Cuprins Curs. 07-dec-1

Temă. Care este valoarea lui I_D dacă V_GS=5V?

Cuprins Curs.09-DEC-1

Amplificatoare de semnal mic realizate cu TEC

• 
  Generalități
  
• 
  Amplificarea cu TEC
  
  • 
    Circuitul echivalent de semnal mic
    
  • 
    Câștigul în tensiune
    
    • 
      Dependența câștigului de rezistența r’_ds
      
    • 
      Dependența câștigului de R_s
      
  • 
    Rezistența poartă-sursă, R_IN(gate)
    
• 
  Amplificatoare cu TEC-J
  
  • 
    Configurația de amplificare cu sursa comună
    
  • 
    Configurația de amplificare cu drena comună
    
  • 
    Configurația de amplificare cu poarta comună
    
• 
  Amplificatoare cu TEC-MOS cu canal inițial
  
• 
  Amplificatoare cu TEC-MOS cu canal indus
  

Amplificatoare de semnal mic cu TEC

Generalități

Scopul polarizării este stabilirea unui PSF în jurul căruia să poată varia curentul și tensiunea ca răspuns la aplicarea la intrare a unui semnal de c.a. În cazurile în care este necesară amplificarea unor semnale de nivel redus – de la antene, microfoane etc. – variațiile din jurul PSF sunt relativ mici. Amplificatoarele destinate prelucrării unor asemenea semnale se numesc amplificatoare de semnal mic.

Cu toate că între tranzistoarele bipolare (TB) și tranzistoarele cu efect de câmp (TEC) există diferențe semnificative din punctul de vedere al parametrilor și caracteristicilor, în cadrul unui circuit de amplificare, atât TB cât și TEC li se atribuie același rol – cel de a amplifica un semnal mic, aplicat la intrare, cu factorul de multiplicare dorit. Datorită rezistenței lor mari de intrare, TEC sunt preferabile în anumite aplicații. Configurațiile de amplificare cu TB – cu emitorul comun, cu colectorul comun și cu baza comună – au echivalente cu realizate cu TEC. Este vorba de sursă comună (SC), cu drena comună (DC) și cu poarta comună (GC).
Amplificarea cu TEC

Prin definiție, transconductanța este g_m=I_D/V_GS (I_D și V_GS mici variații în jurul PSF) sau reprezintă raportul dintre derivata curentului de drenă în funcție de tensiunea drenă-sursă:

• 
  la TEC-J și TEC-MOS cu canal inițial
  

• 
  la TEC-MOS cu canal indus
  

În c.a., g_m=I_d/V_gs. Prin rearanjarea ecuației se obține:

Curentul de ieșire, I_d, este egal cu produsul dintre tensiunea de intrare, V_gs, și transconductanță, g_m.

Circuitul echivalent de semnal mic

Circuitul echivalent al unui TEC, construit conform relației pentru I_d, este prezentat în fig. În fig. 1, a, între poartă și sursă apare rezistența internă r’_gs, iar între drenă și sursă apare un generator de curent cu valoarea g_mV_gs (sursă de curent comandată de tensiune). Mai apare și rezistența internă dintre drenă și sursă, r’_ds. Schema din fig. 1, b este un model ideal, simplificat. Se consideră că rezistența r’_gs este infinită, ceea ce echivalează cu o întrerupere între poartă și sursă. De asemenea, se presupune că r’_ds este suficient de mare pentru a putea fi neglijată.

(a)(b)

Fig. 1.
Câștigul în tensiune

În fig. 2 se prezintă circuitul echivalent al unui TEC ideal, având o rezistență în circuitul exterior de c.a. al drenei (R_D în paralel cu R_L).

Fig. 2.

unde

Câștigul în tensiune alternativă al acestui circuit este V_out/V_in, unde V_in=V_gs și V_out=V_ds. Deci expresia câștigului în tensiune este:

Din circuitul echivalent

și din definiția transconductanței

Introducând ultimele două expresii în prima ecuație obținem valoarea în modul sau, simplu, valoarea (fără să se țină seama de relația de fază dintre semnalul de ieșire și cel de intrare):

Observații

Semnul minus are semnificația următoare: semnalul de ieșire este defazat cu 180 față de cel de intrare, adică atunci când semnalul de intrare (verde) începe cu alternanța pozitivă, cel de ieșire (roșu) începe cu alternanța negativă (fig. 3).

Fig. 3.

Exemplul 1

Un TEC are g_m=4mS. Care este câștigul teoretic în tensiune dacă în circuitul exterior de c.a. al drenei se află o rezistență de 1,5k?

Rezolvare:

Temă: care este câștigul teoretic în tensiune dacă g_m=6000µS și R_d=2,2k?
Dependența câștigului de rezistența r’_ds

Dacă se ține seama de rezistența internă dintre drenă și sursă a tranzistorului, aceasta apare în paralel cu R_d (fig. 4). Dacă r’_ds nu este mult mai mare decât R_d (de minimum 10 ori), câștigul este diminuat față de valoarea teoretică rezultată din ecuația amplificării ideale, având în cazul de față expresia:

Fig. 4.

Exemplul 2

Dispozitivul TEC din exemplul anterior are r’_ds=10k. Calculați câștigul în tensiune ținând cont de r’_ds.

Rezolvare

r’_ds este prectic în paralel cu rezistența externă din circuitul de c.a. al drenei, R_d. Deci:

Câștigul în tensiune este mai mic decât valoarea 6 (obținută în exemplul anterior) din cauză că r’_ds apare în paralel cu R_d.

Temă: Un TEC are g_m=6mS, r’_ds=5k și, în circuitul exterior de c.a. al drenei, o rezistență de 1k. Cât este câștigul în tensiune?
Dependența câștigului de rezistența din circuitul exterior al sursei

Prin introducerea unei rezistențe externe între terminalul sursei tranzistorului și masă se obține circuitul echivalent din fig. 5:

Fig. 5.
Examinând acest circuit, se constată că tensiunea de intrare totală dintre poartă și masă este:

Tensiunea de ieșire, culeasă pe R_d, este:

Deci formula câștigului în tensiune se deduce astfel:

Exemplul 3

Pentru circuitul echivalent al unui TEC din fig. 6, calculați câștigul în tensiune, considerând că tensiunea de ieșire se culege de pe R_d. Se neglijează r’_ds.

Fig. 6.

Rezolvare

În circuitul exterior al sursei se află un rezistor, deci câștigul în tensiune este:

Prin introducerea rezistorului R_s, câștigul în tensiune a scăzut de la 6 la 1,85.

Temă: Pentru circuitul din exemplul de mai sus, g_m=3,5mS, R_s=330 și R_d=1,8k. Calculați câștigul în tensiune, considerând că tensiunea de ieșire se culege de pe R_d. Se neglijează r’_ds.
Rezistența poartă-sursă

Teoretic, rezistența poartă sursă este infinită. În realitate, valoarea rezistenței poartă-sursă este finită dar de valoare foarte mare. Valoarea foarte mare a rezistenței poartă-sursă este impusă de joncțiunea pn, polarizată invers, la TEC-J și de structura de izolare a porții la TEC-MOS.

De obicei, în cataloage, valoarea curentului rezidual invers, I_GSS, este specificată pentru o anumită valoare V_GS, pentru a se putea calcula rezistența poartă-sursă:



Exemplul 4

Care este valoarea rezistenței poartă-sursă, dacă TEC-J se caracterizează prin I_GSS=30nA la V_GS=10V?

Rezolvare


Amplificatoare cu sursa comună

Amplificatoare cu TEC-J cu sursa comună

În fig. 7 se prezintă un TEC-J cu canal n, cu polarizare automată și cu sursă de c.a. cuplată capacitiv cu poarta. Rezistorul R_G îndeplinește două funcții: menține tensiunea continuă pe poartă la aproximativ 0V (deoarece I_GSS este extrem de mic), iar valoarea sa mare (de obicei, de câțiva M) facilitează o bună adaptare cu sursa de c.a. Tensiunea de polarizare este asigurată de căderea de tensiune de pe R_S. Condensatorul de decuplare C₂ menține, practic, sursa tranzistorului la masa de c.a.

Fig. 7.
Tensiunea semnalului de intrare produce variația tensiunii poartă-sursă de o parte și de cealaltă a valorii sale de PSF, având drept consecință variația corespunzătoare a curentului de drenă. La creșterea curentului de drenă se mărește și căderea de tensiune pe R_D, urmarea fiind o scădere a tensiunii din drenă. Excursia curentului de drenă de o parte și de cealaltă a PSF se desfășoară în fază cu tensiunea poartă-sursă. Tensiunea drenă-sursă este defazată cu -180 față de tensiunea poartă-sursă.

Modul de funcționare poate fi ilustrat grafic folosind curba caracteristicii de transfer, cât și pe cea a caracteristicii de drenă (fig. 8).

Fig. 8.
Pe caracteristica de transfer, când V_gs variază de la valoarea de PSF către valori mai negative, I_d scade față de valoarea sa de PSF. Dacă V_gs evoluează către tensiuni mai putin negative, I_d crește.

Pe caracteristica de drenă, semnalul aplicat pe poartă produce o variație a curentului de drenă, pe dreapta de sarcină, cu aceeași valoare în ambele sensuri față de PSF. Proiecțiile vârfurilor tensiunii din poartă pe axele I_D, respectiv V_DS delimitează variația vârf la vârf a curentului de drenă, respectiv a tensiunii drenă-sursă.

Analiza în c.c.

Pentru a analiza amplificatorul din fig. 9, a trebuie să aflăm mai întâi valorile mărămilor de c.c., necesare pentru polarizare. În acest scop vom desena circuitul echivalent de c.c., înlocuind toate condensatoarele cu întreruperi ale circuitului, ca în fig. 9, b.

a)	b)
Fig. 9.

Înainte de începerea analizei propriu-zise trebuie calculat I_D. Pentru ca amplificatorul să poată prelucra, fără distorsiuni, semnale simetrice (ex. sinusoidale), PSF-ul trebuie ales în centrul dreptei de sarcină. Dacă s-a polarizat circuitul în centrul dreptei de sarcină, I_D se poate calcula pornind de la valoarea I_dSS din foaia de catalog pentru TEC-J, astfel:

În caz contrar, trebuie calculat I_D pornind de la valorile parametrilor circuitului și trebuie rezolvată ecuația cu dependență pătratică cu necunoscuta I_D. Această ecuație rezultă prin substituția V_GS=I_DR_S în ecuația de dispozitiv. Rezolvarea ecuației implică aducerea ei la forma unei ecuații de gradul al doilea și rezolvarea acesteia.

După ce am aflat valoarea I_D, putem continua analiza în c.c. utilizând relațiile:

• 
  pentru tensiunea poartă-sursă
  

• 
  pentru tensiunea drenă-sursă
  

• 
  potențialul din drenă, în jurul căreia se modifică semnalul amplificat
  

• 
  potențialul din sursă
  

Circuitul echivalent de c.a.

Pentru a analiza funcționarea cu semnal a amplificatorului din fig. 9, a trebuie desenat circuitul de c.a. după metoda descrisă în continuare. Condensatoarele se înlocuiesc, practic, prin scurtcircuite, în ipoteza simplificatoare că X_C0 la frecvența semanlului. Sursa de alimentare de c.c se conectează la masă, în ipoteza că rezistența ei internă este zero. Borna de la care se culege V_DD este, în c.a., la potențialul de zero volți, prin urmare se comportă ca masă de c.a.

Circuitul echivalent de c.a. este prezentat în fig. 10, a.


Fig. 10
De remarcat că atât capătul dinspre +V_DD al rezistorului R_D, cât și terminalul sursei sunt practic legate la masa de c.a. Se amintește că în analiza de c.a., masa de c.a. și masa fizică a circuitului se confundă, ambele fiind supuse aceluiași regim.
Tensiunea semnalului pe poartă În fig. 10, b, la intrarea circuitului este conectată o sursă de tensiune alternativă. Deoarece rezistența de intrare a TEC este foarte mare, practic, toată tensiunea de intrare furnizată de sursa de semnal se regăsește în poartă, căderea de tensiune pe rezistența internă a sursei de semnal fiind foarte mică.


Câștigul în tensiune Expresia câștigului în tensiune al unui TEC este valabilă și în cazul amplificatorului cu sursa comună.

Tensiunea semnalului de ieșire din drenă, V_ds, este

sau

unde și

Exemplul 5

Care este tensiunea totală de ieșire în gol a amplificatorului din fig. 11? Dispozitivul TEC-J utilizat are I_DSS=12mA și V_GS(off)=-3V.

Fig. 11.

Rezolvare

În primul rând se calculează curentul de drenă, I_D.

Ecuația de circuit

Cu datele de catalog și înlocuind V_GS cu ecuația de circuit, ecuația de dispozitiv se scrie:

Din această relație se obține ecuația de gradul al doilea din care se determină I_D:

Se alege acea valoare a curentului de drenă pentru care

Condiția enunțată mai sus se îndeplinește pentru I_D2. Deci I_D=1,96mA.

Acum se poate determina V_D:

Apoi se determină panta g_m:

În fine, se găsește componenta alternativă a tensiunii de ieșire:

Dacă semnalul de intrare s-a indicat în valoare efectivă, atunci tensiunea totală de ieșire este formată dintr-un semnal de c.a. având valoarea vârf la vârf de , axat pe o componentă continuă de 5,53V.

Dependența câștigului în tensiune de sarcina în c.a.

Dacă la ieșirea amplificatorului se conectează o sarcină printr-un condensator de cuplaj, rezistența din drenă în c.a. este, practic, R_D în paralel cu R_L, deoarece capătul de sus al rezistorului R_D se află la masa de c.a. (fig. 12).

Rezistența totală din drenă, în c.a., este:

Conectarea sarcinii reduce câștigul în tensiune față de cel obținut cu ieșirea în gol, așa cum ilustrează exemplul 6.

Fig. 12.

Exemplul 6

Dacă la ieșirea amplificatorului din exemplul 5 se conectează un rezistor de sarcină de 4,7k, ce valoare eficace (efectivă) va avea tensiunea de ieșire?

Rezolvare

Rezistența din drenă în c.a. este:

Calculând V_out, obținem:

Se observă o reducere a amplitudinii semnalului de ieșire față de cea din exemplul 5 (1070mV).

Rezistența de intrare

Amplificatorul cu TEC-J din fig. 12, a este în conexiune sursă comună. În fig. 12, b se prezintă schema de c.a.

Deoarece intrarea într-un amplificator cu sursa comună se face prin poartă, rezistența de intrare este foarte mare. Teoretic, este infinită.

Rezistența reală, văzută de sursa de semnal este formată din rezistorul R_G, dintre poartă și masă, în paralel cu rezistența de intrare a tranzistorului, V_GS/I_GSS.

Exemplul 7

Ce rezistență de intrare vede sursa de semnal din fig. 13. TEC-J se caracterizează prin I_GSS=30nA la V_GS=10V.

Fig. 13.
Rezolvare

Rezistența de intrare văzută de sursa de semnal are valoarea:

Amplificator cu TEC-MOS cu canal inițial

Amplificatorul din fig. 14 este realizat cu un TEC-MOS cu canal inițial n, cu polarizare zero și cu sursă de c.a. cuplată capacitiv în poartă. Poarta se află la aproximativ 0V c.c., iar terminalul sursei este la masă, deci V_GS=0.

Tensiunea semnalului produce o variație V_gs de o parte și de alta a valorii de zero, obținându-se o variație a I_d. Când V_gs ia valori negative, tranzistorul lucrează în regim de sărăcire, iar I_d scade.



Fig. 14.

La valori V_gs pozitive, tranzistorul lucrează în regim de îmbogățire, iar I_d crește. Regimul de îmbogățire este reprezentat la dreapta axei verticale (V_GS=0), iar cel de sărăcire, la stânga ei (fig. 15).

Fig. 15.

De obicei, TEC-MOS cu canal inițial este polarizat la zero.

Analiza în c.c. a amplificatorului realizat cu TEC-MOS cu canal inițial, în conexiune sursă comună, este ceva mai simplă decât pentru un TEC-J, deoarece I_D=I_DSS la V_GS=0. Cunoscând I_D, rămâne de calculat doar V_D.



Analiza în c.a. se face la fel ca pentru amplificatorul cu TEC-J.
Exemplul 8

Dispozitivul TEC-MOS cu canal inițial din amplificatorul din fig. 16 are I_DSS=200mA și g_m=200mS. Calculați tensiunea continuă în drenă și tensiunea alternativă de ieșire. V_in=500mV.

Fig. 16.

Rezolvare

Amplificatorul este polarizat la zero, deci

Prin urmare

Tensiunea alternativă la ieșire este:

Temă: Dacă tranzistorul se înlocuiește cu un alt TEC-MOS cu canal inițial, având g_m=100mS și I_DSS=100mA, cât va fi tensiunea alternativă de ieșire pentru V_in=500mV?
Amplificator cu TEC-MOS cu canal indus

TEC-MOS cu canal indus n din fig. 17 este cu polarizare prin divizor de tensiune și cu sursă de c.a. cuplată capacitiv cu poarta. Pe poartă se aplică o tensiune de polarizare pozitivă astfel încât V_GS>V_GS(th).

Fig. 17.
Similar cu funcționarea dispozitivelor TEC-J și TEC-MOS cu canal inițial prezentate anterior, tensiunea semnalului produce o variație a V_gs de o parte și de cealaltă a valorii PSF, V_GSQ=V_GS(PSF). Aceasta, la rândul ei, are drept urmare variația I_d de o parte și de cealaltă a valorii sale de PSF, I_DQ=I_D(PSF). Funcționarea se desfășoară în exclusivitate în regim de îmbogățire (fig. 18).


Fig. 18.
La amplificatorul cu sursa comună realizat cu TEC-MOS cu canal indus, tensiunea V_GS mai mare decât valoarea de prag se obține prin polarizarea cu divizor de tensiune (fig. 19).