Transistor Verstärker. Roland Küng, 2011

Transkript

1 Transistor Verstärker Roland Küng,

2 Design Flow 2.Sem. Rep. Arbeitspunkt (Bias) Kleinsignal-Ersatz BJT FET BJT FET 3 Grundschaltungen NF: Koppel- C s HF: Miller Mehrstufig ASV 4.Sem. 2

3 Repetition Kleinsignalbild R Q 1k 4k 2k Ic = 2.5 ma β = 200 2k Schaltungsbeispiel r π = β g m IC gm = mit VT = V T 0 C 4k Kleinsignalersatzbild (Bandmitte) R Q 1k A v = v o /v sig = 2k 2k 2k k = 2k 0.1v π -50 3

4 Emitterstufe / Sourcestufe 4

5 Emitterstufe / Sourcestufe C E Eingang bei Basis, Ausgang am Kollektor Phasendrehung am Ausgang 180 Grad C E schliesst den Emitter Widerstand R E kurz für AC (Bypass Capacitor) Oft wird R E aufgeteilt in R E1 + R E2, nur R E2 wird überbrückt Bandbreite ist stark von Verstärkung abhängig (s. Miller Effekt) Häufigste Schaltung für Signalverstärkung 5

6 Emitterstufe / Sourcestufe Welches Ersatzbild? π-ersatzbild wenn Der ganze Emitterwiderstand durch Bypass Capacitor überbrückt ist T-Ersatz besser geeignet bei teilweiser Überbrückung: RE = R E1 erscheint im Ersatzbild 6

7 Emitterstufe / Sourcestufe v o v s Av= v o /v s Ri Ro Bsp. π-ersatz BJT v o v s Av= v o /v s Ri Ro Bsp. T-Ersatz FET 7

8 Emitterstufe / Sourcestufe Alle Formeln Mit R E1 : Ri = R Ro = R C Avo = 1 R2 ( β + 1) re v v out in R = r Ri = R1 R2 ( β + 1) (re + RE 1) RC Avo = R + r E1 e e C I E r = e g m Arbeitspunktstrom Emitter 25mV I E β = ( β + 1)r e 1 r e ( β ) e r = +1r π Ro = R C C E Berechnung: Grenzfrequenz für R Q < (β+1)r e f E = 2π 1 [ RE2 (re + RE1) ] CE C E mit Last R L : Av: R C in Avo durch R C //R L ersetzen mit Quelle R Q : Av: Avo um Spannungsteilerfaktor R Q mit Ri reduzieren: Ri/(Ri+R Q ) FET: Common Source (Steilheit g m ): Benutze: β und r e = 1/g m 8

9 Sourcestufe Bei FET: Common Source (Steilheit g m ): benutze BJT Formeln mit β und r e = 1/g m 9

10 Bsp. Emitterstufe 2.2 DC: I B = 0 I E = 2.5 ma AC: β = 100? Avo? Ri? Ro re=10 Ω, Avo = -6.5, Ri = 6k3, Ro = 2k2 10

11 Kollektorstufe / Drainstufe Eingang an Basis, Ausgang am Emitter Phasendrehung am Ausgang 0 Grad Eingangswiderstand hoch, Ausgangswiderstand tief Maximale Spannungsverstärkung ist 1 Hohe Bandbreite (kaum Miller Effekt) Transferiert Spannung an niederohmige Lasten Andere Namen: Emitterfolger, Voltage Buffer 11

12 Kollektorstufe / Drainstufe Welches Ersatzbild? T-Ersatzbild ist gut geeignet für Berechnungen 12

13 Kollektorstufe / Drainstufe Alle Formeln ( r ) Ri = R + Ro = R 1 R2 ( β + 1) e RE E r e R + Q R 1 β + 1 R Q = Ausgangswiderstand Quelle bzw. Vorstufe R 2 I E Arbeitspunktstrom Emitter r = e 25mV I E Avo = v v out in = RE R + r E e v in v out mit Last R L : Av und Ri: R E in Avo und in Ri durch R E //R L ersetzen mit Quelle R Q : Av: Avo um Spannungsteilerfaktor R Q mit Ri reduzieren: Ri/(Ri+R Q ) FET: Common Source (Steilheit g m ): Benutze: β und r e = 1/g m 13

14 Drainstufe FET: Common Drain (Steilheit g m ): benutze Formeln mit β und r e = 1/g m 14

15 Bsp. Kollektorstufe DC: I B 0 I E = 11 ma AC: β = 100 R Q : Spannungsquelle sei ideal? Av (mit RL)? Ri? Ro r e = 2.3 Ω, Av = 0.99, Ri = 8k5, Ro = 2.3 Ω 15

16 Variante Kollektorstufe Behandlung: wie ein Einzel-BJT mit β = β 1 β 2 Ri' = βac 1β ac2(re + re2 ) Darlington Paar: Da β beim BJT die Höhe der Eingangsimpedanz begrenzt ist diese Schaltung für hochohmige Quellen hilfreich 16

17 Basisstufe / Gatestufe C B Eingang beim Emitter, Ausgang beim Kollektor Phasendrehung am Ausgang 0 Grad Eingangswiderstand tief, Ausgangswiderstand hoch Maximale Stromverstärkung ist 1 Sehr hohe Bandbreite (niederohmig und kein Millereffekt) Verstärker für Hochfrequenz und Stromquellen Tipp: C B vermeiden, statt dessen B auf GND und negative Speisung V EE 17

18 Basisstufe / Gatestufe Welches Ersatzbild? T-Ersatzbild ist gut geeignet für Berechnungen R E 18

19 Basisstufe / Gatestufe Formeln Ri = r e Ro = R C R R Avo = r e C E r e r = e 25mV I E I E Arbeitspunktstrom Emitter CB Berechnung Grenzfrequenz: (für R Q < r e ) [ 1 2 e ] B f B = 2π R R 1 ( β + 1) r C mit Last R L : Av: R C in Avo durch R C //R L ersetzen mit Quelle R Q : Av: Avo um Spannungsteilerfaktor R Q mit Ri reduzieren: Ri/(Ri+R Q ) FET: Common Base (Steilheit g m ): Benutze: β und r e = 1/g m 19

20 Gatestufe FET: Common Base (Steilheit g m ): Benutze Formeln mit β und r e = 1/g m 20

21 Bsp. Basisstufe DC: I B = 0 I E = 1 ma AC: β = 100? Av (mit RL)? Ri? Ro r e = 25 Ω, Av = 72, Ri = 25 Ω, Ro = 2k2 21

22 Design Flow 2.Sem. Rep. Arbeitspunkt (Bias) Kleinsignal-Ersatz BJT FET BJT FET 3 Grundschaltungen NF: Koppel- C s HF: Miller Mehrstufig ASV 4.Sem. 22

23 Frequenzgang Bandmitte untere Grenzfrequenz (-3 db) obere Grenzfrequenz (-3 db) 23

24 Koppel- C Analyse: Kleinsignal-Ersatzbild jedoch mit den Koppel-C included 24

25 Koppel- C C s sind an unterer Bandgrenze nicht mehr Kurzschlüsse! 25

26 Koppel- C Frequenzgang durch einzelnes Koppel-C f cl vo Rechnen: f cl : low corner frequency T(jω) = R L + R R D L + 1 jωc 2 Zeitkonstanten sehen: R = R L + R D C = C 2 T = R C 2π f cl = 1/T 26

27 Koppel- C Praktische Methode zum Finden der Zeitkonstanten: 1. nur ein C ins Ersatzbild für Bandmitte einfügen. Ungesteuerte Quellen eliminieren. 2. C durch Spannungsquelle ersetzen und Widerstand bestimmen den Quelle sieht. 3. T = R C 2π f cl = 1/T 27

28 Koppel- C: Vereinfachung C s ins Ersatzbild eintragen und komplexen Frequenzgang berechnen Kompliziert! Deshalb C einzeln analysieren, auch wenn u.u. ungenau Für den Rest gibt s Simulations Tools! Am Eingang: T = (R Q + Ri) C 1 f cl = 1 2π T 28

29 Koppel- C Herleitung Ersatzbild für Zeitkonstante am Ausgang: T = (Ro + R L ) C 3 f cl = 1 2π T 29

30 Bypass- C Trick: Ro der Kollektorschaltung ersetzt BJT Wissen von Kollektorschaltung nutzen: Ro c = R E r e R + Q R 1 β + 1 R 2 R E r e 1 T = Ro c C 2 f cl = 2π T Emitterschaltung: Falls ein nicht überbrückter Emitterwiderstand R E1 benutzt wird: r e ersetzen durch (r e +R E1 ) und R E durch R E2 Ro C 30

31 Koppel- C: Design Mehrere Grenzfrequenzen (n) auf dieselbe Frequenz f cl gelegt ergibt in der Summe die untere Gesamtgrenzfrequenz f cln : f c ln = 2 f cl 1 n 1 n=3 Figur: 3 Koppel-C für dieselbe Grenzfrequenz Beispiel: 2 Koppel-C zu je 500Hz dimensioniert 776 Hz untere Grenzfrequenz für 3 C s 980 Hz 31

32 Beispiel Koppel- C Rechnen, Simulieren, Aufbauen DC: I B = 0 I E = 2 ma AC: β = TINA: bsp_koppel_c r e = 12.5 Ω, Ri = 3k6, Ro = 3k9, Av -43, Ro Kollektor 45 Ω, f cl1 = 38 Hz, f cl2 = 52 Hz, f cl3 = 50 Hz 32

33 Design Flow 2.Sem. Rep. Arbeitspunkt (Bias) Kleinsignal-Ersatz BJT FET BJT FET 3 Grundschaltungen NF: Koppel- C s HF: Miller Mehrstufig ASV 4.Sem. 33

34 HF- Kleinsignal-Ersatzbild Interne Kapazitäten haben bei hohen Frequenzen ihre Auswirkung 34

35 HF- Kleinsignal-Ersatzbild BJT: Berücksichtigt interne Ladungsspeicher in den np-übergängen β erhält einen Frequenzgang β ω T = ωt2 π= ft = C be gm gm C+ C+ C be bc bc Werte β 0 (h fe ), C bc (C ob ) und f T findet man im Datenblatt, C be ist abhängig von I E und muss aus f T bestimmt werden FET: Gate besitzt Kapazität gegen Drain und gegen Source C gs und C gd aus dem Datenblatt bestimmbar 35

36 HF- Datenblatt Bsp. NPN BC377 ω T = 2πf T = C be gm + C bc I C = 10 ma g m = 0.4 A/V C be + C bc = 637 pf C be = 625 pf Bsp. N Channel JFET 2N4416 Ciss:Messung mit HF Kurzschluss DS, Crss mit HF Kurzschluss GS C gd = C rss C gs = C iss -C rss C gd = 0.8 pf C gs = 3.2 pf 36

37 HF- Kleinsignal-Ersatzbild Wie kann man β(f) in Ersatzmodell packen? Bezeichnung C µ = C bc, C gd C π = C be, C gs 37

38 Theorem von Miller C µ Brücke erschwert Berechnung C(1-Av) C(Av-1)/Av Av mit Vorzeichen einsetzen! Av mit Last aber ohne Quelle berechnen! 38

39 HF Zeitkonstanten f cu : upper corner freq Bem. ib = 0 Finden Zeitkonstante: f cu (input) f cu (output) 1. nur ein C ins Ersatzbild für Bandmitte einfügen. Ungesteuerte Quellen eliminieren. 2. C durch Spannungsquelle ersetzen und Widerstand bestimmen den Quelle sieht. 3. T = R C 2π f cu = 1/T 39

40 HF- Emitterschaltung Eingang Emitterschaltung: C bc wird mit 1-Av multipliziert am Eingang wirksam: C = (1 Av) Av mit Vorzeichen! in C bc f cu = 2π R Q //R 1 1 //R //r 2 π (C be + C in ) 40

41 HF- Emitterschaltung Ausgang Emitterschaltung: C bc wird mit (Av-1)/Av multipliziert am Ausgang wirksam: C (Av 1) = Av out C bc f cu = 2π R C 1 //R L C out 41

42 HF- Kollektor- / Basisschaltung Kollektorschaltung: C be wird mit (1-Av) multipliziert am Eingang wirksam: sehr kleiner Wert C in 0 Am Eingang Zeitkonstante T = C bc R Q //Ri Am Ausgang C out = 0 breitbandig (Miller nicht gültig) Basisschaltung: kein Millereffekt, da kein Brücken-C Am Eingang Zeitkonstante T = C be R Q //R i = C be r e //R E //R Q Am Ausgang Zeitkonstante T = C bc R C //R L Da Netzwerke 1.Ordnung gilt jeweils: f cu = 1 2π T Der tiefste aller f cu Werte bestimmt die obere Grenzfrequenz des Verstärkers 42

43 Zusammenfassung 3 Grundschaltungen : CE, CC, CB mit spezifischen Eigenschaften Die untere Grenzfrequenz wird durch die Koppel-Kondensatoren bestimmt Zur Abschätzung nimmt man an, die Zeitkonstanten der Koppel-C seien unabhängig von einander Der grösste C-Wert ist das CE der Emitterschaltung Werden beim Design alle Zeitkonstanten gleich gross gewählt, muss die Grenzfrequenz entsprechend korrigiert werden Die obere Grenzfrequenz wird durch die interne Kapazitäten des Transistors bestimmt. Besonders nachteilig ist dies bei der Emitterschaltung mit grosser Verstärkung Das Miller Theorem hilft bei der Abschätzung der Grenzfrequenz Kollektor und Basisschaltung sind breitbandig, Kollektorschaltung eignet sich als Treiber, Basisschaltung als HF-Verstärker Genauere Berechnungen werden am erweiterten Kleinsignalersatzbild vorgenommen 43

44 Praktikum Frequenzgang Rechnen dann Simulieren oder Aufbauen DC: I B = 0 I E = 2 ma AC: β = nf 2N nf HF: C bc = 4 pf C be = 20 pf 3.3 µf TINA: bsp_koppel_c_hf r e = 12.5 Ω, Ri = 3k6, Ro = 3k9, Ro Kollektor 45 Ω, Av -43 f cl1 = 810 Hz, f cl2 = 1.07 khz, f cl3 = 930 Hz HF: Av = -51: C Miller = 208 pf, C be = 20 pf 44 Eingang bestimmt f uc = 1.4 MHz