מגבר הפרש ומימוש מקורות 9– רצאה ה

Transcription

מגבר הפרש ומימוש מקורות 9– רצאה ה
‫הרצאה ‪ – 9‬מגבר הפרש ומימוש מקורות ‪DC‬‬
‫תוכן עניינים‪:‬‬
‫‪ .1‬מגבר הפרש‪.‬‬
‫‪ .2‬הקדמה‪ :‬מקורות זרם ומתח‪.‬‬
‫‪ .3‬מימוש מקורות זרם‪.‬‬
‫‪ .4‬מימוש מקורות מתח‪.‬‬
‫‪ .1‬מגבר הפרש‬
‫‪v1‬‬
‫‪vo1‬‬
‫שרפה רב גמ‬
‫‪v2‬‬
‫‪v02‬‬
‫במצב המופיע בשרטוט יש שני מתחי כניסה ושני מתחי מוצא‪.‬‬
‫• אחד השימושים של מגבר הפרש הוא העברת אות למרחק גדול‪ ,‬אשר עלול‬
‫לאסוף בדרך רעשים‪:‬‬
‫) שער(‬
‫רוקמ‬
‫דעי‬
‫‪vout‬‬
‫‪v1‬‬
‫‪v1 + n‬‬
‫‪v2 + n‬‬
‫‪vin‬‬
‫‪v2‬‬
‫אות הכניסה‪. vin = v1 − v2 :‬‬
‫אם יצטבר רעש ‪ ,n‬אז הוא נצמד לשני המוליכים באותה מידה בגלל קרבתם‪ ,‬ובגלל‬
‫שהם מלופפים ביניהם‪.‬‬
‫אם מחשבים את ההפרש‪ ,‬ביציאה נקבל‪:‬‬
‫‪U‬‬
‫‪U‬‬
‫‪vout = ( v1 + n ) − ( v2 + n ) = v1 − v2‬‬
‫כך שהרעש מתבטל‪.‬‬
‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬
‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬
‫‪2011‬‬
‫עמוד מס' ‪ 1‬מתוך ‪8‬‬
‫‪2011‬‬
‫הרצאה מס' ‪9‬‬
‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬
‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬
‫• מימוש אפשרי למגבר הפרש ע"י ‪:BJT‬‬
‫‪VCCVCC‬‬
‫‪R‬‬
‫‪RCC22‬‬
‫‪RRCC11‬‬
‫‪Q2‬‬
‫‪Q1‬‬
‫‪V2‬‬
‫‪VV11‬‬
‫‪I DC‬‬
‫•‬
‫‪−VEE VEE‬‬
‫מימוש זה נמצא לדוגמא כחלק ממגבר שרת‪.‬‬
‫ננתח את ההגברים ואת התנגדויות הכניסה והיציאה‪.‬‬
‫הניתוח מושפע מאוד מטיב המימוש של ‪ , I DC‬לכן נתחיל מאופן מימוש מקורות‬
‫זרם‪.‬‬
‫‪ .2‬הקדמה‪ :‬מקורות זרם ומתח‬
‫• סוג המקור )מתח או זרם( נקבע עפ"י הגדול שנשמר יותר‪.‬‬
‫מקור מתח‪ -‬מאלץ מתח קבוע ללא תלות בזרם שעובר דרכו‪.‬‬
‫מקור זרם‪ -‬מאלץ זרם קבוע ללא תלות במתח שנופל עליו‪.‬‬
‫מקורות זרם יותר נדירים והמימוש שלהם הוא בד"כ ע"י מקור מתח‪.‬‬
‫מודלים למקורות אידיאליים‪:‬‬
‫‪Rm‬‬
‫‪V‬‬
‫‪Rm‬‬
‫=‪I‬‬
‫‪Rm‬‬
‫‪I‬‬
‫עמוד מס' ‪ 2‬מתוך ‪8‬‬
‫‪V‬‬
‫‪2011‬‬
‫הרצאה מס' ‪9‬‬
‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬
‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬
‫מודלים למקורות מעשיים‪:‬‬
‫ר וקמ‬
‫ילא ד יא‬
‫‪R‬‬
‫‪Rm‬‬
‫‪Rm‬‬
‫‪R‬‬
‫‪I‬‬
‫ר וקמ‬
‫ילא ד יא‬
‫‪V‬‬
‫חתמ‬
‫םר ז‬
‫מקורות מעשיים מושפעים מגודל העומס‪.‬‬
‫‪ .3‬מימוש מקורות זרם‪:‬‬
‫)‪ (1‬בעזרת מקור מתח גדול ונגד טורי‪:‬‬
‫‪IL‬‬
‫רוקמ םרז‬
‫‪Rm‬‬
‫‪RL‬‬
‫‪Vm‬‬
‫‪ I L‬אמור להישאר קבוע בקרוב גם אם ‪ RL‬משתנה‪.‬‬
‫‪Vm‬‬
‫מתקיים‪:‬‬
‫‪Rm + RL‬‬
‫= ‪. IL‬‬
‫אם ‪ Rm >> RL‬נקבל‪:‬‬
‫לא תלוי כמעט ב‪RL -‬‬
‫→‬
‫‪Vm‬‬
‫‪V‬‬
‫‪≈ m‬‬
‫‪Rm + RL Rm‬‬
‫לכן התנאי לתיפקוד כמקור זרם הוא ‪. Rm >> RL‬‬
‫תכונות‪:‬‬
‫ תקף רק לעומסי ‪ RL‬נמוכים‪.‬‬‫ בהעדר עומס‪ ,‬מתח המוצא גבוה מאוד‪.‬‬‫‪ -‬תלוי ב‪ RL -‬במידה קטנה אם יש עמידה בדרישה ‪. Rm >> RL‬‬
‫עמוד מס' ‪ 3‬מתוך ‪8‬‬
‫= ‪IL‬‬
‫‪2011‬‬
‫הרצאה מס' ‪9‬‬
‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬
‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬
‫)‪ (2‬ע"י טרנזיסטור‪:‬‬
‫‪VCC‬‬
‫‪R1‬‬
‫‪C‬‬
‫‪B‬‬
‫‪E‬‬
‫‪RL‬‬
‫‪RE‬‬
‫‪R2‬‬
‫‪VCC‬‬
‫המעגל דומה במבנה למעגל ‪.CE‬‬
‫אופיין הטרנזיסטור עבור ‪ I B‬קבוע‪:‬‬
‫יוניש ‪RL‬‬
‫‪I B = const‬‬
‫‪VCE‬‬
‫‪IC‬‬
‫• • •‬
‫‪VCC‬‬
‫כלומר‪ ,‬זרם הטרנזיסטור מושפע מעט מ‪ RL -‬ומ‪. VCE -‬‬
‫באופן דומה עבור ‪:MOSFET‬‬
‫יוניש ‪RL‬‬
‫‪VGS = const‬‬
‫‪VDS‬‬
‫• • •‬
‫‪VDD‬‬
‫עמוד מס' ‪ 4‬מתוך ‪8‬‬
‫‪I DS‬‬
‫‪2011‬‬
‫הרצאה מס' ‪9‬‬
‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬
‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬
‫)‪ (3‬מימוש ע"י ראי זרם‪:‬‬
‫‪I1‬‬
‫‪RC‬‬
‫‪RL‬‬
‫‪VCC‬‬
‫‪IL‬‬
‫‪Q1‬‬
‫‪Q2‬‬
‫‪VBE1‬‬
‫‪VBE 2‬‬
‫‪β2‬‬
‫= ‪Q1 ≡ Q2 ⇒ β1‬‬
‫‪I L = I C2‬‬
‫אם לשני הטרנזיסטורים ‪ VBE‬זהה‪ ,‬אז ‪ I C‬דומה‪.‬‬
‫‪ I L‬זורם דרך טרנזיסטור ‪ Q2‬ומתקיים‪. I L = I C 2 :‬‬
‫ולכן ‪ I L = I C‬נקבע עפ"י ‪ I C‬ו‪ I1 -‬ללא תלות ב‪ . RL -‬לכן זהו מקור זרם )תקף כל עוד‬
‫‪ Q2‬בפעיל‪ ,‬דבר שנשמר כל עוד ‪ RL‬לא גדול מידי(‪.‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫קל לחשב את ‪ I1‬שכן ‪ B1‬מקוצר ל‪ , C1 -‬ולכן רק דיודה אחת בפעיל‪ .‬הענף הינו‪:‬‬
‫‪VCC‬‬
‫‪C‬‬
‫‪B‬‬
‫‪E‬‬
‫אם הטרנזיסטור ‪ Q1‬מוליך‪ ,‬אזי המתח שלו ‪) VBE ≈ 0.7v‬בטרנזיסטור סיליקון(‪.‬‬
‫‪1‬‬
‫נקבל‪:‬‬
‫‪VCC − VBE VCC − 0.7‬‬
‫≅‬
‫‪RC‬‬
‫‪RC‬‬
‫תוצאה‪ :‬נוצר מעגל שעושה את העבודה כמקור זרם‪ ,‬ע"י שני טרנזיסטורים‪.‬‬
‫עמוד מס' ‪ 5‬מתוך ‪8‬‬
‫=‬
‫‪I1‬‬
‫‪2011‬‬
‫הרצאה מס' ‪9‬‬
‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬
‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬
‫הערות‪:‬‬
‫‪α‬‬
‫• כידוע מתקיים‬
‫‪1−α‬‬
‫= ‪.β‬‬
‫כלומר‪ ,‬שגיאה קטנה ב‪ α1 -‬ביחס ל‪ α 2 -‬תיצור הבדלים גדולים מאוד בין ‪β1‬‬
‫ל‪ . β 2 -‬לדוגמא‪:‬‬
‫‪β1 ≅ 99‬‬
‫‪β 2 ≅ 200‬‬
‫⇒‬
‫=‬
‫‪α1 0.99‬‬
‫=‬
‫‪α 2 0.995‬‬
‫לכן נשאף לתכנן מעגל ללא תלות ב‪/ β -‬‬
‫• במימוש זה קיים יתרון לעומת מימוש )‪ (2‬מכיוון שמימוש זה דורש פחות‬
‫נגדים וזה יתרון במימוש מעגלים משולבים )דורש פחות מקום(‪.‬‬
‫‪ .4‬מימוש מקורות מתח‪:‬‬
‫• דיודת זנר )‪:(Zener‬‬
‫‪−‬‬
‫~‬
‫הדויד חתממב ימדק‬
‫‪I‬‬
‫‪+‬‬
‫‪VZ‬‬
‫‪V‬‬
‫] ‪0.7 [V‬‬
‫~‬
‫‪+‬‬
‫‪−‬‬
‫הדויד חתממב ירוחא‬
‫‪ ← VZ‬חתמ הצירפה‬
‫דיודה זו היא הבסיס למימוש מקורות מתח‪.‬‬
‫לפי האופיין ניתן לראות שהחל ממתח מסוים‪ ,‬הדיודה מוליכה בכיוון ההפוך‪.‬‬
‫עמוד מס' ‪ 6‬מתוך ‪8‬‬
‫‪2011‬‬
‫הרצאה מס' ‪9‬‬
‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬
‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬
‫)‪ (1‬מימוש ע"י זנר ‪ +‬נגד‪:‬‬
‫‪RZ‬‬
‫~‬
‫‪RL‬‬
‫‪VZ‬‬
‫הדיודה שבמעגל עובדת בכיוון ההפוך‪.‬‬
‫בעיה‪ :‬כאשר ∞ → ‪ RL‬כל הזרם זורם דרך הדיודה והיא מתחממת מאוד‪.‬‬
‫)‪ (2‬מימוש ע"י זנר ‪ +‬טרנזיסטור‪:‬‬
‫רוקמ חתמ‬
‫‪RZ‬‬
‫‪IL‬‬
‫‪RL‬‬
‫‪IL‬‬
‫מתקיים‪:‬‬
‫‪β +1‬‬
‫~‬
‫‪VZ‬‬
‫= ‪. IB‬‬
‫כתוצאה מכך‪ ,‬אם לדוגמא ]‪ 0 < I L <1[ A‬אז‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫]‪≈ 10 [ mA‬‬
‫‪β +1‬‬
‫↑‬
‫< ‪0 < IB‬‬
‫‪β =100‬‬
‫‪IL‬‬
‫לכן‪ ,‬במקרה הקיצוני ביותר‪ ,‬הדיודה תצטרך להתמודד עם זרם בגודל‪:‬‬
‫‪β +1‬‬
‫שיעבור דרכה ולא עם זרם בגודל‪ , I L :‬כפי שהיה במימוש הקודם‪.‬‬
‫לכן‪ ,‬במימוש זה הדיודה מתחממת הרבה פחות‪.‬‬
‫עמוד מס' ‪ 7‬מתוך ‪8‬‬
‫‪2011‬‬
‫הרצאה מס' ‪9‬‬
‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬
‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬
‫)‪ (3‬מימוש ע"י זנר ושני טרנזיסטורים‪:‬‬
‫בציימ חתמ‬
‫‪IL‬‬
‫‪Q2‬‬
‫‪I B2‬‬
‫‪RL‬‬
‫‪Q1‬‬
‫‪RZ‬‬
‫‪I B1‬‬
‫) ‪( Q1 = Q2‬‬
‫~‬
‫‪VZ‬‬
‫רוקמ חתמ‬
‫במקרה זה‪ ,‬התהליך שקרה במימוש )‪ ,(2‬מתרחש פעמיים‪ .‬כלומר‪:‬‬
‫‪( β + 1) ⋅ ( β + 1) ⋅ I B‬‬
‫‪1‬‬
‫=‬
‫‪( β + 1) ⋅ I B‬‬
‫‪2‬‬
‫= ‪I L = I E2‬‬
‫ולכן‪:‬‬
‫‪IL‬‬
‫‪2‬‬
‫)‪( β + 1‬‬
‫= ‪I B1‬‬
‫כלומר‪ ,‬אם העומס מחובר וכל ‪ I B‬הולך לדיודה אז הדיודה תתחמם אפילו פחות‬
‫מאשר שני המימושים הקודמים‪.‬‬
‫‪1‬‬
‫לראות שהמימוש השלישי משפר זאת אפילו יותר‪.‬‬
‫עמוד מס' ‪ 8‬מתוך ‪8‬‬