Andrzej Szerszen
S5827
Projekt wzamcniacza opertego o tranzystor n-p-n Q2N2222
Dane:
E
C
=12V
f
d
=15Hz
f
g
=25kHz
R
O
=15kΩ
R
g
=4,7kΩ
Poszukiwane:
R
B1
, R
B2,
R
C
, R
E
, C
E
, C
1
, C
2
i C
X
– brakujący na chemacie filtr dolnoprzepustowy RC
Prawidłowy schemat wzmacniacza :
Figure 1 Schemat wzmacniacza
Wy
+Ec
Ro
Rc
RB1
RB2
RE
CE
C2
C1
Rg
Cx
Zadanie 1.
Stosując program Pspice wykonaj wykresy statycznych charakterystyk wejściowych i
wyjściowych tranzystora n-p-n Q2N2222, dla układu ze wspólnym emiterem(WE).
Analizę wykonaj dla temperatury t
j
=27°C, w zakresie zmian prądu bazy w przedziale
0-120 µA, ze skokiem 10µA.
Rozwiązanie:
Charakterystyka wejściowa dla mojego tranzystora w Pspice w układzie pomiarowym
jak na rysunku poniżej:
Figure 2 .Pomiar charekterystyki wejściowej
Figure 3 Wykres Charakterystyki wejsciowej
0.001
R1
+
-
V2
DC=12
Q2N2222
Q1
+
-
V1
0
0
0
A1:(713.964m,75.001u) A2:(600.000m,1.3977u) DIFF(A):(113.964m,73.604u)
Date/Time run: 06/26/10 20:12:51
* C:\Documents and Settings\aszerszen\My Documents\Schemat WE.sch
Temperature: 27.0
Date: June 26, 2010
Page 1
Time: 20:14:52
(A) Schemat WE.dat (active)
V_V1
600mV
620mV
640mV
660mV
680mV
700mV
720mV
740mV
760mV
IB(Q1)
0A
50uA
100uA
150uA
200uA
250uA
300uA
Napięcie wejściowe w punkcie pracy
Charakterystyka wyjściowa dla mojego tranzystora w Pspice w układzie pomiarowym
jak na rysunku poniżej:
Figure 4 Pomiar Charakterystyki wyjsciowej
Figure 5 Charakterystyka Wyjściowa tranzystora
0.001
R1
Q2N2222
Q1
+
-
I1
+
-
V
0
0
0
Date/Time run: 06/26/10 17:30:12
* C:\Documents and Settings\aszerszen\My Documents\Schemat WY.sch
Temperature: 27.0
Date: June 26, 2010
Page 1
Time: 17:30:24
(A) Schemat WY.dat (active)
V_V2
0V
2V
4V
6V
8V
10V
12V
Ic(Q1)
-5mA
0A
5mA
10mA
15mA
20mA
25mA
U
CES
75uA
Punkt Pracy
Zadanie 2. Dla schematu jak na rys. 1 (Figure 1) Wykonaj project wzmacniacza
jednowstopniowego w układzie WE dla małych amplitud 3db I paramaetrach jak w
danych ze strony 1. Oblicz uzyskane wzmocnienie Ku i Ki, oraz rezystencję
wejsciową r
WE
i wyjściową r
WY
. Obliczenia wykonajbez użycia komputera przy
załozeniu r
BB
=0, oraz h
22
=1, r
CE
=0 Dobór pracy tranzystora na charakterystykach
uzyskanych z zadania 1.
Rozwiązanie:
Wybieram Punkt Pracy z charakterystyk WE, WY tranzystora:
U
CEQ
=4V, I
BQ
= 75µA, I
CQ
=14mA z charakterystyki wyjsciowej,
I
B
=75µA ⇒ 713mV = U
BQ
z charakterystyki wejściowej.
Za pomocą tych danych wyliczm współczynik β dla Q2N2222.
€
β =
I
CQ
I
BQ
=
14mA
75µ
A =
14 * 0,001A
75 * 0,000001A
= 186,7- współczynnik wzmocnienia.
Obliczmamy Rc i R
E
:
U
EC
= I
CQ
* R
C
+U
CEQ
+I
EQ
*R
E
wiadomo, ze prąd emitera jest równy prądom bazy i
kolektora, oraz prąd kolektora jest równy β*I
B
+(1+β)*I
CQ
a ponieważ I
CQ
jest bardzo
małe to zakładamy, że I
CQ
= β* I
BQ
, czyli
€
I
BQ
=
I
CQ
β
I
E
= I
CQ
+
€
I
CQ
β
, więc U
CC
=I
CQ
*R
C
+U
CEQ
+(I
CA
+
€
I
CQ
β
)*R
E
Ponieważ ICQ>>
€
I
CQ
β
mozemy wyłaczyć je z równania:
U
CC
=I
CQ
*R
C
+U
CEQ
+I
CA
*R
E
U
CC
- U
CEQ
= I
CQ
(R
E
+ R
C
), czyli R
E
+ R
C
=
€
U
cc
− U
CEQ
I
CQ
podstwiając
R
E
+ R
C
=
€
12V − 4V
14mA
= 571,4Ω
Wyliczmy zakres pracy wzmacniacza potrzebny do ustalenia konkretnych impedencji
R
E
i R
C.
U
WYMAX-
=U
CEQ
-U
CES
, gdzie U
CES
wynika z charakterystyki wyjsciowej ≈ 0,5V, czyli
U
WYMAX-/+
=4V-0,5V=3,5V
U
WYMAX
= I
CQ
(R
C
||R
O
)
R
C
=
€
U
wy max
* R
O
I
CQ
* R
O
− U
wy max
=
3,5V *15kΩ
14mA *15kΩ − 3,5V
=
3,5 *15000
0,014815000 − 3,5
= 254Ω
R
E
=571,4Ω-254Ω=317,4Ω
Obliczamy R
B1
I R
B2
, wychodzimy z załozenia, ze R
B2
musi być o wiele wiekszy R
B1
,
zeby nie wpływało to na napięcie U
B
.
I
B
= 75µA, U
B
= 0,713V
I
B
<< I
RBA
⇒ I
B
*10= I
RBA
=0,75mA z tego wynika, że U
RB1
=U
CC
–U
BQ
-U
RE
U
REQ
=I
EQ
*R
E
=14mA*317,4Ω=4,44V
R
B1
=
€
U
CC
− U
BQ
− U
REQ
I
RB1
=
12V − 0,713V − 4,44
0,75mA
= 9,18kΩ
R
B2
=
€
U
BQ
+ U
REQ
11* I
BQ
=
0,713V + 4,44V
11* 0,75µA
= 6,2kΩ
Obliczam rezystencję wejsciową R
B
.
R
B=
€
R
B1
* R
B 2
R
B1
+ R
B 2
= 3,7kΩ
Obliczmy wzmocnienie napięcowe Ku w zakresie srednich częstotliwości:
R
WE
=
€
R
B
* r
be
R
B
+ r
be
= (R
B
|| r
be
)
r
be =
β* r
eb
r
eb
=
€
ϕ
T
I
E
k(stała Boltzmana)
q ( ładunek elektryczny)
T(współczynnik temperaturowy)
C = 25+273= 298 K
€
r
eb
'
=
ϕ
t
I
E
r
eb
`
=
25,5mV
14mA
r
eb
`
=
25,5 * 0,001V
14 * 0,001A
r
eb
`
=
0,0255V
0,014 A
r
eb
`
= 1,82Ω
€
r
b
'
e
=
β
* r
eb
'
r
b
'
e
= 186,7 *1,82Ω
r
b
'
e
= 339,8Ω
€
R
we
= r
b
'
e
|| R
b
=
r
b
'
e
* R
B
r
b
'
e
+ R
B
R
we
=
339.8Ω * 3,7kΩ
339,8Ω + 3,7kΩ
R
we
= 331Ω
€
g
m
=
I
c
ϕ
T
g
m
=
14mA
22,5mV
g
m
= 549mS
€
K
u
=
R
we
R
we
+ R
g
* g
m
* (R
c
|| R
o
)
K
u
=
R
we
R
we
+ R
g
* gm *
R
c
* R
o
R
c
+ R
o
K
u
=
331Ω
331Ω + 4700Ω
* 0,549 *
15000Ω * 254Ω
15000Ω + 254Ω
= 0,0658 * 0,549S * 249,7Ω = 9,02
wzmocnienie napięciowe = 9,02
Obliczmy wzmocnienie prądowe K
I
w zakresie srednich częstotliwości:
€
K
1
= K
u
*
R
O
R
g
K
1
= 9,02 *
15kΩ
4,7kΩ
= 28,8
wzmocnieie prądowe wynosi 28,8
Obliczmy pojemności kondensatorów dla niskich częstotliwosci:
€
C
1
=
10
2 * π * f
d
* (R
g
+ R
we
)
C
1
=
10
2 * 3,14 *15Hz * (4,7kΩ + 331Ω)
=
10
6,28 *15 * (4,7 *1000 + 331Ω)
= 35
µF
€
C
2
=
10
2 *
π
* f
d
* (R
o
+ R
c
)
C
2
=
10
2 * 3,14 *15Hz * (15kΩ +1,23kΩ)
C
2
=
10
6,28 *15 *16,23*1000
C
2
=
10
1528866
C
2
= 6,5uF
Dla C
1
i
C
2
przyjmuję 10-‐krotnie mniejsza wartość f
d
, ponieważ chcę żeby C
E
był
decydującym kondensatorem o f
d
calego układu.
€
R
CE
= R
E
||
r
b
'
e
+ R
g
|| R
B
β +1
€
R
G
R
B
=
R
g
* R
B
R
g
+ R
B
R
G
R
B
=
4,7kΩ * 3,7kΩ
4,7kΩ + 3,7kΩ
= 2,07Ω
€
R
CE
= R
E
||
r
b
'
e
+ R
g
|| R
B
β +1
R
CE
= 317,4Ω ||
339,8Ω + 2070Ω
186,7 +1
R
CE
= 317,4Ω ||12,8Ω
R
CE
=
317,4Ω *12,8Ω
317,4Ω +12,8Ω
= 12,3Ω
€
C
E
=
1
2 * π * f
d
* R
CE
C
E
=
1
2 * 3,14 *15Hz *12,3Ω
C
E
= 862
µF
Obliczmay pojemność C
X
(filtr RC dolnoprzepustowy):
€
f
g
=
1
2ΠR
CX
C
X
,(Hz)
R
CX
= R
O
|| R
C
,
R
CX
=
15000Ω * 254Ω
15000Ω + 254Ω
= 250Ω
C
X
=
1
2 * 3,14 * 25000Hz * 250Ω
= 25,4nF
Obliczamy
KU
[dB]
:
€
K
u[dB ]
= 20log(9,02) = 19,1
Zadanie 3.
Wykonaj analize projektu z Zadania 2 stosując PSpice. Porównaj uzyskane wyniki
obliczeń uwzględniając przy porównaniu fakt zastosowania uproszczonych zasad w
Zad 2.
Odpowiedź:
Po dokonaniu symulacji wzmacniacza widzimy róznice wynikające z obliczeń:
Maksymalna wartość wzmocnienia przy napięciu wejsciowym 750mV wynosi około
8X, czyli K
U
= 8, z obliczen wynikało 9,2 . Odcięcie dolnych częstotliwości przy -3db
to 13,5Hz a nie 15Hz, f
g
=26kHz, a zakładalismy 25kHz.
Poniżej układ, oraz charakterytyka pracy wzmacniacza.
Figure 6 Schemat Wzmacniacza w PSpice
Figure 7 Charakterystyka Wzmacniacza w PSpice
+
-
WE
+
-
V2
25.4n
Cx
15k
RO
862u
CE
317.4
Re
9.18k
RB1
254
RC
Q1
Q2N2222
6.5u
C2
4.7k
Rg
C1
35u
6.2k
RB2
0
0
0
0
0
0
0
Date/Time run: 07/03/10 22:18:20
* C:\Documents and Settings\aszerszen\My Documents\ukladBzyk.sch
Temperature: 27.0
Date: July 03, 2010
Page 1
Time: 22:19:02
(A) ukladBzyk.dat (active)
Frequency
1.0Hz
10Hz
100Hz
1.0KHz
10KHz
100KHz
1.0MHz
V2(Cx)
0V
2.0V
4.0V
6.0V
8.0V
-3db
