Amplificator cu tranzistor MOS - Schema amplificatorului

Amplificator cu tranzistor MOS

Schema amplificatorului este prezentata mai jos.

Amplificator cu tranzistor MOS

Rg=600W, CG=25mF, CL=25mF, RG1=RD=22KW, RG2=56KW, RS=1KW, RL=10KW, V_TH=1V, k=0.1mA/V²

Rezistentele RG1, RG2, RD si RS formeaza circuitul de polarizare al tranzistorului. Rolul circuitului de polarizare este de a polariza tranzistorul MOS in regiunea de saturatie.

Condensatoarele CG si CL se numesc condensatoare de cuplare. Rolul lor este de a cupla in regim variabil generatorul de semnal Vg-Rg, respectiv rezistenta de sarcina Rl la amplificator. In regim stationar, cele 2 doua condensatoare izoleaza amplificatorul de generatorul de semnal si de rezistenta de sarcina, astfel incat punctul static de functionare al tranzistorului nu este afectat de acestea.

OBSERVATIE IMPORTANTA: deoarece in circuitul de mai sus exista 2 surse independente Vg si VCC, analiza acestuia se va realiza pe baza teoremei suprapunerii efectelor - TSE. Aceasta este aplicabila numai daca circuitul este liniar. Singurul element de circuit care ridica probleme este tranzistorul, deoarece acesta este un element de circuit neliniar si din acest motiv circuitul de mai sus NU este liniar. Totusi, in anumite conditii restrictive - daca consideram ca tranzistorul functioneaza in regim variabil de semnal mic, tranzistorul poate fi considerat un element de circuit liniar iar circuitul de mai sus devine un circuit liniar, caz in care se poate aplica TSE.

1. analiza circuitului in regim stationar.

SCOP: determinarea punctului static de functionare; ID si VDS.

Analiza circuitului in regim stationar este realizata pe baza unui circuit echivalent care "modeleaza" comportamentul circuitului in regim stationar. Acest circuit se obtine astfel:

1: din circuitul initial se elimina ramurile cu condensatoare (deoarece prin condensatoare NU TRECE CURENT CONTINUU, datorita reactantei XC infinite).

2: in circuitul initial se pasivizeaza toate sursele variabile independente.

In cazul circuitului de mai sus, se elimina ramurile:

cu condensatorul CG: CG, Rg, Vg

cu condensatorul CL: CL, RL

Generatorul Vg nu mai trebuie pasivizat deoarece in urma eliminrii ramurii cu CG este eliminat din circuit. Ceea ce ramane este circuit echivalent care "modeleaza" comportamentul circuitului initial in regim stationar.

1. Calculam ID: deoarece VGS este necunoscuta, pentru determinarea lui ID vor fi necesare 2 ecuatii care sa contina numai necunoscutele VGS si ID. Prima ecuatie se obtine din circuit, aplicand TK2 pe bucla RS, RG1, VGS:

(1)

Cea de a 2a ecuatie se obtine presupunand ca tranzistorul MOS functioneaza in regiunea de saturatie. In acest caz, functionarea lui este descrisa de ecuatia:

(2)

Rezulta un sistem de 2 ecuatii in necunoscutele VGS si ID. Prima data se va calcula necunoscuta VGS. Din cele 2 ecuatii T ecuatia de gradul 2 pt. calculu lui VGS:

Ecuatia are 2 solutii. Din acestea se va considera doar solutia care satisface conditia:

T VGS=2.55V

Din ecuatia (2) rezulta: ID=0,24mA

Tensiunea VDS se determina aplicand TK2 pe bucla RS, VCC, RD, VDS:

T VDS=4.48V

Dupa determinarea lui VDS trebuie sa se verifice daca presupunerea ca tranzistorul MOS functioneaza in regiunea de saturatie este valabila. Pentru aceasta este necesar sa fie satisfacuta conditia:

Prin inlocuire cu valori numerice, se constata ca este satisfacuta (4,48V>2,55V-1V), deci presupunerea initiala, ca tranzistorul functioneaza in regiunea de saturatie este valabila. Asadar, PSF-ul tranzistorului este caracterizat de marimile:

ID=0,24mA VDS=4,48V

2. analiza circuitului in regim variabil de semnal mic:

SCOP: determinarea paramerilor de semnal mic ai amplificatorului:

Av - amplificarea in tensiune a amplificatorului in gol (cand acesta nu este conectat la rezistenta de sarcina Rl si la generatorul de semnal Vg-Rg)

Ri - rezistenta de intrare a amplificatorului

Ro - rezistenta de iesire a amplificatorului

Analiza circuitului in regim variabil de semnal mic este realizata pe baza unui circuit echivalent care "modeleaza" comportamentul circuitului initial in regim variabil de semnal mic. Acest circuit se obtine astfel:

1: in circuitul initial, condensatoarele de cuplare (CG si CL) se inlocuiesc cu fire (scurtcircuite) intre armaturi (deoarece condensatoarele respective, fiind caracterizate de capacitati mari - de ordinul microfarazilor - au reactanta XC foarte mica - zero - la frecventa de analiza care este cel putin de ordinul hertzilor).

2: in circuitul initial se pasivizeaza toate sursele continue independente.

3: tranzistorul se inlocuieste cu modelul sau echivalent, valabil in regim variabil de semnal mic, in domeniul frecventelor joase si medii.

In cazul circuitului de mai sus condensatoarele CG si CL se scurtcircuiteaza, iar sursa de tensiune continua VCC se pasivizeaza (se inlocuieste cu un scurtciruit intre "+" si "-"). Rezulta circuitul intermediar de mai sus. Prin inlocuirea tranzistorului MOS cu modelul sau echivalent, valabil in regim variabil de semnal mic, in domeniul frecventelor joase si medii, va rezulta circuitul echivalent care "modeleaza" comportamentul circuitului initial in regim variabil de semnal mic. Acesta este prezentat mai jos:

Panta tranzistorului MOS are valoarea:

Determinarea amplificarii in tensiune a amplificatorului in gol (cand acesta nu este conectat la rezistenta de sarcina RL si la generatorul de semnal Vg-Rg). Formula de calcul pentru amplificarea in tensiune este:

Tensiunea Vo este tensiunea pe RD (in cazul in care RL nu exista in ciruit). Deoarece trebuie determinat un raport, marimile implicate in acesta se vor exprima in functie de o necunoscuta comuna - acesta necunoscuta va fi Vgs.

- Aplicand legea lui Ohm pentru RD rezulta:

- Aplicand TK2 pe bucla Vi, Vgs, Rs rezulta:

unde este curentul prin RS.

Rezulta

Determinarea rezistentei de iesire Ro din amplificator: se determina pe un circuit echivalent care se obtine parcurgand etapele:

1. se sectioneaza circuitul care "modeleaza" comportamentul circuitului initial in regim variabil de semnal mic, intre punctele de calcul ale rezistentei:

2. se elimina subcircuitul opus sensului de calcul al rezistentei; sensul de calcul pt. Ri este spre dreapta, deci se elimina subcircuitul din stinga:

3. se pasivizeaza sursele independente ramase: in circuitul de mai sus nu exista astfel de surse.

4. se introduce in circuit, intre punctele intre care a fost sectionat circuitul care "modeleaza" comportamentul circuitului initial in regim variabil de semnal mic, un generator de tensiune sinusoidala de amplitudine Vt, care introduce in circuit un curent sinusoidal de amplitudine It:

5. rezistenta Ro se determina cu formula:

Din legea lui ohm aplicata pentru RD se observa ca: de unde Ro=RD=22kW

determinarea amplificarii in tensiune a circuitului cu generator de semnal si rezistenta de sarcina.

Dupa determinarea parametrilor de semnal mic ai amplificatorului, acesta se poate modela prin circuitul echivalent:

unde Av=-6 Ri=15.8kW Ro=22kW

amplificarea se determina pe baza circuitului in care amplificatorului, modelat ca mai sus, i se aplica generatorul de semnal si rezistenta de sarcina:

Formaula amplificarii este:

Se observa ca la iesire exista un divizor de tensiune: tensiunea AvVi se divide pe Ro si RL T

Se observa ca la intrare exista un divizor de tensiune: tensiunea Vg se divide pe Rg si Ri T

T

De unde:

Ideal ar trebui ca Avg = Av, dar, datorita rapoartelor rezistive din fata lui Av, valoarea lui Av va fi mai mica decat a lui Avg. pentru ca Avg sa fie egal cu Av ar trebui ca cele 2 rapoarte rezistive sa fie unitare dar:

T

T

Reducerea semnificativa a amplificarii in tensiune Av a amplificatorului este datorata proiectarii "defectuoase" a rezistentei de iesire a amplificatorului (ar fi trebuit ca aceasta rezistenta sa fie foarte mica astfel incat sa fie satisfacuta conditia R0<<RL).

Semnul " " indica defazajul de 180⁰ (p) dintre tensiunea de iesire Vl (de pe rezistenta de sarcina) si tensiunea de intrare Vg: