slide1 l.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
مدارهای الکترونیکی PowerPoint Presentation
Download Presentation
مدارهای الکترونیکی

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 86

مدارهای الکترونیکی - PowerPoint PPT Presentation


  • 306 Views
  • Uploaded on

Amirkabir University of Technology Computer Engineering & Information Technology Department. مدارهای الکترونیکی. دکتر سعید شیری & کتاب MICROELECTRONIC CIRCUITS 5/e Sedra/Smith. معرفی. کتاب درسی: فصل های 1- 6 از کتاب MICROELECTRONIC CIRCUITS 5/e Sedra/Smith

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'مدارهای الکترونیکی' - kemp


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

Amirkabir University of TechnologyComputer Engineering & Information Technology Department

مدارهای الکترونیکی

دکتر سعید شیری

& کتابMICROELECTRONIC CIRCUITS 5/e

Sedra/Smith

slide2
معرفی
  • کتاب درسی:

فصل های 1- 6 از کتاب

  • MICROELECTRONIC CIRCUITS 5/e

Sedra/Smith

  • اسلاید ها ، کتاب و سایر موارد را میتوانید از سایت زیر دانلود کنید:
  • ceit.aut.ac.ir/~shiry/lecture/electronics
  • کتاب را از سایت دانشکده نیزمیتوانید دریافت کنید:
  • Common\shiry\electronics
slide3
ارزیابی درس
  • امتحان میان ترم اول 25 درصد
  • امتحان میان ترم دوم 25 درصد
  • امتحان پایان ترم 35 درصد
  • تمرین 15 درصد
slide4
مباحث درس
  • فصول زیر از کتاب مورد مطالعه قرار خواهند گرفت:
    • فصل اول: مقدمه ای بر الکترونیک
    • فصل دوم: تقویت کننده های عملیاتی OP-AMP
    • فصل سوم: دیودها DIODE
    • فصل چهارم: ترانزیستورهای اثر میدان MOSFET
    • فصل پنجم: ترانزیستورهای پیوند دوقطبی BJT
slide5
مقدمه
  • چرا یک دانشجوی کامپیوتر باید درس مدارهای الکترونیکی را بگذراند؟
slide6
مثال : گوشی موبایل
  • اجزای یک گوشی موبایل:
    • یک برد الکترونیکی شامل پردازنده، مدارات تقویت کننده، مبدلهای آنالوگ به دیجیتال و برعکس، فرستنده و گیرنده
    • یک آنتن برای انتشار امواج در هوا
    • صفحه نمایش
    • صفحه کلید
    • میکروفن
    • بلندگو
    • باتری
slide7
پردازنده
  • پردازنده گوشی همه کارهای مربوط به تشخیص کلید های فشار داده شده، نمایش اطلاعات، اجرای فرامین، ارسال و دریافت سیگنال از مرکزو اجرای برنامه هائی نظیر ماشین حساب، دفترچه تلفن و غیره را انجام میدهد.
slide8
بلندگو و میکروفن
  • گوشی های موبایل دارای یک بلندگو ظریف و کارا هستند که بعضا صدا را با کیفیت موسیقی پخش میکنند.
  • همچنین دارای یک میکروفن کوچک هستند.
slide9
صفحه کلید و صفحه نمایش
  • صفه کلید و صفحه نمایش جزو ورودی ها و خروجی های اصلی گوشی ها هستند.
slide10
مبدل های دیجیتال به آنالوگ، و آنالوگ به دیجیتال
  • سیگنال خروجی میکروفن پس از تقویت به یک مبدل آنالوگ به دیجیتال اعمال میشود تا به اطلاعات دیجیتال تبدیل میشود تا از طریق پردازنده قابل پردازش باشد.
  • سیگنال دیجیتال که توسط پردازنده پردازش شده، از طریق یک مبدل دیجیتال به آنالوگ تبدیل شده و به اندازه ای تقویت میشودتا از طریق بلندگو قابل پخش باشد.
slide11
مثال: سوئیچ
  • یک سوئیچ الکتریکی وسیله ای است که میتواند مانع عبور جریان الکتریکی در یک مدار شود.
  • سوئیچ ها وسایل باینری هستند که یا بسته و یا باز هستند.
  • سوئیچ ها جزو اصلی مدارات دیجیتال هستند که برای ساختن گیت های منطقی و پیاده سازی توابع بولی بکار میروند.
slide12
مدار داخلی یک گیت
  • سوئیچ ها و گیت ها با استفاده از ترانزیستورها و سایر المانهای الکتریکی ساخته میشوند.
slide13
مباحث این فصل
  • مدارهای الکترونیکی و پردازش سیگنال
  • دسته بندی سیگنالهای الکترونیکی
  • قرارداد ها و علائم
  • مدار تقویت کننده
  • مدل مداری برای آمپلی فایر
  • پاسخ فرکانسی
slide14
سیگنالها و اطلاعات
  • اطلاعات موجود در اطراف ما مثل درجه حرارت، صدا، نور و غیره را میتوان از طریق مبدل ها به سیگناهای الکتریکی تبدیل نمود. این سیگنالها ممکن است از نوع جریان و یا ولتاژ باشند.
  • سیگنال الکتریکی دارای این خاصیت است که میتوان آنها را توسط مدارات الکترونیکی مورد پردازش قرار داد.
slide15
منبع سیگنال الکتریکی
  • سیگنالی را که توسط مبدل تولید میشود به یکی از دوحالت زیر میتوان نشان داد:

Figure 1.1 Two alternative representations of a signal source: (a) the Thévenin form, and (b) the Norton form.

  • مدل نورتن وقتی استفاده میشود که مقاومت Rs منبع زیاد باشد، مدل تونن وقتی استفاده میشود که مقاومت Rs منبع کم باشد.
  • این دو مدل قابل تبدیل شدن به یکدیگر هستند.
slide16
تبدیل صوت به الکتریسیته توسط میکروفن
  • میکروفن خازنی
    • این نوع میکروفن در واقع از یک خازن تشکیل شده است که یک صفحه از خازن در اثر امواج صدا به حرکت در می آید و در نتیجه ظرفیت خازن تغییر میکند. در این نوع از میکروفن با استفاده از یک باتری ولتاژی در روی خازن برقرار میشود که در اثر تغییرات ظرفیت خازن مقدار ولتاژ دو سر آن نیز تغییر میکند. مقدار این تغییرات بسیار ناچیز است لذا با استفاده از یک تقویت کننده مقدار آن تقویت میشود تا سیگنال قابل استفاده ای بدست آید.
    • مدار معادل این منبع سیگنال یک مدار تونن خواهد بود.
slide17
تبدیل صوت به الکتریسیته توسط میکروفن
  • میکروفن دینامیکی
  • این میکروفن با استفاده از اثر الکترومغناطیسی کار میکند. دیافراگم این میکروفن به یک مغناطیس و یا سیم پیچ وصل است که در اثر تغییرات صدا جابجا شده و جریان بسیار ضعیفی را ایجاد میکند. این جریان با استفاده از یک تقویت کننده تقویت میشود تا قابل استفاده شود.
    • مدار معادل این منبع سیگنال یک مدار نورتن خواهد بود.
slide18
شکل موج سیگنال
  • مقدار یک سیگنال با زمان تغییر میکند. برای سیگنالهائی که توسط مبدل ها تولید میشوند، شکل سیگنال پیچیده بوده و قابل بیان با یک رابطه ریاضی ساده نمی باشد.
  • ولی این سیگنالها را میتوان توسط مولفه فرکانسی آنها بیان نمود.
  • اگر سیگنال بصورت پریودیک باشد با سری فوریه و اگر غیر پریودیک باشد با تبدیل فوریه نشان داده میشود.

Figure 1.2 An arbitrary voltage signal vs(t).

slide19
سری فوریه
  • یک سیگنال متناوب را میتوان با استفاده از تبدیل فوریه نشان داد.
  • مولفه های سینوسی این سیگنال را میتوان بصورت یک طیف فرکانسی نشان داد.

Figure 1.4 A symmetrical square-wave signal of amplitude V.

فرکانس اصلی = W0

Figure 1.5 The frequency spectrum (also known as the line spectrum) of the periodic square wave of Fig. 1.4.

slide20
تبدیل فوریه
  • یک سیگنال غیر متناوب را میتوان از طریق تبدیل فوریه به یک طیف پیوسته از فرکانسهای سینوسی تبدیل نمود.
  • در عمل اگر چه این سیگنال دارای همه فرکانسها میباشد، دامنه آن در محدوده خاصی بیشتر خواهد بود.

Figure 1.6 The frequency spectrum of an arbitrary waveform such as that in Fig. 1.2.

slide21
موج سینوسی
  • بعلت اینکه در سری فوریه و تبدیل فوریه یک سیگنال دلخواه بصورت مجموعه ای از سیگنالهای سینوسی نشان داده میشود، این سیگنال اهمیت زیادی در مدارات الکترونیکی دارد.

یک سیگنال سینوسی با مقدار حداکثردامنه آن V(t) مقدار فرکانس آن w =f=1/T و مقدار فاز آن q مشخص میشود.

Figure 1.3 Sine-wave voltage signal of amplitude Va and

frequency f = 1/T Hz. The angular frequency v = 2pf rad/s.

slide22
مثال: سیگنال صوتی
  • یک میکروفن مبدلی است که سیگنال صوتی را به سیگنال الکتریکی تبدیل میکند.
  • این سیگنال غیر متناوب است از اینرو تبدیل فوریه آن دارای همه نوع فرکانسی خواهد بود. اما گوش انسان فقط میتواند سیگنالهای بین 20-20000 هرتز را تشخیص دهد.
slide23
دسته بندی سیگنالها
  • سیگنال پیوسته (Analog) سیگنالی است که میتواند دارای هر مقداری باشد. این سیگنال مشابه سیگنالی است که توسط منبع تولید میشود.

اگر درزمانهای مشخصی مثل t0,t1,t2 مقدار یک سیگنال آنالوگ را اندازه گیری کنیم یعنی از آن نمونه برداری نمائیم، و مقدار نمونه ها را کوانتیزه کنیم یعنی مقادیر آن را با تعداد محدودی رقم نشان دهیم، میتوانیم سیگنال آنالوگ را با تعدادی عدد نشان دهیم که به آن سیگنال دیجیتال میگویند.

Figure 1.7 Sampling the continuous-time analog signal in (a) results in the discrete-time signal in (b).

slide24
تبدیل سیگنال

Figure 1.9 Block-diagram representation of the analog-to-digital converter (ADC).

slide25
تقویت سیگنال
  • معمولا سیگنالهائی که توسط مبدلها تولید میشوند بسیار ضعیف هستند.
  • مثلا خروجی یک میکروفن ممکن است در حد mv و یا سیگنالی که از آنتن رادیو دریافت میشود در حد mV باشد.
  • از اینرو در مواقع زیادی سیگنالها باید توسط مداری به اندازه کافی تقویت شوند تا قابل استفاده شوند.
  • چنین مداری یک تقویت کننده نامیده میشود: Amplifier

قطعات داخلی یک تقویت کننده

slide26
تقویت کننده
  • تقویت کننده ایده آل:
    • مداری است که سیگنال ورودی را بدون هیچ اعوجاجی تقویت میکند.
    • شکل موج سیگنال خروجی با سیگنال ورودی یکسان است با این تفاوت که در یک ضریب ضرب میشود.
    • یک تقویت کننده ایده آل را معمولا خطی در نظر میگیریم:

مقدار تقویت

سیگنال ورودی

سیگنال خروجی

slide27
علامت مداری تقویت کننده
  • تقویت کننده یک مدار دو پورتی است که در حالت کلی مثل شکل a نشان داده میشود.
  • در موارد زیادی ورودی و خروجی هر دو به یک نقطه مشترک که زمین مدار نامیده میشود وصل میشوند تا امکان مقایسه آندو وجود داشته باشد ( شکل b ).

Figure 1.10 (a) Circuit symbol for amplifier. (b) An amplifier with a common terminal (ground) between the input and output ports.

voltage gain
بهره ولتاژ (Voltage Gain)
  • یک تقویت کننده ایده آل بازای سیگنال ورودی vI(t) سیگنال vo(t)

را در مقاومت بار RL تولید میکند. نسبت ایندو ولتاژ بهره ولتاژ نامیده میشود.

Figure 1.11 (a) A voltage amplifier fed with a signal vI(t) and connected to a load resistance RL. (b) Transfer characteristic of a linear voltage amplifier with voltage gain Av.

power gain
بهره توان (Power Gain)
  • یک تفاوت تقویت کننده با وسیله ای مثل یک ترانسفورمر در این است که در حالی که هر دو قادر به افزایش ولتاژ در خروجی هستند، تقویت کننده میتواند توان را نیز در خروجی افزایش دهد در حالیکه توان خروجی ترانسفورمر کمتر و یا برابر با توان ورودی آن است.
  • بدیهی است که تقویت کننده میتواند جریان را نیز تقویت نماید:
slide30
نمایش بهره
  • بهره یک مقدار بدون دیمانسیون است. بدلایل عمدتا تاریخی برای نمایش بهره آنرا بصورت زیر نمایش میدهند:
slide31
منبع تغذیه تقویت کننده
  • دیدیم که تقویت کننده میتواند توان بیشتری از توان سیگنال ورودی را به خروجی تحویل دهد. این توان در عمل از طریق منابع تغذیه ای که توان لازم را تامین میکنند فراهم میشود.

نحوه اتصال تقویت کننده به منابع تغذیه

Figure 1.12 An amplifier that requires two dc supplies (shown as batteries) for operation.

slide32
منبع تغذیه تقویت کننده
  • توانی که توسط منابع تغذیه تامین میشود برابر است با:
  • قسمتی از این توان به بار تحویل داده میشود و بقیه در مدارهای داخلی تقویت کننده مصرف میشود.
  • بازدهی یک تقویت کننده بر اساس نسبت توان ورودی به توان تحویلی به بار اندازه گیری میشود. چون مقدار توان سیگنال ورودی نسبت به توان منبع تغذیه خیلی کمتراست میتوان از آن صرف نظر کرد.
slide33
مثال
  • تقویت کننده ای را در نظر بگیرید که به یک منبع تغذیه -+ 10V متصل است. یک منبع سیگنال ولتاژ سینوسی با دامنه 1V را گرفته و در خروجی سیگنالی با دامنه 9V در بار 1کیلو اهم ایجاد میکند. تقویت کننده جریان 9.5mA از هر یک از دو منبع ولتاژ میکشد. مقدار پیک جریان ورودی تقویت کننده 0.1mA است.
  • مقدار بهره ولتاژ، بهره جریان، بهره ولتاژ، توانی که از منبع dc کشیده میشود، توان تلف شده در تقویت کننده و بازده آنرا محاسبه کنید.
slide35
اشباع یک تقویت کننده
  • با افزایش مقدار سیگنال ورودی، مقدار آن در بهره تقویت کننده ضرب شده و به سبب آن مقدار ولتاژ خروجی نیز افزایش می یابد. اما خروجی تا آنجا میتواند افزایش یابد که از مقدار ولتاژ منبع تغذیه ( البته مقداری کمتر) بیشتر نشود. با رسیدن خروجی به یک حد مشخص دیگر مقدار آن افزایش نیافته و باعث اشباع شدن تقویت کننده میشود.
  • این پدیده باعث اعوجاج در سیگنال خروجی خواهد شد. برای پرهیز از اشباع باید ورودی از محدوده زیر خارج نشود:

Figure 1.13 An amplifier transfer characteristic that is linear except for output saturation.

slide36
مشخصه تبدیل تقویت کننده
  • با رسم مقدار خروجی تقویت کننده بر حسب مقدار سیگنال ورودی آن به یک منحنی با نام مشخصه تبدیل میرسیم.
  • برای یک تقویت کننده ایده آل این منحنی یک خط است که از مبدا میگذرد. شیب این منحنی برابر با بهره تقویت کننده خواهد بود.
slide37
مشخصه تبدیل تقویت کننده واقعی
  • در عمل بدلایل مشکلاتی که در ساخت یک تقویت کننده وجود دارد منحنی مشخصه آن برای همه مقادیر ورودی بصورت خطی عمل نخواهد کرد. مقدار انحراف از رابطه خطی به کیفیت طراحی و ساخت تقویت کننده بستگی دارد و ممکن است فقط در قسمت کوچکی خطی عمل کند.

Figure 1.14 (a) An amplifier transfer characteristic that shows considerable nonlinearity. (b) To obtain linear operation the amplifier is biased as shown, and the signal amplitude is kept small. Observe that this amplifier is operated from a single power supply, VDD.

slide38
بایاس کردن ورودی
  • یک راه ساده برای استفاده از تقویت کننده در ناحیه خطی آن بایاس کردن تقویت کننده است.
  • دراین روش مدار بنحوی بایاس میشود که در نقطه ای نزدیک وسط مشخصه انتقال عمل نماید.
  • برای اینکار یک ولتاژ DC با مقدار Vi بنحوی اعمال میشود که نقطه کار تقویت کننده (Q) متناظر با خروجی Vo در وسط مشخصه انتقال قرار میگیرد.
  • سیگنال vi(t)که باید تقویت شود با سیگنال DC ترکیب میشود (superimpose)تا سیگنال لحظه ای vI(t) = Vi + vi(t) به تقویت کننده اعمال شود.
slide39
سیگنال کوچک
  • اگرسیگنال متغیر vi(t)باندازه کافی کوچک نگاه داشته شود میتوان مطمئن شد که تقویت کننده در ناحیه خطی خود کار خواهد کرد.
  • در اینصورت خروجی برابر خواهد بود با
  • و مقدار سیگنال متغیر برابر خواهد شد با
  • که مقدار بهره از شیب قسمت خطی مشخصه انتقال بدست می آید:
  • اگر ورودی افزایش یابد ممکن است تا ناحیه کار تقویت کننده از ناحیه خطی آن خارج شده و سیگنال ورودی دچار اعوجاج شود.
slide40
مثال
  • یک تقویت کننده ترانزیستوری دارای مشخصه انتقال زیر است:
  • این معادله برای حالتی صادق است که:
  • حدود و مقادیر ورودی متناظر با آن را پیدا کنید.
  • برای داشتن مقدار بایاس dc در ورودی چقدر باید باشد. مقدار بهره در این نقطه چقدر است؟
slide41
پاسخ
  • مقدار برابر با 0.3خواهد بود.
  • با قرار دادن مقدار در معادله مشخصه مقدار ورودی برابر با خواهد شد.
  • مقدار وقتی است که باشد.

در نتیجه

Figure 1.15 A sketch of the transfer characteristic of the amplifier of Example 1.2. Note that this amplifier is inverting (i.e., with a gain that is negative).

slide42
پاسخ
  • برای داشتن این مقدار را در معادله مشخصه قرار میدهیم:
  • برای بدست آوردن بهره در این نقطه
  • از مشتق گیری استفاده میکنیم:
  • که مقدار بهره برابربا خواهد بود.

Figure 1.15 A sketch of the transfer characteristic of the amplifier of Example 1.2. Note that this amplifier is inverting (i.e., with a gain that is negative).

slide43
علائم قراردادی
  • در این کتاب از علائم قراردادی زیر برای نشان دادن سیگنالهای مختلف استفاده میشود:

مقادیر ac سیگنال

دامنه سیگنال متناوب

مقدارکلی یک سیگنال لحظه ای

یک سیگنال dc

Figure 1.16 Symbol convention employed throughout the book.

VDD: مقدار ولتاژ منبع تغذیه

IDD: جریانی که از منبع تغذیه کشیده میشود

slide44
مدل تقویت کننده
  • یک تقویت کننده میتواند از یک تا ده ها ترانزیستور داشته باشد. با این وجود انواع مختلف تقویت کننده را میتوان با مدل های ساده ای نشان داد بدون اینکه لازم باشد ازپیچیدگیهای داخلی تقویت کننده اطلاع داشته باشیم.
  • چهار نوع مدل مختلف برای تقویت کننده را بررسی خواهیم کرد:
    • تقویت کننده ولتاژ
    • تقویت کننده جریان
    • تقویت کننده TransConductance
    • تقویت کننده TransResistance
slide45
تقویت کننده ولتاژ

voltage-controlled voltage source

  • یک تقویت کننده ولتاژ را میتوان با مدار شکل روبرو مدل نمود. این مدل از اجزای زیر تشکیل میشود:
  • ورودی تقویت کننده با یک مقاومت مدل میشود که نشان میدهد که تقویت کننده از منبع سیگنال، جریان خواهد کشید.
  • یک منبع ولتاژ که مقدار آن به نسبت بهره Avo از روی مقدار ولتاژ ورودی تعیین میشود
  • یک مقاومت خروجی Ro که باعث میشود هنگام تغذیه بار خروجی تقویت کننده تغییر کند.

Figure 1.17 (a) Circuit model for the voltage amplifier.

slide46
تقویت کننده درمدار
  • شکل زیر تقویت کننده ای را درحالیکه به منبع سیگنال و مقاومت بار وصل شده است نشان میدهد.
  • صفر نبودن مقاومت خروجی تقویت کننده باعث میشود تا فقط قسمتی از سیگنال تقویت شده به مقاومت بار برسد:

در نتیجه مقدار واقعی بهره ولتاژ برابر خواهد بود با

Figure 1.17 (b) The voltage amplifier with input signal source and load.

slide47
وابستگی بهره تقویت کننده به مقدار بار
  • در حالتیکه باری به تقویت کننده وصل نباشد مقدار بهره آن برابر با Avo خواهد بود که اصطلاحا بهره مدار باز نامیده میشود.

Open Circuit Voltage Gain =

  • برای از دست ندادن بهره ولتاژ میبایست مقدار Ro نسبت به مقاومت بار RL خیلی کم باشد. در کاربردهائی که مقدار RL متغیر باشد Ro را از کمترین مقدار RL کوچکتر انتخاب میکنند.
  • برای یک تقویت کننده ایده آل مقدار Ro =0 در نظر گرفته میشود.
slide48
مقدار مقاومت ورودی یک تقویت کننده
  • برای یک تقویت کننده ایده آل مقدار مقاومت ورودی بی نهایت در نظر گرفته میشود. ولی درعمل مقداری برای آن خواهیم داشت. در نتیجه تمامی سیگنال منبع به ورودی تقویت کننده نخواهد رسید.
  • بنابراین تقویت کننده باید طوری طراحی شود که
slide49
بهره ولتاژ برای تقویت کننده غیر ایده آل
  • نسبت ولتاژی که به بار میرسد به ولتاژ منبع سیگنال در حالتیکه مقاومت ورودی تقویت کننده بی نهایت نبوده و مقدار مقاومت خروجی آن نیز غیر صفر باشد برابر است با
slide50
تقویت کننده با بهره واحد
  • Buffer Amplifier تقویت کننده ای است که بهره نزدیک به یک دارد اما مقاومت ورودی آن بسیار زیاد و مقاومت خروجی آن نیز بسیار کم است.
  • از این مدار بعنوان بافر استفاده میشود و کاربرد اصلی آن در جائی است که بخواهیم یک منبع سیگنال قوی ولی با مقاومت خروجی بالا را به یک بار کوچک وصل کنیم.
slide51
تقویت کننده های چند طبقه
  • خیلی وقت ها ساختن یک تقویت کننده که همه ویژگی های یک تقویت کننده ایده آل را داشته باشد مشکل است از اینرو بجای استفاده از یک تقویت کننده از چندین تقویت کننده پشت سر هم استفاده میشودکه هر کدام یکی از ویژگی های مورد نظر را برآورده میسازند. مثلا در طبقه اول از تقویت کننده ای استفاده میشود که از مقاومت ورودی بالائی برخوردار باشد و در خروجی از تقویت کننده ای استفاده میشود که مقا ومت خروجی کمی داشته باشد.
slide52
مثال: تقویت کننده سه طبقه
  • تقویت کننده شکل زیر از سه طبقه تشکیل شده است:
    • طبقه اول مقاومت ورودی بالائی دارد که 10 برابر مقاومت منبع سیگنال است. بهره ولتاژ این طبقه نیز 10 میباشد که خیلی زیاد نیست.
    • در طبقه دوم تقویت کننده ای قرار داده شده است که بهره بسیار بیشتری دارد ولی مقاومت ورودی آن کمتر است.
    • تقویت کننده طبقه آخر یا طبقه خروجی مقاومت خروجی کمی دارد ولی بهره آن برابر با یک است.

مقدار بهره کلی این تقویت کننده چقدر است؟

Figure 1.18 Three-stage amplifier for Example 1.3.

slide53
پاسخ
  • مقدار سیگنالی که به ورودی طبقه اول میرسد برابر است با:
  • از آنجائیکه مقاومت ورودی طبقه دوم بعنوان بار برای طبقه اول عمل میکند، بهره ولتاژ طبقه اول برابر خواهدبود با:
  • به همین ترتیب بهره طبقه دوم را میتوان حساب کرد:
  • و برای طبقه سوم خواهیم داشت:
  • در نتیجه بهره تقویت کننده سه طبقه برابر است با:
  • مقدار بهره از بار به منبع برابر است با:
slide54
بهره جریان و بهره توان مثال فوق

مقداربهره جریان برابر است با :

و مقدار بهره توان برابر است با:

توجه کنید که:

slide56
سایر مدلهای تقویت کننده
  • اگرچه برای یک تقویت کننده خاص معمولا فقط یکی از مدلهای تقویت کننده مورد استفاده قرار میگیرد ولی میتوان آنرا با هر کدام از مدلهای چهارگانه مدل نمود.
  • برای مثال بهره جریان اتصال کوتاه را از طریق رابطه زیر میتوان با بهره ولتاژ مدار باز مرتبط نمود:
  • به همین ترتیب خواهیم داشت:
slide57
ترانزیستور پیوند دوقطبی
  • ترانزیستور پیوند دوقطبی یا Bipolar Junction Transistor (BJT) ساده ترین المانی است که میتوان از آن برای تقویت سیگنال استفاده نمود.
  • اگر این ترانزیستور بصورت مناسب بایاس dc شود و سیگنال ورودی آن کوچک باشد، عملکرد آن خطی خواهد بود و میتوان آنرا بصورت یک تقویت کننده transconductance مدل نمود.

ترانزستیور دارای سه پایه است که بیس (B) امیتر (E) و کلکتور (C) نامیده میشوند.

Figure 1.19 (a) Small-signal circuit model for a bipolar junction transistor (BJT).

slide58
تقویت کننده ترانزیستوری امیتر مشترک
  • با استفاده ازترانزیستور میتوان تقویت کننده های مختلفی ساخت که یکی از متداولترین آنها تقویت کننده امیترمشترک است.

Figure 1.19 (b) The BJT connected as an amplifier with the emitter as a common terminal between input and output (called a common-emitter amplifier).

slide59
مثال
  • برای یک تقویت کننده امیتر مشترک با مشخصات زیر مقدار بهره ولتاژ را بدست آورید:
  • اگر از اثر ro صرفنظر شود مقدار بهره ولتاژ چقدر خواهد بود.
slide60
پاسخ
  • با استفاده از رابطه تقسیم ولتاژ زیر میتوان نسبتی ازولتاژ منبع سیگنال را که به ورودی ترانزیستور میرسد تعیین نمود:
  • مقدار ولتاژ خروجی با توجه به بهره ترانزیستور و نسبت مقاومت بار به مقاومت خروجی ترانزیستور از رابطه زیر بدست می آید:
  • با جایگزین کردن مقادیر فوق داریم:
  • برای مقادیر عددی مثال فوق خواهیم داشت:
  • با فراموش کردن مقدار مقاومت خروجی ترانزیستور خواهیم داشت:
  • توجه:
  • این دو مقدار بسیار به هم نزدیک هستند زیرا
  • مقدار بهره منفی نشاندهنده آن است که ترانزیستور جهت ولتاژ خروجی را معکوس میکند.
slide61
مثال
  • یک روش دیگر برای مدل کردن ترانزیستور آن است که ترانزیستور را با استفاده از منبع جربان بصورت شکل زیر مدل کنیم. دراینصورت مقدار بهره جریان برابرخواهدبود با:
slide66
تمرین 1
  • 1.44
  • 1.52
  • 1.62
  • 1.63
slide67
پاسخ فرکانسی تقویت کننده
  • همانگونه که گفته شد ورودی تقویت کننده را همیشه میتوان بصورت سیگنالهای سینوسی نشان داد. از این رو یکی از ویژگی های مهم تقویت کننده ها نحوه پاسخ گوئی آن به سیگنالهای سینوسی با فرکانسهای مختلف میباشد.
slide68
اندازه گیری پاسخ فرکانسی تقویت کننده
  • اگر ورودی یک تقویت کننده خطی سیگنال سینوسی باشد خروجی آن نیز یک سیگنال سینوسی با دقیقا همان فرکانس خواهد بود.
  • ولی خروجی ممکن است با ورودی اختلاف فار داشته باشد و دامنه آن نیز بنا به مقدار بهره تقویت کننده متفاوت خواهد بود.
  • رفتار تقویت کننده به سیگنال سینوسی را میتوان با تابع انتقال آن نشان داد:

Figure 1.20 Measuring the frequency response of a linear amplifier. At the test frequency v, the amplifier gain is characterized by its magnitude (Vo/Vi) and phase f.

slide69
اندازه گیری پاسخ فرکانسی تقویت کننده
  • برای اندازه گیری کامل پاسخ فرکانسی تقویت کننده فرکانس ورودی آن مرتبا تغییر داده شده و مقادیر و اندازه گیری میشود. این مقادیر بصورت یک جدول و یا منحنی نشان داده میشود که پاسخ دامنه و پاسخ فاز نامیده میشوند.
slide70
پهنای باند تقویت کننده
  • منحنی پاسخ فرکانسی تقویت کننده نشان میدهد که در محدوده ای بین دو فرکانس ω1, ω2 بهره تقویت کننده ثابت بوده و سیگنالهای خارج از این رنج شاهد کاهش بهره خواهند شد.
  • این رنج را پهنای باند تقویت کننده مینامند.

نقطه ای که بهره 3dB کاهش پیدا میکند.

  • معمولا تقویت کننده طوری استفاده میشود که پهنای باند آن همه سیگنالهای ورودی آن را پوشش دهد. در غیر اینصورت طیف فرکانسی سیگنال ورودی دچار اعوجاج خواهد شد.

Figure 1.21 Typical magnitude response of an amplifier. |T(v)| is the magnitude of the amplifier transfer function—that is, the ratio of the output Vo(v) to the input Vi(v).

slide71
نحوه محاسبه پاسخ فرکانسی
  • برای محاسبه پاسخ فرکانسی تقویت کننده در مدار معادل آن بازای هر المان اکتیو یعنی سلف و خازن، امپدانس آن قرار داده میشود:
    • Replace inductance L with a reactance or impedance j ωL.
    • Replace capacitance C with a reactance or impedance 1/j ωC
  • و تابع تبدیل فرکانسی تقویت کننده بصورت

T( ω) = Vo( ω)/Vi( ω) محاسبه میشود.مقدار دامنه این تابع، پاسخ دامنه و مقدار فاز آن پاسخ فاز را مشخص خواهند نمود.

slide72
محاسبه پاسخ فرکانسی با استفاده از فرکانس مختلط
  • برای ساده کردن محاسبات میتوان بجای فرکانس فیزیکی از فرکانس مختلط استفاده نمود.
  • Replace inductance L with a reactance or impedance sL
  • Replace capacitance C with a reactance or impedance 1/sC
  • سپس تابع تبدیل با فرکانس مختلط بصورت زیر محاسبه شده

T(s) = Vo(s)/Vi(s)

و در خاتمه فرکانس مختلط با j ω جایگزین میشود.

single time constant networks
Single-Time-Constant Networks
  • برای سهولت در بدست آوردن پاسخ فرکانسی تقویت کننده از مدارات ساده ای با نام Single-Time-Constant Networks استفاده میشود.
  • یک STC مداری است که از یک مقاومت و یک جزء راکتیو تشکیل میشود.

t= 1/RC

Figure 1.22 Two examples of STC networks: (a) a low-pass network and (b) a high-pass network.

slide74
مدارات پائین گذر و بالاگذر
  • اغلب مدارات STC بصورت پائین گذر و بالاگذر عمل میکنند.

t= 1/RC

t= L/R

slide75
پاسخ فرکانسی مدارات پائین گذر و بالاگذر

Bode Plot

فرکانس قطع

slide77
مثال
  • تقویت کننده ولتاژ شکل زیر دارای ظرفیت خازنی Ci در ورودی میباشد. برای این مدار:
  • الف) مقدار بهره ولتاژ را بصورت یک رابطه فرکانسی بدست آورید. مقدار بهره dc و فرکانس قطع 3dB را مشخص کنید.
  • ب) مقادیر فوق را برای حالتی که بهره 0dB میشود( بهره واحد) بازای مقادیر زیر بدست آورید:
  • ج) مقدار خروجی را برای مقادیر زیرمشخص کنید:

Figure 1.25 Circuit for Example 1.5.

slide78
پاسخ
  • با استفاده از رابطه تقسیم ولتاژ داریم:
  • بعلت داشتن دو المان موازی در ورودی تقویت کننده از رابطه زیر استفاده کرده و جایگزین مینمائیم:
  • این رابطه را میتوان به صورت رابطه STC استاندارد نوشت.
  • با تقسیم ولتاژ در خروجی داریم:
  • با جایگزینی روابط بالا داریم:

slide79
پاسخ
  • در رابطه انتهائی صفحه قبل جمله ای اضافه شده است که ناشی از خاصیت خازنی ورودی است.
  • مقدار ثابت زمانی برابر است با:
  • با کمی دقت در مدار فوق متوجه میشویم که ورودی این مداراز نوع low pass STC است که دارای تبدلی بصورت زیر است:
  • مقدار بهره dc برابر است با:
  • مقدار فرکانس قطع 3-dB برابر است با:
slide80
پاسخ
  • (b
  • با قرار دادن مقادیر عددی خواهیم داشت:

از آنجائیکه بهره با شیب -20dB/decade کم میشود پس ازدوdecadeبهره به 0dB کاهش خواهد یافت:

slide82
دسته بندی تقویت کننده ها بر مبنای پاسخ فرکانسی
  • بر مبنای شکل پاسخ فرکانسی تقویت کننده ها می توان آنها را دسته بندی نمود.

Figure 1.26 Frequency response for (a) a capacitively coupled amplifier, (b) a direct-coupled amplifier, and (c) a tuned or bandpass amplifier.

slide83
تاثیر خازن بر پاسخ فرکانسی
  • دو نوع خازن بر پاسخ فرکانسی تقویت کننده اثر میگذارند:
    • خازن های داخلی تقویت کننده باعث میشوند تا بهره در فرکانسهای بالاتر افت کند
    • خازنهای کوپلینگ باعث میشوند تا بهره در فرکانسهای پائین تر افت کند.
  • برای ساده تر شدن آنالیز مدارات تقویت کننده، خازن کوپلینگ طوری انتخاب میشود ( در حد چند میکروفاراد) که در فرکانسهای کاری تقویت کننده راکتانس آن خیلی کوچک باشد. به همین دلیل این خازن در فرکانسهای پائین راکتانس بالائی داشته و باعث افت ولتاژ میشود به نحوی که برای سیگنال dc میتوان آنرا مدار بازدرنظر گرفت.

Figure 1.27 Use of a capacitor to couple amplifier stages.

slide84
استفاده از تقویت کننده بعنوان گیت NOT
  • در یک مدار آنالوگ سعی میشود تا تقویت کننده در ناحیه خطی کار کند. میتوان با استفاده از خاصیت اشباع تقویت کننده آنرا طوری استفاده نمود که بعنوان یک گیت NOT استفاده نمود.

Figure 1.29 Voltage transfer characteristic of an inverter. The VTC is approximated by three straightline segments. Note the four parameters of the VTC (VOH, VOL, VIL, and VIH) and their use in determining the noise margins (NMH and NML).

slide85
گیت NOT ایده آل
  • مشخصه انتقال یک معکوس کننده ایده آل را میتوان بصورت شکل زیر نشان داد.
  • برای این گیت نقطه انتقال بین سطح 0و1 در وسط رنج ورودی قرار دارد.
  • انتقال بین سطوح نیز با شیب بینهایت انجام میشود.

Figure 1.30 The VTC of an ideal inverter.