Zadání semestrálních prácí z předmětu Elektronické obvody. Jednodušší zadání

Transkript

1 Zadání semestrálních prácí z předmětu Elektronické obvody Jiří Hospodka katedra Teorie obvodů, ČVUT FEL 26. května 2008 Jednodušší zadání Zadání 1: Jednostupňový sledovač napětí maximální počet bodů 10 b Zadání 2: Jednostupňový sledovač napětí Zapojení zesilovače je uvedeno na obrázk. Navrhněte velikost odporu R 4 tak, aby kolektorový proud tranzistoru v pracvním bodě byl I C =0.7 ma. Stejnosměrný proudový zesilovací činitel tranzistoru uvažujte B F = 200. Vypočtěte co nejpřesněji hodnotu přenosu napětí a přibližné hodnoty vstupního a výstupního odporu zesilovače pro malé změny obvodových veličin ve středním kmitočtovém pásmu. Dále určete hodnoty oddělovacího kapacitoru C 1,abydolnímezníkmitočetbyl f d < 20Hz. Hodnotu vazebního kapacitoru C v uvažujte velmi vysokou (C v ). Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Model tranzistoru volte podle typu BC549B, přičemž parametr Bf změňte na hodnot00. Počítačovou analýzou dále zjistěte horní mezní kmitočet celého zapojení. Obdržené výsledky komentujte. C 1 U cc =15V R 3Cv R 4 = =22kΩ R B =10kΩ B F = β = 200 U A Obrázek 1: Jednostupňový sledovač napětí. Zadání 3: Proudový zdroj s operačním zesilovačem 10 b Zapojení zdroje je uvedeno na obrázk. Navrhněte velikosti rezistorů a tak, aby výstupní proud I 2 byl 50 ma. Velikost napájecího napětí U cc =20V, napájecí napětí operačního zesilovače uva6ujte nesymetrick0 +20 Va 5 V. Zenerovo napětí diody volte malé (např. 1.2 V), aby stabilizace proudu fungovala v co nejširším rozsahu výstupního napětí U 2. Zvolte rovněž vhodný typ tranzistoru. Navržené zapojení analyzujte pomocí programu WinSpice. Model bipolárního tranzistoru volte podle použitého typu, model operačního zesilovače podle typu 741 (nejlépe základní makromodel). Analyzujte zatěžovací charakteristiku zdroje a určete určete hodnotu výstupního odporu zdroje. Proveďte rozbor dosažených výsledků a návrh změn vedoucích ke zlepšení vlastností zdroje (výstupního odporu). 1

2 Poznámka. Vlastnosti zdroje lze dobře analyzovat stejnosměrnou analýzou, při zatížení stabilizátoru napěťovým zdrojem. Výstupní odpor je pak možné odečíst přímo ze zatěžovací charakteristiky nebo jej lze určit pomocí příkazu TF. 2

3 I 2 OZ U 2 D 1 Obrázek 2: Proudový zdroj s operačním zesilovačem. Zadání 4: Okénkový komparátor s operačním zesilovačem 10 b Zapojení neinvertujícího, resp. invertujícího komparátoru je uvedeno na obrázku 3 (a), resp. 3 (b). Navrhněte velikosti rezistorů tak, aby rozhodovací úrovně překlápění byly d =5Vah = 5 V při napájecím napětí U cc =15V. Výpočet proveďte pro obě varianty obvodu. Saturační napětí U CES volte 0.1 V. Navrhněte úpravu obou zapojení tak, aby komparační úrovně byly nesymetrické, atod =0Vah =+5V. Funkci zapojení ověřte jeho simulací v programu WinSpice. Vykreslete převodní charakteristiku obvodu a zjistěte, jak se změní rozhodovací úrovně při změně napěťové nesymetrie operačního zesilovače na ±5 mv. Dále zjistěte jak se změní rozhodovací úrovně, jestliže změníme napájecí napětí U cc o ±10 %. Přechodovou analýzou ověřte rychlost překlápění obvodu jak z horní, tak z dolní úrovně. Model operačního zesilovače volte typu 741. Přechodovou analýzu proveďte také pro skutečný komparátor (ne pro operační zesilovač). Pro návrh a analýzu volte tranzistoru typu BC549B. (a) (b) Obrázek 3: Neinvertující (a) a invertující (b) okénkový komparátor s operačním zesilovačem. Zadání 5: Stejnosměrně vázaný zesilovač SE-SC 10 b Zapojení zesilovače je uvedeno na obrázku 4. Navrhněte velikost odporu R tak, aby stejnosměrná složka výstupního napětí byla nulová při nulové stejnosměrné složce vstupního napětí. Vypočtěte přenos napětí, vstupní a výstupní odpor zesilovače pro malé změny obvodových veličin ve středním kmitočtovém pásmu. Uvažujte vnitřní odpor napájecího zdroje R s = 200 Ω Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Model tranzistoru volte podle typu BC249B, přičemž parametr Bf změňte na hodnotu podle zadání. Počítačovou analýzou 3

4 dále zjistěte horní mezní kmitočet celého zapojení i každého stupně zvlášť. Objasněte, které parametry obvodu mají dominantní vliv na tento kmitočet a pokuste se zvýšit jeho hodnotu, aniž byste změnili nastavení pracovních bodů obou tranzistorů i vlastnosti celého zesilovače. Dále analyzujte zkreslení výstupního signálu pro kmitočet 10 khz a amplitud V. R R v R E2 U cc =10V R E1 = R E2 =1kΩ R v =10kΩ B = β T1 = β T2 = 200 U A R E1 Obrázek 4: Stejnosměrně vázaný zesilovač. Zadání 6: Kombinovaný zesilovací stupeň SC-SB 10 b Zapojení zesilovače je uvedeno na obrázku 5. Navrhněte vhodnou velikost odporu R. Stejnosměrný proudový zesilovací činitel obou tranzistorů uvažujte B F = h 21E = 200. Vypočtěte hodnoty přenosu napětí, vstupního a výstupního odporu zesilovače pro malé změny obvodových veličin ve středním kmitočtovém pásmu. Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Model tranzistoru volte podle typu BC549B, resp.bc559b, přičemž parametr Bf změňte na hodnot00. Počítačovou analýzou dále zjistěte horní mezní kmitočet celého zapojení i každého stupně zvlášť. Obdržené výsledky komentujte. Změnou hodnot parametrů I, R, případně U cc se pokuste zvýšit horní mezní kmitočet zapojení, při shodných modelech tranzistorů. Výsledky doložte analýzou v programu WinSpice. T 3 T 4 U cc =10V I =2mA B F = β = 200 U A R I Obrázek 5: Kombinovaný zesilovací stupeň SC-SB. Zadání 7: Kaskoda s tranzistory MOS 10 b Zapojení zesilovače je uvedeno na obrázku 6. Určete velikost odporů, a R S tak, aby proud drainů obou tranzistorů v pracovním bodě byl I D =1mA. Parametry tranzistorů jsou zadány na obrázku 6. Vypočtěte hodnoty přenosu napětí, vstupního a výstupního odporu zesilovače pro malé 4

5 změny obvodových veličin ve středním kmitočtovém pásmu. Dále určete hodnoty kapacitorů C 1, C 2 a C S ) tak, aby dolní mezní kmitočet byl f d < 20Hz. Hodnotu blokovacího kapacitoru C B uvažujte velmi vysokou (C B ). Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Model tranzistoru volte podle typu BS170, upravený podle zadaných hodnot parametrů obou tranzistorů. Počítačovou analýzou dále zjistěte horní mezní kmitočet celého zapojení. Obdržené výsledky komentujte. C 1 R 3 R S R D C 2 U cc =15V C B R 3 = 100 kω R z R D =5kΩ R z =10kΩ K = β =0.2mA/V 2 C S U T =1.8V λ =0V 1 Obrázek 6: Kaskoda s tranzistory MOS. Zadání 8: Zesilovač s dynamickou zátěží 10 b Zapojení zesilovače spolu s hodnotami součástek a parametrů obou tranzistorů je uvedeno na obrázku 7. Vypočtěte pracovní body obou tranzistorů, hodnoty přenosu napětí, vstupního a výstupního odporu zesilovače pro malé změny obvodových veličin ve středním kmitočtovém pásmu. Dále určete hodnoty oddělovacích kapacitorů C 1 a C 2 tak, aby dolní mezní kmitočet byl f d < 20Hz. Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Model tranzistoru volte podle typu BC549B, resp.bc559b, přičemž parametr Bf změňte na příslušnou velikost. C 1 C 2 I U cc =10V I =1mA = 500 kω = 100 kω B F 1 = β T1 =10 B F 2 = β T2 = 100 U A = 100 V Obrázek 7: Zesilovač s Darlingtonovým spojením tranzistorů, využívající zpětnou vazbu a dynamickou zátěž. 5

6 Zadání 9: Proudová zrcadla 10 b Zapojení základního proudového zrcadla je uvedeno na obrázku 8 (a), vylepšené Wilsonovo zrcadlo je pak uvedeno na obrázku 8 (b). Analyzujte tyto zrcadla i jejich modifikace s tranzistory MOS podle následujících pokynů. Odvoďte obecný vztah pro stejnosměrný proudový přenos I2 I 1 pro všechny uvedená zrcadla (obrázek 8 (a), (b) a jejich modifikace s tranzistory MOS). Při výpočtu uvažujte stejnosměrný zesilovací činitel bipolárních tranzistorů B F = 200 a převodní konstantu K =0.2mA/V 2 pro tranzistory MOSFET. Vliv Earlyho jevu pro tento výpočet zanedbejte. Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Model tranzistoru MOS volte podle typu BS170, upravený podle zadaných hodnot jeho parametrů. Model bipolárních tranzistorů volte podle typu BC549B, přičemž parametry Bf a Vaf změňte na příslušnou velikost, podle výše uvedených hodnot. Stejnosměrný přenos analyzujte jednak pro rozsah vstupních proudů I 1 = 0.1 až 5 ma při U 2 = konst. (a střídavé složce =0) a dále pro jmenovitou hodnotu proudu I 1 =1mA pro rozsah napětí U 2 =0.7 až 10 V pro jednoduché zrcadlo a U 2 =1.4 až 10 V pro Wilsonovo zrcadlo. Vykreslete také průběhy relativních chyb, oproti ideálnímu přenosu. Výstupní odpory analyzujte při jmenovité hodnotě stejnosměrné složky napětí U 2 =2V, a to jednak pro jmenovitou hodnotu proudu I 1 =1mA a jednak pro celý rozsah vstupních proudů. Obdržené výsledky komentujte. Poznámka. Výstupní odpory lze v programu WinSpice určit buď pomocí střídavé analýzy napětí podle obrázku nebo pomocí příkazu TF programu při použití pouze stejnosměrného zdroje U 2. U 2 U 2 I 1 I 2 + i 2 I 1 T 3 T 4 I 2 + i 2 (a) (b) Obrázek 8: Proudová zrcadla. Zadání 10: Stabilizátor napětí s proudovou ochranou 10 b Zapojení stabilizátoru je uvedeno na obrázku 9. Navrhněte velikosti rezistorů tak, aby výstupní napětí U 2 bylo přibližně 7.5 V a maximální výstupní proud I 2 = 100 ma, od kterého by měl ochranný obvod začít omezovat výstupní napětí. Zvolte také vhodné typy tranzistorů. Navržené zapojení analyzujte pomocí programu WinSpice. Modely bipolárních tranzistorů volte podle použitých typů. Analyzujte zatěžovací charakteristiku zdroje a určete činitel stabilizace ΔS = Δ /Δ v napěťovém režimu. Dále určete hodnoty výstupního odporu stabilizátoru v napěťovém režimu i proudovém režimu. Proveďte rozbor dosažených výsledků a návrh změn vedoucích ke zlepšení uvedených parametrů. Poznámka. Vlastnosti zdroje lze dobře analyzovat stejnosměrnou analýzou, při zatížení stabilizátoru proudovým, resp. napěťovým zdrojem v napěťovém, resp. proudovém režimu. Na přechodu 6

7 obou režimů je vhodné zatížit stabilizátor činným odporem odpovídající velikosti. Výstupní odpory odečtěte buď přímo z charakteristik nebo je analyzujte pomocí příkazu TF, kterým je možné jednoduše zjistit i činitel stabilizace. I 2 U 1 U 2 D 1 Obrázek 9: Stabilizátor napětí s proudovou ochranou. 7

8 Mírně složitější zadání Zadání 11: Dvoustupňový zesilovač SS-SD maximální počet bodů 12 b Zapojení zesilovače spolu s parametry obou tranzistorů je uvedeno na obrázk0. Navrhněte velikosti rezistorů tak, aby proudy drainů tranzistorů v pracvním bodě byly I D1 = 0.1 ma a I D2 =0.5mA a zároveň stejnosměrná složka výstupního napětí byla nulová. Při řešení stejnosměrných poměrů zesilovače uvažujte λ 1 = λ 2 =0V 1. Vypočítejte hodnotu přenosu napětí a výstupního odporu pro malé změny obvodových veličin ve středním kmitočtovém pásmu. Dále určete hodnoty blokovacího kapacitoru C S, aby dolní mezní kmitočet byl f d < 20Hz. Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Model tranzistoru volte podle typu BS170, resp.bs250, upravený podle zadaných hodnot parametrů obou tranzistorů. Dále analyzujte zkreslení prvního stupně a výstupního signálu pro kmitočet 10 khz a amplitud V. Obdržené výsledky komentujte. R S C S U cc =15V K1 =0.1mA/V 2 K2 =0.25 ma/v 2 U =1V U = 1 V λ 1 = λ 2 =0.01 V 1 Obrázek 10: Dvoustupňový zesilovač SS-SD. Zadání 12: Třístupňový stejnosěrně vázaný zesilovač 12 b Zapojení zesilovače je uvedeno na obrázk1. Navrhněte velikost stejnosměrné složky budícího zdroje signálu U B aodporů a R 3 tak, aby všechny tranzistory pracovaly v aktivním režimu a měly vhodně nastaven pracovní bod. Stejnosměrný proudový zesilovací činitel obou tranzistorů uvažujte B F = h 21E = 200. Vypočtěte dosažené hodnoty přenosu napětí, vstupního a výstupního odporu zesilovače pro malé změny obvodových veličin ve středním kmitočtovém pásmu. Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Model tranzistoru volte podle typu BC549B, resp.bc559b, přičemž parametr Bf změňte na hodnot00. Počítačovou analýzou dále zjistěte horní mezní kmitočet celého zapojení i každého stupně zvlášť. Obdržené výsledky komentujte. Přemostěte odpor R 3 blokovacím kapacitorem s vhodnou velikostí a opět analyzujte vlastnosti změněného zapojení včetně vyšetření stability pomocí přechodové analýzy v programu WinSpice. 8

9 U B R 3 R 4 U cc =15V T 3 =1kΩ R 4 =3.9kΩ B F = β = 200 U A Obrázek 11: Třístupňový stejnosměrně vázaný zesilovač SC-SE-SC. Zadání 13: Rozdílový zesilovač s tranzistory JFET 12 b Zapojení zesilovače je uvedeno na obrázk2 (a). Rezistory R D mají velikost R D1 = R D2 =5kΩ a napájecí napětí U cc =10V. Určete velikost odporu R S tak, aby proud drainů obou tranzistorů byl I D1 = I D2 =1mA. Vypočtěte napěťové zesílení pro rozdílový signál (1 = 2 = d /2) a pro souhlasný signál (1 = 2 = s ). Výpočet proveďte pro malé změny obvodových veličin ve středním kmitočtovém pásmu. Dále nahraďte rezistor R S proudovým zdrojem podle obrázk2 (b) a 12 (c). Určete prahové napětí tranzistoru z obrázk2 (b), pokud je K =0.32 ma/v 2 a λ =0V 1 tak, aby proud tekoucí drainem tranzistoru byl shodný s proudem odporu R S z obrázk2 (a), tj. 2 ma. Pro shodné podmínky proveďte také výpočet hodnot rezistorů R, R E, pro napětí zenerovy diody ZD 7 V a stejnosměrný proudový zesilovací činitel tranzistoru B F = 200 z obrázk2 (c). Nyní znovu vypočtěte souhlasné zesílení rozdílového zesilovače pro oba typy proudových zdrojů, přičemž vezměte v úvahu následující parametry tranzistorů proudových zdrojů: λ = V 1 a Earlyho napětí bipolárního tranzistoru U A =80V. Obdržené výsledky komentujte. Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Model tranzistoru JFET volte podle typu BF256B, upravený podle zadaných hodnot jeho parametrů. Model bipolárního tranzistoru volte podle typu BC549B, přičemž parametry Bf a Vaf změňte na příslušnou velikost. R D1 R D2 S S R S 1 R S 2 ZD R E (a) (b) (c) Obrázek 12: Rozdílový zesilovač s tranzistory JFET s různými typy napájení. 9

10 Zadání 14: Zpětnovazební stabilizátor napětí 12 b Zapojení stabilizátoru je uvedeno na obrázk3. Navrhněte velikosti všech rezistorů tak, aby výstupní napětí U 2 bylo 10 V, přičemž maximální výstupní proud, který by měl být obvod schopen dodat je I 2 = 300 ma, referenční napětí U r =5VaI r =5mA. Zvolte také vhodné typy tranzistorů. Navržené zapojení analyzujte pomocí programu WinSpice. Modely bipolárních tranzistorů volte podle použitých typů. Analyzujte zatěžovací charakteristiku zdroje a určete činitel stabilizace ΔS =Δ /Δ pro celý rozsah zatěžovacích proudů. Dále určete hodnotu výstupního odporu stabilizátoru. Proveďte rozbor dosažených výsledků, případně návrh změn vedoucích ke zlepšení uvedených parametrů. Poznámka. Vlastnosti zdroje lze dobře analyzovat stejnosměrnou analýzou, při zatížení stabilizátoru proudovým zdrojem. Výstupní odpor je pak možné odečíst přímo ze zatěžovací charakteristiky nebo jej lze určit pomocí příkazu TF, kterým je možné jednoduše zjistit i činitel stabilizace. I 2 R 3 U 2 T 3 U r D 1 I r R 4 Obrázek 13: Zpětnovazební stabilizátor napětí. 10

11 Složitější zadání Zadání 15: Dvoustupňový zesilovač SE-SE maximální počet bodů Zapojení zesilovače je uvedeno na obrázk4. Navrhněte velikost všech odporů tak, aby tranzistory pracovaly v aktivním režimu, a jejich pracovní body byly dobře stabilizovány. Přitom se snažte dosáhnout napěťového zesílení A u > 500, při vstupním odporu R in > 200 kω. Stejnosměrný proudový zesilovací činitel obou tranzistorů uvažujte B F = h 21E = 200. Vypočtěte dosažené hodnoty přenosu napětí a vstupního odporu zesilovače pro malé změny obvodových veličin ve středním kmitočtovém pásmu. Dále určete hodnoty všech kapacitorů (C 1, C 2 a C 3 )tak,abydolnímezníkmitočetbyl f d < 20Hz. Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Model tranzistoru volte podle typu BC549B, resp.bc559b, přičemž parametr Bf změňte na hodnot00. Počítačovou analýzou dále zjistěte, stabilitu nastavení pracovních bodů tranzistorů (I C1 a I C2 ) v závislosti na teplotě a změnách stejnosměrného proudového zesilovacího činitele B F = h 21E.Dáleanalyzujtezkreslení výstupního signálu pro kmitočet 10 khz a amplitud V. R 3 R 5 C 3 C 1 U cc =15V R z =5kΩ C 2 B F = β T1 = β T2 = 200 U A R 4 R 6 R z Obrázek 14: Dvoustupňový zesilovač SE-SE. Zadání 16: Dvoustupňový zesilovač SC-SC Zapojení zesilovače spolu s hodnotami součástek a parametrů obou tranzistorů je uvedeno na obrázku 15. Vypočtěte pracovní body obou tranzistorů, hodnoty přenosu napětí, vstupního a výstupního odporu zesilovače pro malé změny obvodových veličin ve středním kmitočtovém pásmu. Pro výpočet střídavých vlastností zesilovače uvažujte jednou výstupní napětí jako napětí 1 při 2 =0 a jednou jako napětí 2 při 1 =0Výpočet proveďte pro R E1. Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Model tranzistorů volte podle typu BC549B, přičemž parametr Bf změňte na příslušnou velikost. Analýzu proveďte i pro R E1 = 330 kω. Počítačovou analýzou dále zjistěte horní mezní kmitočet celého zapojení, opět pro obě hodnoty rezistoru R E1.Propřenos u21 navíc určete tento kmitočet pro variantu, kdy je kolektor tranzistoru připojen jednak přímo na napájecí (podle obrázku), jednak do výstupního uzlu na napětí 1. Obdržené výsledky komentujte. 11

12 C 1 R B R E1 R C C 21 C 22 R E2 1 2 U cc =20V R E2 = R C =5kΩ R B =1.5 MΩ 100 kω R E1 = C 1 = C 21 = C 22 I =1mA B F 1 = β T1 =20 B F 2 = β T2 =50 U A Obrázek 15: Dvoustupňový zesilovač SC-SC s Darlingtonovým spojením tranzistorů. Zadání 17: Dvoustupňový sledovač napětí SS-SE Zapojení zesilovače spolu s hodnotami součástek a parametrů obou tranzistorů je uvedeno na obrázku 16. Určete velikost stejnosměrné složky budícího signálu U B tak, aby stejnosměrná složka výstupního napětí byla cca 1/2 U cc. Vypočtěte co nejpřesněji hodnotu přenosu napětí a přibližnou hodnotu výstupního odporu zesilovače pro malé změny obvodových veličin ve středním kmitočtovém pásmu. Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Model tranzistoru JFET volte podle typu BF256B, upravený podle zadaných hodnot jeho parametru. Model bipolárního tranzistoru volte podle typu BC559B, přičemž parametr Bf změňte na příslušnou velikost. Počítačovou analýzou dále zjistěte horní mezní kmitočet celého zapojení a jeho zkreslení pro výstupní signál o kmitočt0 khz a amplitudě 1 V. Obdržené výsledky komentujte. Ucc =15V U B R 3 = 680Ω = 150Ω R 3 =2.2kΩ K = β =0.2mA/V 2 U = 2.5 V λ 1 =0V 1 B F 2 = β T2 = 200 U A2 =0V Obrázek 16: Dvoustupňový sledovač napětí SS-SE. Zadání 18: Rozdílový zesilovač s aktivní dynamickou zátěží Zapojení zesilovače je uvedeno na obrázk7 (a). Určete velikost odporu R E tak, aby kolektorový proud tranzistorů a byl I C1 = I C2 =1mA, při napájecím napětí U cc =10V. Vypočtěte velikost rezistoru R z tak, aby stejnosměrná složka výstupního napětí byla 5 V, při proudovém zesilovacím činiteli B F = β = 100 a Earlyho napětí U A =80V, shodném pro všechny tranzistory apřiu N =7V. Dále nahraďte zrcadlo, složené z tranzistorů T 3 a T 4 vylepšeným zapojením podle obrázk7 (b) a výpočet opakujte. Jaký význam má v zapojení rezistor R z a za jakých podmínek ho lze vypustit? 12

13 Pro malé změny obvodových veličin ve středním kmitočtovém pásmu vypočtěte napěťové zesílení rozdílového signálu (1 = 2 = d /2) pro obě varianty kolektorových zátěží. Dále vypočítejte hodnotu činitele potlačení souhlasné složky signálu a vstupní odpor pro rozdílový i souhlasný vstupní signál. Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Model tranzistorů volte podle typu BC549B, resp. BC559B, přičemž parametry Bf a Vaf změňte na příslušnou velikost, podle výše uvedených hodnot. Počítačovou analýzou dále zjistěte napěťové zesílení pro souhlasný signál (1 = 2 = s ). Vysvětlete rozdíl výsledku oproti teoretické hodnotě tohoto zesílení pro zesilovač bez aktivní zátěže. +U N T 3 T 4 R z 1 2 T 3 T 4 R E T 5 (a) (b) Obrázek 17: Rozdílový zesilovač s aktivní dynamickou zátěží. Zadání 19: Zesilovač SC-SB následovaný stupněm SC-SE Zapojení zesilovače je uvedeno na obrázk8. Určete velikost odporu tak, aby kolektorový proud tranzistorů a byl I C1 = I C2 =0.1mA, při napájecím napětí U cc =10V. Dále určete velikost ostatních rezistorů tak, aby stejnosměrná složka výstupního napětí byla 0 V, při kolektorovém proudu tranzistoru T 4 rovným I C4 =1mA. Hodnoty proudových zesilovacích činitelů B F = β = 100 a Earlyho napětí U A V jsou shodné pro všechny tranzistory. Odvoďte vztah pro napěťový přenos u2 a vstupní odpor pro malé změny obvodových veličin ve středním kmitočtovém pásmu. Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Model tranzistorů volte podle typu BC549B, resp.bc559b, přičemž parametry Bf a Vaf změňte na příslušnou velikost, podle výše uvedených hodnot. Dále analyzujte zkreslení výstupního signálu pro kmitočet 10 khz a amplitud V. 13

14 R 3 T 3 T 4 R 4 Obrázek 18: Zesilovač SC-SB následovaný stupněm SC-SE. Zadání 20: Dvojitý rozdílový zesilovač Zapojení zesilovače, hodnot součástek a parametrů tranzistorů je uvedeno na obrázk9. Určete velikost odporu R 4 tak, aby stejnosměrná složka výstupního napětí byla nulová. Odvoďte vztah pro rozdílové a souhlasné napěťové zesílení celého zesilovače, tj. pro buzení rozdílovým signálem (1 = 2 = d /2) a souhlasným signálem (1 = 2 = s ). Dále vypočítejte hodnotu činitele potlačení souhlasné složky signálu a vstupní odpor pro rozdílový i souhlasný vstupní signál. Výpočet proveďte pro malé změny obvodových veličin ve středním kmitočtovém pásmu. Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Model tranzistorů volte podle typu BC549B, resp. BC559B, přičemž parametry Bf a Vaf změňte na příslušnou velikost, podle výše uvedených hodnot. Dosažené výsledky komentujte. 1 2 I E1 R E1 R E2 I E2 T 3 T 4 R 3 R 4 Obrázek 19: Dvojitý rozdílový zesilovač. U cc =10V = =47kΩ I E1 =0.2mA R E1 =1MΩ I E2 =2mA R E2 = 100 kω B F = β = 200 U A =0V Zadání 21: Koncový stupeň s bipolárními tranzistory Zapojení zesilovače, hodnot součástek a parametrů tranzistorů je uvedeno na obrázk0. Proveďte stejnosměrný návrh zesilovače. Určete velikost proudu zdroje I B tak, aby při plném vybuzení zesilovače platilo: i C1 =2/3I B,resp.i C2 =2/3I B. Dále určete hodnoty odporů a při známých velikostech nasycených proudů I S, shodných pro všechny tranzistory a pro klidový kolektrový proud 14

15 I C1 = I C2 =10mA. Při výpočtu stejnosměrných poměrů zanedbejte vliv proudu báze tranzistoru T 3 (I B3 I R1 ) a proudu rezistorem R i. Odvoďte vztah pro napěťové zesílení celého zesilovače a vztah pro vstupní i výstupní odpor. Výpočet proveďte pro malé změny obvodových veličin ve středním kmitočtovém pásmu. Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Volte vhodné modely tranzistorů, přičemž parametry Bf a Vaf změňte na příslušnou velikost, podle uvedených hodnot. Počítačovou analýzou dále určete teplotní závislost klidových kolektorových proudů koncových tranzistorů a a to jednak pro změny teploty pro všechny tranzistory najednou a jednak pro změny teploty pouze pro koncové tranzistory při konstantní teplotě tranzistoru T 3. Dosažené výsledky komentujte. I B U cc =15V R i = 100 kω R z =15Ω i 1 R i T 3 R z I B Obrázek 20: Koncový stupeň s bipolárními tranzistory.. I R2 = IR1 = I R =0.2I C3 I C1 = I C2 =10mA u T =26mV I S = A B F 1 = B F 2 = β T1 = β T2 = 50 B F 3 = 100 U A =0V U CEsat =0V Zadání 22: Koncový stupeň s unipolárními tranzistory Zapojení zesilovače, hodnot součástek a parametrů tranzistorů je uvedeno na obrázk1. Určete převodní konstanty K T3 = K T4 tranzistorů T 3 a T 4, pokud znáte převodní konstanty koncových tranzistorů K T1 = K T2 =5mA/V 2, prahová napětí všech tranzistorů U T = 1 V, hodnotu proudu I B =1mA a velikost klidových proudů koncových tranzistorů I D1 = I D2 =5mA. Při výpočtu zanedbejte vliv výstupních odporů tranzistorů (λ =0). Odvoďte vztah pro napěťové zesílení celého zesilovače a vztah pro vstupní i výstupní odpor, pokud budete uvažovat hodnotu zatěžovacího odporu R z =50Ωa hodnotu λ =0.01 V 1, shodnou pro všechny tranzistory. Výpočet proveďte pro malé změny obvodových veličin ve středním kmitočtovém pásmu. Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Volte vhodné modely tranzistorů, přičemž parametry VTO, Kp a lambda změňte na příslušnou velikost, podle zadaných, resp. vypočtených hodnot. Počítačovou analýzou dále určete teplotní závislost klidových proudů koncových tranzistorů a a to jednak pro změny teploty pro všechny tranzistory najednou a jednak pro změny teploty pouze pro koncové tranzistory při konstantní teplotě ostatních tranzistorů. Dosažené výsledky komentujte. 15

16 T 7 T 5 T 3 I B T 4 R z i 1 T 8 T 6 Obrázek 21: Koncový stupeň s unipolárními tranzistory. Zadání 23: Proudová zrcadla Zapojení základního proudového zrcadla je uvedeno na obrázk2 (a), vylepšené Wilsonovo zrcadlo je pak uvedeno na obrázk2 (b). Analyzujte tyto zrcadla i jejich modifikace s tranzistory MOS podle následujících pokynů. Odvoďte obecný vztah pro stejnosměrný proudový přenos I2 I 1 pro všechny uvedená zrcadla (obrázek 22 (a), (b) a jejich modifikace s tranzistory MOS). Při výpočtu uvažujte stejnosměrný zesilovací činitel bipolárních tranzistorů B F = 200 a převodní konstantu K =0.2mA/V 2 pro tranzistory MOSFET. Vliv Earlyho jevu pro tento výpočet zanedbejte. Dále určete výstupní odpor pro všechny uvedené modifikace zrcadel pro malé změny obvodových veličin ve středním kmitočtovém pásmu. Pro tento výpočet uvažujte navíc Earlyho napětí U A = 100 V pro bipolární tranzistory a koeficient λ =0.01 V 1 pro všechny tranzistory MOSFET. Vypočítané hodnoty ověřte analýzou zapojení v programu WinSpice. Model tranzistoru MOS volte podle typu BS170, upravený podle zadaných hodnot jeho parametrů. Model bipolárních tranzistorů volte podle typu BC549B, přičemž parametry Bf a Vaf změňte na příslušnou velikost, podle výše uvedených hodnot. Stejnosměrný přenos analyzujte jednak pro rozsah vstupních proudů I 1 = 0.1 až 5 ma při U 2 = konst. (a střídavé složce =0) a dále pro jmenovitou hodnotu proudu I 1 =1mA pro rozsah napětí U 2 =0.7 až 10 V pro jednoduché zrcadlo a U 2 =1.4 až 10 V pro Wilsonovo zrcadlo. Vykreslete také průběhy relativních chyb, oproti ideálnímu přenosu. Výstupní odpory analyzujte při jmenovité hodnotě stejnosměrné složky napětí U 2 =2V, a to jednak pro jmenovitou hodnotu proudu I 1 =1mA a jednak pro celý rozsah vstupních proudů. Obdržené výsledky komentujte. Poznámka. Výstupní odpory lze v programu WinSpice určit buď pomocí střídavé analýzy napětí podle obrázku nebo pomocí příkazu TF programu při použití pouze stejnosměrného zdroje U 2. 16

17 U 2 U 2 I 1 I 2 + i 2 I 1 T 3 T 4 I 2 + i 2 (a) (b) Obrázek 22: Proudová zrcadla. Zadání 24: Logaritmický zesilovač Zapojení logaritmického zesilovače s kompenzací teplotní závislosti je uvedeno na obrázk3. Navrhněte velikosti rezistorů tak, aby logaritmátor byl schopen zpracovat vstupní napětí vrozsahu +10 mv až +10 V, při symetrickém napájecím napětí U cc = ±10 V. Výstupní napětí by se mělo měnit s převodní konstanto00 mv/dekáda, přičemž pro referenční úroveň vstupního napětí =1V je požadována výstupní úroveň =0V. Parametry obou tranzistorů předpokládejte shodné a hodnotu nasyceného proudu I S =10fA. Navržené zapojení analyzujte pomocí programu WinSpice. Model bipolárních tranzistorů volte podle typu BC549B, přičemž parametr Is změňte na příslušnou velikost (10f). Model operačního zesilovače podle typu 741 (nejlépe základní makromodel). Analyzujte jednak převodní charakteristiku a jednak relatvní chybu výstupního napětí v logaritmických souřadnicích vstupního napětí a to pro celý zadaný rozsah. Tuto analýzu proveďte jednak pro různé teploty (0, 25, 50 C, ale stejné pro oba tranzistory a jednak pro rozdílné teploty obou tranzistorů. Dále ověřte vliv vstupní napěťové nesymetrie pro oba operační zesilovače (uvažujte 0.1 a 1 mv) a také vliv proudového zesilovacího činitele tranzistorů (B F = β = 100 a 200) na funkci zapojení. Nakonec ověřte stabilitu pomocí přechodové analýzy v programu WinSpice pro obě zadané hodnoty proudového zesilovacího činitele. Případnou nestabilitu zapojení odstraňte. OZ 2 R E R 4 OZ 1 R 3 Obrázek 23: Logaritmický zesilovač. 17

18 Zadání 25: Colpitsův oscilátor Zapojení oscilátoru je uvedeno na obrázk4. Navrhněte velikosti jeho součástek tak, aby jeho vlastní kmitočet byl 50 khz. Hodnoty vazebních kapacitorů uvažujte velmi vysoké (C 1 = C 3 = C 4 ), napájecí napětí U cc =15V. Odvoďte podmínky oscilací (I{βA(jω 0 )} =0), kde βa je přenos rozpojené zpětnovazební smyčky) a z nich vztah pro kmitočet oscilací. Při odvození zanedbejte vstupní odpor tranzistoru r π a odpory bázového děliče (R 3 = R 4 ). Ze vztahu pro kmitočet oscilací ω 0 určete velikosti kapacitorů C 5, C 2 a induktoru L 1.DáleurčetezrovniceR{βA(jω 0 )} =1velikost převodní vodivosti tranzistoru g m. Z ní určete kolektorový proud tranzistoru v pracovním bodě a navrhněte vhodné velikosti všech rezistorů. Funkci navrženého zapojení ověřte jeho přechodovou analýzou v programu WinSpice. Model tranzistoru volte podle typu BC549B. Analyzujte zkreslení výstupního signálu. C 4 R 3 L 1 C 3 C 5 U cc C 2 R 4 C 1 Obrázek 24: Colpitsův oscilátor. Zadání 26: Oscilátor s Wienovým článkem Zapojení oscilátoru je uvedeno na obrázk5. Navrhněte velikosti jeho součástek tak, aby jeho vlastní kmitočet byl 5 khz. Odvoďte podmínky oscilací (I{βA(jω 0 )} =0), kde βa je přenos rozpojené zpětnovazební smyčky) a z nich vztah pro kmitočet oscilací. Ze vztahu pro kmitočet oscilací ω 0 určete velikosti kapacitorů C 1, C 2 a rezistorů a. Zesílení zesilovače (poměr odporů R 3 a R 4 ) určete z rovnice R{βA(jω 0 )} =1. Odvození proveďte i pro jiné jiné zpětnovazební členy (dvojitý T-článek,...) a z jejich kmitočtových charakteristik definujte jejich umístění v kladné nebo záporné ZV. Funkci navržených zapojení ověřte jeho přechodovou analýzou v programu WinSpice. Model operačního zesilovače volte typu 741. C 1 OZ C 2 R 4 R 3 Obrázek 25: Oscilátor s Wienovým článkem. 18

19 Zadání 27: Oscilátor se stabilizací amplitudy signálu Zapojení oscilátoru je uvedeno na obrázk6. Navrhněte velikosti jeho součástek tak, aby jeho vlastní kmitočet byl 5 khz. Odvoďte podmínky oscilací (I{βA(jω 0 )} =0), kde βa je přenos rozpojené zpětnovazební smyčky) a z nich vztah pro kmitočet oscilací. Ze vztahu pro kmitočet oscilací ω 0 určete velikosti kapacitorů C 1, C 2 a rezistorů a. Zesílení zesilovače (poměr odporů R 3 a R 4 ) určete z rovnice R{βA(jω 0 )} =1. Dále navrhněte parametry a velikosti součástek obvodu stabilizace amplitudy. Uvažujte symetrické napájecí napětí operačního zesilovače U cc = ±15 V. Funkci navržených zapojení ověřte jeho přechodovou analýzou v programu WinSpice. Model operačního zesilovače volte typu 741, model tranzistoru JFET volte podle typu BF256B. C 1 OZ C 2 R 4 R 3 D 1 R 5 R 6 C 3 Obrázek 26: Oscilátor se stabilizací amplitudy výstupního signálu. Zadání 28: Schmittův klopný obvod s tranzistory (SE-SE) Zapojení obvodu je uvedeno na obrázk7. Navrhněte velikosti všech rezistorů tak, aby rozhodovací úrovně překlápění byly d =1.5 Vah =5V při napájecím napětí U cc =12V. Saturační napětí U CESAT volte 0.1 V. Funkci zapojení ověřte jeho simulací v programu WinSpice pomocí stejnosměrné analýzy. Vykreslete převodní charakteristiku obvodu a zjistěte, jak se změní rozhodovací úrovně při změně proudového zesilovacího činitele tranzistorů ±50 %. Tranzientní analýzou ověřte rychlost překlápění obvodu jak z horní, tak z dolní úrovně. Pro návrh a analýzu volte tranzistoru typu BC549B. 19

20 R 4 R 3 Obrázek 27: Schmittův klopný obvod s tranzistory (SE-SE). Zadání 29: Schmittův klopný obvod s tranzistory (SC-SB) Zapojení obvodu je uvedeno na obrázk8. Navrhněte velikosti všech rezistorů tak, aby rozhodovací úrovně překlápění byly d =0.5 Vah =1.5 V při napájecím napětí U cc =5V. Výpočet proveďte jednak pro vstupní napětí 1, kdy předpoládejte 2 =0a jednak pro napětí 2, kdy naopak 1 =0. Saturační napětí U CESAT volte 0.1 V. Funkci zapojení ověřte jeho simulací v programu WinSpice pomocí stejnosměrné analýzy. Vykreslete převodní charakteristiku obvodu a zjistěte, jak se změní rozhodovací úrovně při změně proudového zesilovacího činitele tranzistorů ±50 %. Pro variantu buzení napětím 2 dále zjistěte jak se změní rozhodovací úrovně, jestliže změníme napětí 1 na hodnotu +1 Va 1 V. Tranzientní analýzou ověřte rychlost překlápění obvodu jak z horní, tak z dolní úrovně. Pro návrh a analýzu volte tranzistoru typu BC549B. R R 4 Obrázek 28: Schmittův klopný obvod s tranzistory (SC-SB). 20