155

CAPITOLUL 7. ETAJE DE AMPLIFICARE

CU TRANZISTORI CUPLAŢI

În condiţiile în care nu se pot obţine performanţele dorite prin

utilizarea numai a unui singur tranzistor în conexiune EC, BC sau CC

se utilizează conexiunile compuse sau se conectează mai multe etaje

de amplificare în cascadă.

Un etaj de amplificare cu tranzistori cuplaţi este format din doi

tranzistori cuplaţi atât în regim de curent alternativ cât şi în regim de

curent continuu. Rezultă că punctele statice de funcţionare se

influenţează reciproc, spre deosebire de situaţia conectării în cascadă a

mai multor amplificatoare când fiecare etaj este separat în regim de

curent continuu (separaţie realizată de condensatori de cuplaj, de

transformatoare sau de un cuplaj optic).

7.1. Etaje cu tranzistori compuşi

Termenul de tranzistor compus se referă la doi tranzistori cuplaţi

în curent continuu fiecare tranzistor fiind într-una din conexiunile

cunoscute (EC, BC, CC).

În figura 7.1 este prezentată structura corespunzătoare

conexiunilor EC+CC şi CC+CC.

156

Structura formată din cei doi tranzistori , din figura 7.1a, cuplaţi

este echivalentă cu un singur tranzistor echivalent , din figura 7.1b, a

cărui proprietăţi urmează să le determinăm. Prin proprietăţi înţelegem

de fapt parametri de cuadripol ai tranzistorului echivalent.

În figura 7.2 sunt prezentate schemele echivalente

corespunzătoare schemelor din figura 7.1. Cunoscuţi fiind parametrii

de cuadripol ai celor doi tranzistori, în continuare se vor determina

parametrii de cuadripol ai tranzistorului echivalent.

a) b) Fig. 7.1.

a) b) Fig. 7.2.

157

Ecuaţiile de cuadripol sunt cele corespunzătoare exprimării cu

parametrii „h”

Parametrul h numit admitanţă de ieşire se constată, comparând

cele două scheme, că este determinat de tranzistorul T2

h0= h02 .

Impedanţa de intrare se defineşte prin relaţia:

.

S-au folosit relaţiile dintre curenţi:

, .

Factorul de amplificare în curent este:

.

Suma curenţilor în nodul de la ieşire

Pentru V0 = 0 avem

Concluzii:

- impedanţa de intrare are valori mari ;

- factor de amplificare este mare egal cu produsul factorilor de

amplificare;

- impedanţa de ieşire dată de T2.

Un circuit des utilizat este tranzistorul Darlington fiind un

montaj format din doi tranzistori cuplaţi ambii în conexiune colector

comun, cu schema din figura 7.3.

158

Schema din fig. 7.3b conţine un rezistor care să preia o parte din

curentul de emitor al T1, pentru ca acesta să poată lucra la curenţi de

emitor mai mari decât curentul de bază al T2.

7.2 . Modalităţi de creşterea impedanţei de ieşire a

amplificatorului

Impedanţa de ieşire fiind condiţionată de valoarea impedanţei de

ieşire a tranzistorului şi de impedanţa conectată în colectorul (drena)

acestuia pentru a creşte valoarea impedanţei de ieşire trebuie să se

acţioneze asupra acestor doi factori.

Montajul cascod este format dintr-un tranzistor în conexiune

emitor comun (sursă comună) - pentru că prezintă amplificări

supraunitare, atât în tensiune cât şi în curent - în colectorul căruia se

conectează un tranzistor în conexiune bază comună – pentru că este

conexiunea care prezintă o impedanţă de ieşire mare, ca în figura 7.4.

b) Fig. 7.3.

T1

T2

T1

T2

159

Condensatorii CE şi CB sunt condensatori de decuplare a

rezistoarelor specificate

primul scurcircuitând rezistorul RE iar cel de al doilea conectând

la masă baza tranzistorului T2.

În figura 7.5 este prezentată o altă modalitate de polarizare

atranzistorilor din montajul cascod.

Fig. 7.4.

160

Schema echivalentă în regim de curent alternativ valabilă pentru

ambele montaje cascod este prezentată în figura 7.6.

Fig. 7.5.

Fig. 7.6.

161

Pentru a efectua calculele necesare stabilirii parametrilor

montajului se înlocuiesc tranzistorii cu modelul lor cuadripolar, ceea

ce conduce la schema echivalentă din figura 7.7.

Fig. 7.7.

Pentru calculul impedanţei de ieşire se ţine seamă de faptul că

aceasta este definită în condiţiile în care la intrare semnalul este nul.

I1 = 0 şi sursa de curent se va înlocui cu un rezistor de valoare

infintă, ceea ce conduce la schema echivalentă din figura 7.8 valabilă

numai pentru calculul impedanţei de ieşire.

Fig. 7.8.

162

Impedanţa de ieşire poate fi privită de la RL, incluzând şi valoarea

acesteia, sau poate fi privită după RL, ca raport:

fiind numită impedanţă de ieşire a montajului.

Impedanţa care include şi RL se calculează cu relaţia:

Tensiunea şi curentul pot fi aproximate ca mai jos, deoarece

impedanţa de intrare este mult mai mică decât impedanţa de ieşire a

tranzistorului

Curentul I03 este dat de diferenţa de potenţial:

Teorema I a lui Kirchhoff stabileşte relaţia între curenţi:

expresia rezistenţei de ieşire a tranzistorului:

.

Se constată că rezistenţa de ieşire a montajului a crescut de hf ori

faţă de valoarea rezistenţei de ieşire a tranzistorului.

Pentru determinarea factorilor de amplificare AV, Ai şi a

impedanţei de intrare Zi , nu este necesar să luăm în considerare

impedanţa de ieşire a tranzistorului (acesata având valori mari nu

163

modifică rezultatele), aşa încât schema echivalentă din figura 7.7 se

simplifică ca în figura 7.9.

Impedanţa de intrare este:

Factorul de amplificare în curent devine:

.

Dacă se scrie teorema I Kirchhoff în nodul cu cele două surse

comandate:

factorul de amplificare în curent capătă forma:

,

ceea ce spune că amplificarea în curent a montajului este dată de un

singur tranzistor.

Factorul de amplificare în tensiune

,

are expresia de mai sus pentru că raportul curenţilor este unitar.

Fig. 7.9.

164

Se constată că numai un tranzistor formează factorul de

amplificare în tensiune, expresia factorului de amplificare fiind cea a

unui tranzistor în conexiunea emitor comun.

În figura 7.10 este prezentată schema de principiu a unui etaj

cascod realizat cu doi tranzistori cu efect de câmp (SC+GC), a

cărei schemă de curent alternativ este în figura 7.11.

Fig. 7.10.

iV 1BR2BR

G

S

D1T

G

DS

LR

2T

Fig. 7.11.

165

Condensatorii CB şi CS sunt condensatori de decuplare a

rezistoarelor pe care sunt conectaţi (în paralel), iar CC sunt

condensatori de cuplaj.

În figura 7.12 este prezentată schema echivalentă completă a

montajului.

Pentru determinarea impedanţei de ieşire se scurcircuitează intrarea Vi

= 0 şi VgS1 = 0.

Cu aceste condiţii schema echivalentă pentru determinarea

impedanţei de ieşire este prezentată în figura 7.13.

iV 1BR 2BR 1gSV1gSmVg Dr

S D

GI2gSV Dr LR

0Z

0V

0IGG

2gSmVg

Fig. 7.12.

Dr2gSV

1IDr

LR0V

0I1I

2I2gSmVg

Fig. 7.13.

166

Se determină rezistenţa R0T care se vede de la RL către circuit,

pentru că rezistenţa de ieşire totală este

.

Vom determina .

Tensiunea de ieşire conform teoremei a II-a

,

iar

.

Din nodul de la ieşire se obţine curentul ID

.

Reluând tensiunea V0 avem

.

Se constată că rezistenţa de ieşire a montajului este foarte mare.

Se mai întâlnesc două scheme electronice ale montajului cascod,

obţinute din schema din figura 7.10 prin înlocuirea unuia din

tranzistorii cu efect de câmp cu un tranzistor bipolar.

3BR LR

CC2TBC

G

S2BR

1BR

C1T

BE

ER EC

DDV

CCiV

0V

Fig. 7.14.

167

Spre exemplu în figura 7.14 este prezentată una din schemele

montajului cascod cu doi tranzistori diferiţi, în care tranzistorul

bipolar este în conexiune emitor comun iar tranzistorul cu efect de

câmp este în conexiunea sursă comună.

Impedanţa de ieşire a montajului este:

,

unde intervine conductanţa de ieşire h0 a tranzistorului bipolar.

Etaje cuplate prin emitor - sunt etaje la care emitorii celor doi

tranzistori sunt cuplaţi printr.o rezistenţă unică, ca în figura 7.15.

Tranzistorul T1 este în conexiunea colector comun iar T2, datorită

condensatorului de decuplare CB ( ) , este în

conexiunea bază comună.

Schema de c.a. a montajului este prezentată în figura 7.16, iar

schema echivalentă în figura 7,17.

gR

BR

ER

2T

CR LR

1T B

E

C

gV

0Z

Fig. 7.16.

Fig. 7.15.

168

Pentru a determina impedanţa de ieşire se anulează intrarea ca

în figura 7.18.

gR1I1ih

ER11Ih f

2ih

OChr 1

02

2I2E 22Ih f

2B

OTZ

2R LR

2C

OZ

E

B

Fig. 7.17.

1ig hR

gV

1I

ER 2ih

2I

0I

Ohr 1

02

22 Ih f0V

AI

11Ih f

3V

3I0I

Fig. 7.18

169

Se notează impedanţa

,

dar avem:

, ,

şi se obţine:

de valoare foarte mică.

Rezistenţa RE şi hi2 sunt în paralel cu R01 de valoare mică, ceea ce

înseamnă că rezistenţa echivalentă va fi:

.

Tensiunea de ieşire este

pentru că

.

01R

0IOh

r 102

2Ih f0V

3I0I

Fig. 7.19

2I

170

Din figura 7.19 se exprimă curentul ,cu ajutorul căruia

avem

impedanţa de ieşire a montajului

.

T2 este în conex BC ( cu intrarea pe emitor şi ieşirea pe colector)

rezultă factorul de amplificare în curent al acestui tranzistor este

subunitar (Ai <1 ) şi factorul de amplificare al montajului va fi dat de

factorul de amplificare al tranzistorului T1

T1 este în conexiune colector comun şi factorul de amplificare

în curent al întregului montaj va fi

.

Factorul de amplificare în tensiune al montajului este

determinat de factorul de amplificare al tranzistorului T2 ( care este în

conexiune bază comună) pentru că tranzistorul T1 fiind în conexiune

colector comun are un factor de amplificare în tensiune subunitar (Av

<1 ).

7.3 . Modalităţi de creştere a impedanţei de intrare a

amplificatorului

171

Aplicaţiile care necesită utilizarea unor amplificatoare cu

impedanţă mare de intrare vor avea în componenţă etaje de

amplificare cu tranzistori în conexiunea colector comun, pentru că este

singura conexiune a tranzistorului care determină o impedanţă de

intrare mai mare decât h i .

Impedanţa de intrare a amplificatoarelor realizate cu tranzistori

bipolari este micşorată de rezistenţele conectate în baza tranzistorului

(rezistenţe cu rol de polarizare a acestuia în zona activă de

funcţionare) care apar, în schema echivalentă, în paralel cu impedanţa

de intrare a tranzistorului.

În figura 7.20a este prezentată schema schema de c.a. a etajului

cu tranzistor bipolar în conexiunea colector comun .

S-a notat Zig – impedanţa de intrare a amplificatorului, care este

formată din trei rezistenţe conectate în paralel (ca în figura 7.20b)

Zig =RB1 || RB2 || RIT = RB || RIT ,

unde RIT este impedanţa de intrare a tranzistorului.

Rezistenţele de polarizare RB1 ,RB2 nu pot fi luate de valori foarte

mari => RB va scurcircuita impedanţa de intrare a tranzistorului, adică

va conduce la micşorarea impedanţei aşa încât .

a) b)

Fig.7.20.

172

Creşterea impedanţei de intrare se poate face prin mai multe

procedee dintre care, în continuare va fi prezentată metoda urmăririi

de potenţial

Metoda urmăririi de potenţial constă în modificarea circuitului

de polarizare astfel încât potenţialul bazei să urmărească potenţialul

emitorului.

Schema de polarizare în zona activă a tranzistorului,

corespunzătore metodei urmăririi de potenţial este prezentată în figura

7.21. , iar în figura 7.22 sunt prezentate schemele echivalente.

Se constată că prin intermediul condensatorului de cuplaj CC1 se

realizează o legătură, în curent alternativ, directă între baza şi emitorul

tranzistorului. În regim variabil potenţialul emitorului va urmări

potenţialul bazei (şi reciproc) .

Fig. 7.21.

173

a) )

Constatăm că condensatorul de scurcircuitare CC conectează RB1

şi RB în || cu RE, dar RE<<RB1, RB2 astfel încât RAM = RE || RB1 || RB2 ~

RE .

Impedanţa de intrare se calculează pe desenul din figura 7.22b,

care se redesenează, după înlocuirea tranzistorului cu schema lui

echivalentă, în figura 7.23.

Se aplică teoremele lui Kirchoff pentru schema din figura 7.23b, care

determină relaţiile între tensiuni şi respectiv între curenţi

Vi = hi I1 + IE RE ,

IE = I1 +hf I1 .

a) b)

Prin înlocuirea relaţiei dintre curenţi se obţine expresia tensiunii

VI în funcţie de curentul de intrare I1

VI = hi I1 + RE (I1 + hf I1)/I1 ,

cu ajutorul căreia se stabileşte expresia impedanţei de intrare

ZI = hi + RE (1 + hf ) .

Schema urmăririi potenţialului poate fi generalizată.

a) b)

Fig.7.22.

Fig.7.23.

174

Astfel schema din figura 7.22 poate fi exprimată, evidenţiind

amplificatorul cu tranzistor şi impedanţa de reacţie , ca în figura 7.24.

Cele două scheme din figura 7.24 sunt echivalente a ) b ) în

condiţiile în care

Z’ = , Z” ~R ,

unde s-a notat cu A v factorul de amplificare în tensiune al

amplificatorului în conexiunea colector comun.

Având în vedere faptul că tranzistorul cu efect de câmp are o

impedanţă de intrare foarte mare rezultă că, dacă dorim să păstrăm

valoarea mare a impedanţei de intrare şi pentru amplificator, se

impune să aplicăm metodei urmăririi de potenţial. Altfel rezistenţele

de polarizare a grilei vor scurcircuita intrarea tranzistorului.

În figura 7.25a este prezentat amplificatorul cu TEC iar în 7.25b este

prezentat amplificatorul cu TEC la care s-a modificat circuitul de

polarizare pentru ca potenţialul sursei să urmărească potenţialul grilei.

a) b)

Fig.7.24.

175

În cazul schemei din figura 7.25a impedanţa de intrare (foarte

mare) a tranzistorului va fi scurcircuitată de cele două rezistenţe din

grilă (conectate în paralel) Zi ~ RG1|| RG2 .

Montajul din figura 7.25b determină schema de curent alternativ

din figura 7.26a şi schema echivalentă din figura 7.26b.

În figura 7.26 nu apar rezistenţele RG1|| RG2 pentru că în c.a.

acestea se conectează în paralel cu rezistenţa de sarcină RS ,care se

presupune de valoare mult mai mică decât cele două rezistenţe, ceea

ce înseamnă că rezistenţa echivalentă a grupului va fi apropiată de RS

(care apare în desen).

Impedanţa de intrare se calculează cu relaţia

ZI = .

Pentru schema echivalentă din figura 7.26b se pot scrie relaţiile

VI = Vgs + IS RS , I1 + gmVgs = IS , Vgs = I1 R ,

a) b)

Fig.7.25.

a) b)

Fig.7.26.

176

unde I1 este curentul prin R iar IS este curentul prin RS .

=> VI = Vgs + ( I1 + gm Vgs ) Rs = I1 R + (I1 + gm I1 R ) Rs ,

=> Zi = R + (1 + gm R ) Rs

Expresia de mai sus se poate obţine şi pe baza schemei generale

a urmăririi de potenţial (din figura 7.24), calculând factorul de

amplificare în tensiune pentru schema din figura 7.26b în condiţiile

anulării rezistenţei R = 0.

Pentru creşterea impedanţei de intrare, datorită faptului că RS se

transferă la intrare înmulţită cu factorul de amplificare, se recurge la

utilizarea unei rezistenţe RS care să aibă o valoare mare în regim de

c.a. şi o valoare mai mică în regim de c.c.

Acest lucru se realizează prin înlocuirea RS cu o sursă de curent

constant, a cărei schemă este prezentată în figura 7.27.

Valoarea rezistenţei în regim de curent continuu este:

RS = .

Valoarea rezistenţei în regim de c.a. se calculează cu relaţia de

mai sus pe schema din figura 7.8b.

a) b)

Fig.7.27.

177

Sursa fiind de curent constant baza tranzistorului va fi la potenţial

constant ceea ce înseamnă că impedanţa hi va fi conectată la masă (în

paralel cu RE).

Prin RE|| hi circulă curentul I =>

- căderea de tensiune

V2 = RE|| hi I

- curentul prin hi

.

Curentul de intrare este:

I =I2 + hf I1,

unde I2 este curentul prin h0, care se determină din lege lui Ohm

.

Curentul de intrare se obţine

,

=>

valoarea impedanţei în c.a.

,

care este mult mai mare decât valoarea în curent continuu.

178

În figura 7.28. este prezentat modul de conectare a sursei de

curent constant la amplificatorul cu TEC în conexiune sursă comună.

Fig.7.28.