Sisältö 1 Johda kytkennälle Theveninin ekvivalentti 2 2 Simuloinnin ja laskennan vertailu 4 3 V CE ja V BE simulointituloksista 4 4 DC Sweep kuva 4 5 R 2 arvon etsintä 5 6 Simuloitu V C arvo 5 7 Toimintapiste asetus vs transistorin biasointi 5 8 Jännite vc taajuden funktiona 5 9 Pisteiden vc ja vin jännitteiden suhde 6 10 AC vai DC 7 11 Kyktentäkondensaattori 7 12 Ohituskondensaattori 7 13 Ohituskondensaattorin vaikutus 8 14 Mistä johtuu 8 15 Kytkennän kuva 8 16 V C ilman ohituskondensaattoria ja sen kanssa 9 17 Vahvistuksen kasvu 9 18 Emitterivastuksen tehtävät 9 19 Ominaiskäyrä 9 1
20 Kollektorivirta kun V 1 = 15V 10 21 Transistorin virtavahvistus 10 22 Transistorin ominaiskayrasto 10 23 Toimintasuora ja -piste 10 24 Amplitudivaste vout/vin 11 25 Amplitudivaste vout/vin desibeleissä 11 Viitteet 12 2
1 Johda kytkennälle Theveninin ekvivalentti Kuva 1: Theveninin ekvivalentti biasoitavalle kytkennälle Theveninin ekvivalentiksi muutettiin kaavio kuvassa 1 näkyvään muotoon. Tällöin V th ja R th saadaan kaavoista [1, sivu 16]. V th = R 2 V 1 R 1 + R 2 = 22kΩ 120kΩ + 22kΩ 10V 1,55V R th = R 1 R 2 = R 1 R 2 R 1 + R 2 = 120kΩ 22kΩ 120kΩ + 22kΩ 18,6kΩ 3
Kierretään thevenin-piiri myötäpäivään ja sovelletaan NPN-transistorin kaavoja [1, sivu 10] sekä Kirchon jännitelakia: I C = βi B I E = I B + I C = (1 + β)i B V BE = 0,7V V th = R th I B V BE + R E I E = R th I B V BE + (1 + β)r E I B = ((1 β)r E + R th )I B + V B E V th V BE = ((1 + β)r E I B = V th + V BE (1 + β)r E + R t h = 1,55V + 0,7V 201 1kΩ + 18,6kΩ 10,3µA 4
2 Simuloinnin ja laskennan vertailu Lasketaan sitten pisteiden V E ja V C jännitteet, ja niistä erojännite: V E = V 1 R C I C = V 1 βr C I B 10V 200 4,7kΩ 10,3µA 0,32V V C = 0 + R E I E = R E (1 + β)i B = 1kΩ (1 + 200) 10,3µA = 2,07V V CE = V C V E = 1,75V 3 V CE ja V BE simulointituloksista Simuloinnin perusteella: V CE = V C V E = 6,205V 812,5mV 5,4V V BE = V B V E = 1,451V 812,5mV 0,64V Simuloinnin tulosten perusteella Q2N222 vahvistus vaikuttaisi olevan luokkaa 40, eikä 200, tulokset lienevät tästä syystä vinksallaan. 4 DC Sweep kuva DC-sweepin tuottama kuvaaja kuvassa2. 5
Kuva 2: DC-sweep, x-akselilla R 2 vastus ohmeissa, y-akselilla jännite V C 5 R 2 arvon etsintä Kuvaajaa suurentamalla saadaan R 2 vastuksen arvoksi n. 27,5kΩ jotta V C olisi 5V. 6 Simuloitu V C arvo Asettamalla vastuksen arvoksi 27,5kΩ antaa Bias point V C arvoksi 5,027V, joka on melko lähellä haluttua 5V arvoa. 7 Toimintapiste asetus vs transistorin biasointi Biasointi on sama asia kuin toimintapisteen asetus, tarkoituksena on saada transistorin toiminta-alue sopivaksi, ettei se mene rikki. 8 Jännite vc taajuden funktiona Pisteen vc jännite taajuuden funktiona on esitetty kuvassa 3. 6
Kuva 3: vc-taajuusvaste, x-akselilla taajuus, y-akselilla vc-pisteen jännite 9 Pisteiden vc ja vin jännitteiden suhde Kuva 4: vc-taajuusvaste, x-akselilla taajuus, y-akselilla vc ja vin -pisteiden jännitteiden suhde Pisteiden vc ja vin jännitteiden suhde taajuuden funktiona on kuvattu kuvassa 4. Kuvasta voidaan arvioida vahvistukseksi 4,55, eli 10 log 10 4,55 = 6.6dB. 7
10 AC vai DC AC. Kytkennässä on käytetty kytkentäkondensaattoria eikä DC-komponenttia vahvisteta. 11 Kyktentäkondensaattori Kytkentäkondensaattorin tarkoituksena on pitää jännitteet oikeilla arvoalueilla. Kytkentäkondensaattori yleensä aiheuttaa taajuusvasteen alemman rajataajuuden. [2, sivu 16] /V 12 Ohituskondensaattori Kuva 5: vc-taajuusvaste, x-akselilla taajuus, y-akselilla virtavahvistus desibeleissä Ohituskondensaattorin jälkeinen amplitudivaste desibeleissä on esitetty kuvassa 5. 8
13 Ohituskondensaattorin vaikutus 400kHz kohdalla amplitudivaste on n. 45dB, joka on lähes nelinkertainen ilman ohituskondensaattoria saatuun 13.2dB amplitudivasteeseen. Vaste säilyy melko vakiona 1M Hz arvoon asti. 14 Mistä johtuu Kytkentäkondensaattori mahdollistaa korkeilla taajuuksilla suoran reitin maahan emitterivastuksen R E ohi ja näin nostaa vahvistusta. [2] 15 Kytkennän kuva Kuva 6: vc-taajuusvaste, x-akselilla taajuus, y-akselilla virtavahvistus desibeleissä Ohituskondensaattorikytkentä on esitetty kuvassa 6. 9
Kuva 7: vc-taajuusvaste, x-akselilla taajuus, y-akselilla jännite 16 V C ilman ohituskondensaattoria ja sen kanssa Ohituskondensaattorikytkennän ja ilman olevan kytkennät V C -jännitteet on esitetty kuvassa7. Valitettavasti PSpice ei ole täysin yhteensopiva Windows7:n kanssa eikä Append Waveform toiminut, joten kuvat on liitetty kuvankäsittelyohjelmalla yhteen. 17 Vahvistuksen kasvu Vahvistus ei juurikaan muuttunut taajuusalueella 0Hz 1kHz, mutta alueella 400kHz 1M Hz amplitudivahvistus oli n. 30dB suurempi, eli 1000 kertainen. 18 Emitterivastuksen tehtävät Emitterivastuksen tehtävänä on tasapainottaa vahvistusta jos transistorin β vaihtelee ja kasvattaa kaistanleveyttä. Se myös pienentää piensignaalin vahvistusta. [2, sivu 10]. 19 Ominaiskäyrä Transistorin ominaiskäyrä on esitetty kuvassa 8. 10
Kuva 8: vc-taajuusvaste, x-akselilla taajuus, y-akselilla jännite logaritmisella asteikolla 20 Kollektorivirta kun V 1 = 15V Luettu kuvaajasta (myös merkattu): 8,2mA. 21 Transistorin virtavahvistus 1 + h F E = I E I B 8,2mA 40µA h F E 8,2mA 40µA 1 204 22 Transistorin ominaiskayrasto Transistorin ominaiskäyrästö on esitetty kuvassa 9. 23 Toimintasuora ja -piste Toimintasuora ja -piste on piirretty kuvaan 9. 11
Kuva 9: Transistorin ominaiskäyrästö 24 Amplitudivaste vout/vin Kuva 10: Kytkennän amplutudivaste vout/vin taajuuden funktiona Kytkennän lineaarinen amplutidivaste on esitetty kuvassa 10. Kytkennän vahvistus on 2.0. 25 Amplitudivaste vout/vin desibeleissä Kytkennän logaritminen amplitudivaste on esitetty kuvassa 11. Kytkennän vahvistus desibeleissä on 20 log 10 2.0 = 6dB. 12
Kuva 11: Kytkennän amplutudivaste vout/vin taajuuden funktiona 26 Minkä tyypin suodin Kytkentä on alipäästösuodin, suodin päästää taajuudet väliltä 0-200 khz, jonka jälkeen vaimenee ja lopulta suodattaa taajuuksia. 27 Suotimen rajataajuus Suotimen rajataajuus on n. 250 khz. Tässä kohtaa jännitevahvistus laskee alle 1 2 maksimista. 28 Suotimen kaistanleveys Kaistanleveys on rajataajuuksien väli, ja koska alempi rajataajuus on 0, kaistanleveys on suoraan ylempi rajataajuus, eli 245 khz. 29 Kommentit työstä PSpice ei enää ole täysin yhteensopiva uusimpien käyttöjärjestelmien kanssa, mikä saattaa aiheuttaa turhia ongelmia työn tekijöille. 13
Viitteet [1] TTY Elektroniikan Laitos, Ele-1020 8.luento. http://www.ele.tut. fi/teaching/ele-1020/luennot06/ele1020luento8_netti.pdf, luettu 05.02.2010. [2] TTY Elektroniikan Laitos, Ele-1020 9.luento. http://www.ele.tut. fi/teaching/ele-1020/luennot06/ele1020luento9_netti.pdf, luettu 05.02.2010. 14