5 5 P U

15 Excel:list NLO odečet parametrů NLO. Vykreslení charakteristiky - zadat parametry tranzistoru a napětí U 2. Zadat charakteristiku zdroje (U, R ). 3. Určit polohu P 4. Odečíst parametry NLO (g m, r ) P 5. Zadat parametry vykreslí se charakteristika NLO

16 Zesilovače třídy A s tranzistorem MOFET U R R C C 2 B7 2 R 2 R s C s R Z Význam jednotlivých obvodových prvků: U C napětí stejnosměrného napájecího zdroje vstupní harmonický signál vazební kapacita pro navázání vstupního signálu R R 2 napěťový dělič pro nastavení napětí U (P ) R R zatěžovací odpor tranzistoru nastavení zpětné vazby pro stabilizaci P, příp. nastavení napěťového zisku C C 2 R Z blokovací kondenzátor pro střídavé přemostění odporu R vazební kapacita pro navázání výstupního signálu do zátěže R Z zátěž zesilovače

17 Využití NLO pro harmonickou analýzu zesilovače Příklad: Určete napěťové zesílení A u 2 / zesilovače s tranzistorem MOFET. Zadáno: U 5V, R 68, R 82k, R 2 22k, R Z M, C n, C 2 μ, fkhz, tranzistor je zadán charakteristikou. U 25 I [ma] R U R C C U R 2 R Z

18 Řešení: A. tejnosměrná (C) analýza nalezení P tranzistoru. Zjednodušení obvodu - odstranění střídavých zdrojů - odstranění obvodových prvků, které se při C řešení neuplatní: - kapacitory rozpojené svorky - induktory zkrat U U R R C C 2 R R 2 R Z R 2

19 C řešení: U 5V. Popsat obvod ve shodě s charakteristikou R 82k I I I R 68 R 2 22k U U 25 I [ma] U U

20 C řešení: R 82k R 2 22k U 5V R 68 U R I + U () I I Úpravou I U U 25 I [ma]. Popsat obvod ve shodě s charakteristikou 2. estavit obvodové rovnice 2 U R I + R 2 I (2) U R 2 I (3) U 3.6 I (U -U )/R () zatěžovací charakteristika zdroje U R U U (R 2 /(R +R 2 )) (2)+(3) nezatížený napěťový dělič R R 2 U 5V (22/(22+82)) 3.7V U

21 C řešení: R 82k R 2 22k I I U 5V R 68 I U I (U -U )/R () vynést graf () U Pracovní bod tranzistoru P je dán průsečíkem grafu rovnice () s vrstevnicí výstupní charakteristiky pro U 3.2V. P [U, U,I ] P [3.2V, (9.75V,7.5mA] 25 I [ma]. Popsat obvod ve shodě s charakteristikou 2. estavit obvodové rovnice 3. rafické řešení 2 5 I 7.5mA U 3.7V U /R vybrat nejbližší vrstevnici charakteristiky pro U P v charakteristice U 5 3. U U 9.75V U

22 Δi Δi B. Určení parametrů NLO pro daný P : P [U, U,I ] g m r o P [3.2V, (9.75V,7.5mA] g m y 2 Δi P 3.7mA - 3.5mA g m 3.4V - 3.V g m 25.5 m 25 I [ma] Δi u u 2 P U U u -u

23 Δi Δi Určení parametrů NLO pro daný P : P [U, U,I ] g m r o P [3.2V, (9.75V,7.5mA] 25 I [ma] U 3.6 r / y22 Δi P r 4V - V 8mA - 7mA Δi 5 P r 4 kω U 2.8

24 Řešení: C. AC analýza řešení harmonického ustáleného stavu s NLO. Zjednodušení obvodu - odstranění ss zdrojů: - ss zdroje napětí zkratovat (du/dt ) - ss zdroje proudu odpojit (di/dt ) U R R C C 2 R 2 R Z 2 R R C C 2 R 2 R Z 2

25 Řešení: C. AC analýza řešení harmonického ustáleného stavu s NLO. Zjednodušení obvodu - odstranění ss zdrojů: - ss zdroje napětí zkratovat (du/dt ) - ss zdroje proudu odpojit (di/dt ) 2. Náhrada tranzistoru jeho NLO (pozor na správné připojení!) R R C C 2 R 2 R Z 2 C C 2 R //R 2 g m r R R Z 2

26 Řešení: C. AC analýza řešení harmonického ustáleného stavu s NLO 3. Uvážení uplatnění vazebních kapacit C C 2 R //R 2 g m r R R Z 2 Pro optimální navázání vstupního signálu musí platit: XC << 2πfC C 2πf (R R //R (22k//82k) >> //R2) tj. reaktance C je zanedbatelná vůči R //R 2.92 nf Vzhledem k tomu, že C nf, podmínka platí a kapacitor C lze nahradit zkratem.

27 Řešení: C. AC analýza řešení harmonického ustáleného stavu s NLO 3. Uvážení uplatnění vazebních kapacit C C 2 R //R 2 g m r R R Z 2 Pro optimální navázání výstupního signálu musí platit: XC2 << (R Z + r 2πfC C 2 >> 2 2πf (R Z + r //R ) //R ) tj. reaktance C 2 je zanedbatelná vůči R Z a R výst.6 nf (M + 4k//68) Vzhledem k tomu, že C 2 μf, podmínka platí a kapacitor C 2 lze nahradit zkratem.

28 Řešení: C. AC analýza řešení harmonického ustáleného stavu s NLO 4. estavení obvodových rovnic a řešení R //R 2 g m 2 r R R Z 2 gm (r //R // R Z ) A u 2 g m (r //R // R Z ) A u m (4kΩ//68Ω//MΩ) - 6.6

29 Měření zesilovače třídy A s tranzistorem MOFET Cíl: změřit napěťové zesílení zesilovače malého signálu třídy A s tranzistorem MOFET a porovnat naměřené hodnoty se simulací a analytickým odhadem Katalogový list tranzistoru B7F PARAMETRY@podmínky U rain-ource Voltage 6 V I T amb 25ºC Continuous rain Current.5 A I M Pulsed rain Current 3 A U ate ource Voltage ±2 V P tot T amb 25ºC Power issipation 33 mw BU I μa, U V rain-ource Breakdown Voltage 6-9 V U (th) I ma, U U ate-ource Threshold Voltage.8-3 V I U 5V, U V ate-body Leakage na R (on) U V, I 2mA tatic rain-ource On-tate Resistance 5 Ω g fs U V, I 2mA Forward Transconductance 2 m C U V, U V, MHz Input Capacitance 6 pf t d(on) U 5V, I 6mA Turn-On elay Time ns t d(off) U 5V, I 6mA Turn-Off elay Time ns

30 Měření zesilovače třídy A s tranzistorem MOFET U C in R B7 R C out 2 R 2 R s C s R Z Význam jednotlivých obvodových prvků: U 5V napětí stejnosměrného napájecího zdroje C in harmonický signál z RC generátoru, volit mv, f khz vazební kapacita pro navázání vstupního signálu R R 2 napěťový dělič pro nastavení napětí U (P ), votit tak, aby U U /2 R R zatěžovací odpor tranzistoru nastavení zpětné vazby pro stabilizaci P, příp. nastavení napěťového zisku C C out R Z blokovací kondenzátor pro střídavé přemostění odporu R vazební kapacita pro navázání výstupního signálu do zátěže R Z zátěž zesilovače osciloskop R Z MΩ

31 Měření zesilovače třídy A s tranzistorem MOFET U C in R B7 R C out 2 R 2 R s C s R Z Úkol měření: Změřte dvoukanálovým osciloskopem napěťové zesílení A u 2 / zesilovače s tranzistorem MOFET pro uvedené kombinace hodnot prvků R, R a C. Experimentální výsledky porovnejte s výsledky simulací a teoretickým odhadem. k k k k R R C u k u k

32 Odhad nastavení polohy klidového pracovního bodu U Katalogové údaje tranzistoru B7 R? I B7 R k U U /2 U T g U A.9V 2mA/V@2mA V R 2 k R s 2 / W gm β n kn L 2 I ma/v 2 I U U /2 7.5V > I (U U )/(R +R ) 7.5V/Ω 6.9mA U I I ( ) βn U UT U 2 + UT V 2 β n R R R2 U U + R I + R V R U R V 47k

33 Odhad parametrů NLO v klidovém pracovním bodě Δi NLO Δi Katalogové údaje tranzistoru B7 U T.9V g m r o g U A 2mA/V@2mA V P [U, U,I ] P [2.27V, 7.5V,6.9mA] UA + UP ro kω 5.6kΩ I 6.9 P g m I U P d du gm 2βnI mA/V 2 β n 2 ( U U ) β ( U U ) T P I n 2 β n T současně ( U U ) 2 T

34 Volba vazebních kapacit U R R C out C in B7 2 R 2 R s C s R Z Pro optimální navázání vstupního signálu musí platit C 2πf (R (42k//k) >> in //R2) 2 nf XC in << 2πfC Pro optimální navázání vstupního signálu musí platit XC out << (R Z + r//r) 2πfC out in R //R 2 C out >> 2πf (R Z + r //R ) (M + 5.6k//).6 nf

35 C in Vliv blokovací kapacity C C out R //R 2 g m 2 r R R Z R s C s A. Blokovací kapacitor C střídavě zkratuje odpor R XC 2πfC << R r // + R g r m //R + Z R // g m C >> 2πf (R // g m ) 7.5 μf

36 A. Blokovací kapacitor C střídavě zkratuje odpor R Výsledný NLO R //R 2 g m 2 r R R Z A u 2 g m (r //R // R Z ) A u - 37m (5.6kΩ//Ω//MΩ)

37 C in Vliv blokovací kapacity C C out R //R 2 g m 2 r R R Z R s B. Blokovací kapacitor C se neuplatní resp. C je nulová XC 2πfC >> R // r + R g r m //R + Z R // g m C << 2πf (R // g m ) 7.5 μf

38 B. Blokovací kapacitor C se neuplatní resp. C je nulová Výsledný NLO R //R 2 g m 2 r R R Z R s R Δi!!! A u 2 r + R gmr + R R//R //R + Z Z g m r R 7.8 R Z R << r A u g + R g R m m

39 Přípravek Zesilovač s tranzistorem MOFET U R R C out volba odporu R C in B7 R Z 2 R 2 R s C s regulace U volba C out propojit B7F volba C in volba odporu R volba C

40 Zapojení pro měření napěťového zisku U ~ mv, f khz regulace U Δ C in R R C out u u 2 R 2 B7 A B R s C s OC Δ R k U 5V OC CH C in n R C out u OC CH2 2 C

41 Ppice MOFET Zesilovač třídy A ) pustit Capture/esign Entry CI 2) File Open Project..8_MOFET_analog.opj K dispozici jsou čtyři simulační profily:. Pracovní bod 2. tejnosměrná analýza nastavení R g 3. Zesilovač osciloskop 4. Zesilovač- nastavení C Určete napěťové zesílení zesilovače A u 2 / pro různé hodnoty blokovací kapacity C (profil 3). Výsledky porovnejte z měřením a zpracujte v Excelu (list Zesilovač). Proveďte simulaci vlivu volby vazební kapacity C in na přenosovou charakteristiku A u (f) (profil 4). Výsledky porovnejte s měřením.

42 Zpracování výsledků list Zesilovač. Zapsat hodnoty zvolených vazebnich kapacit 2. Pro R k, R nastavit P tranzistoru (při simulaci i při měření) tak, aby U ~U /27.5V. Nastavenou hodnotu zaznamenejte do Tab Zanamenat naměřené (nasimulované) hodnoty šš a 2šš Tab Zde vložit nasimulované časové průběhy vstupního u a výstupního u2 napětí (R k, R, C u).