مدارهای الکترونیکی

مدارهای الکترونیکی

اسلاید 1: مدارهای الکترونیکیدکتر سعید شیری & کتابMICROELECTRONIC CIRCUITS 5/e Sedra/SmithAmirkabir University of Technology Computer Engineering & Information Technology Department

اسلاید 2: معرفیکتاب درسی: فصل های 1- 6 از کتاب MICROELECTRONIC CIRCUITS 5/e Sedra/Smithاسلاید ها ، کتاب و سایر موارد را می توانید از سایت زیر دانلود کنید:ceit.aut.ac.ir/~shiry/lecture/electronicsکتاب را از سایت دانشکده نیزمی توانید دریافت کنید:Commonshiryelectronics

اسلاید 3: ارزیابی درسامتحان میان ترم اول 25 درصدامتحان میان ترم دوم 25 درصدامتحان پایان ترم 35 درصدتمرین 15 درصد

اسلاید 4: مباحث درسفصول زیر از کتاب مورد مطالعه قرار خواهند گرفت:فصل اول: مقدمه ای بر الکترونیکفصل دوم: تقویت کننده های عملیاتی OP-AMP فصل سوم: دیودها DIODE فصل چهارم: ترانزیستورهای اثر میدان MOSFETفصل پنجم: ترانزیستورهای پیوند دوقطبی BJT

اسلاید 5: مقدمهچرا یک دانشجوی کامپیوتر باید درس مدارهای الکترونیکی را بگذراند؟

اسلاید 6: مثال : گوشی موبایلاجزای یک گوشی موبایل:یک برد الکترونیکی شامل پردازنده، مدارات تقویت کننده، مبدلهای آنالوگ به دیجیتال و برعکس، فرستنده و گیرندهیک آنتن برای انتشار امواج در هواصفحه نمایشصفحه کلیدمیکروفنبلندگوباتری

اسلاید 7: پردازندهپردازنده 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.

اسلاید 8: بلندگو و میکروفنگوشی های موبایل دارای یک بلندگو ظریف و کارا هستند که بعضا صدا را با کیفیت موسیقی پخش میکنند. همچنین دارای یک میکروفن کوچک هستند.

اسلاید 9: صفحه کلید و صفحه نمایشصفه کلید و صفحه نمایش جزو ورودی ها و خروجی های اصلی گوشی ها هستند.

اسلاید 10: مبدل های دیجیتال به آنالوگ، و آنالوگ به دیجیتالسیگنال 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.

اسلاید 11: مثال: سوئیچیک 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.

اسلاید 12: مدار داخلی یک گیت سوئیچ ها و گیت ها با استفاده از ترانزیستورها و سایر المانهای الکتریکی ساخته میشوند.

اسلاید 13: مباحث این فصلمدارهای الکترونیکی و پردازش سیگنالدسته بندی سیگنالهای الکترونیکیقرارداد ها و علائممدار تقویت کنندهمدل مداری برای آمپلی فایرپاسخ فرکانسی

اسلاید 14: سیگنالها و اطلاعاتاطلاعات 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.

اسلاید 15: منبع سیگنال الکتریکیسیگنالی 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.

اسلاید 16: تبدیل صوت به الکتریسیته توسط میکروفنمیکروفن خازنیاین 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.

اسلاید 17: تبدیل صوت به الکتریسیته توسط میکروفنمیکروفن دینامیکیاین 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.

اسلاید 18: شکل موج سیگنالمقدار 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).

اسلاید 19: 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.Figure 1.5 The frequency spectrum (also known as the line spectrum) of the periodic square wave of Fig. 1.4.فرکانس اصلی = W0

اسلاید 20: تبدیل فوریهیک 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.

اسلاید 21: موج سینوسیبعلت 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.Figure 1.3 Sine-wave voltage signal of amplitude Va and frequency f = 1/T Hz. The angular frequency v = 2pf rad/s.یک سیگنال سینوسی با مقدار حداکثردامنه آن V(t) مقدار فرکانس آن w =f=1/T و مقدار فاز آن q مشخص میشود.

اسلاید 22: مثال: سیگنال صوتییک 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.

اسلاید 23: دسته بندی سیگنالهاسیگنال پیوسته (Analog) سیگنالی است که میتواند دارای هر مقداری باشد. این سیگنال مشابه سیگنالی است که توسط منبع تولید میشود.Figure 1.7 Sampling the continuous-time analog signal in (a) results in the discrete-time signal in (b).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.

اسلاید 24: تبدیل سیگنال Figure 1.9 Block-diagram representation of the analog-to-digital converter (ADC).

اسلاید 25: تقویت سیگنالمعمولا 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: Amplifierقطعات داخلی یک تقویت کننده

اسلاید 26: تقویت کنندهتقویت 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:سیگنال خروجیسیگنال ورودیمقدار تقویت

اسلاید 27: علامت مداری تقویت کنندهتقویت 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.

اسلاید 28: 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.

اسلاید 29: 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:

اسلاید 30: نمایش بهرهبهره یک مقدار بدون دیمانسیون است. بدلایل عمدتا تاریخی برای نمایش بهره آنرا بصورت زیر نمایش میدهند:

اسلاید 31: منبع تغذیه تقویت کنندهدیدیم 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.Figure 1.12 An amplifier that requires two dc supplies (shown as batteries) for operation.نحوه اتصال تقویت کننده به منابع تغذیه

اسلاید 32: منبع تغذیه تقویت کنندهتوانی 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.

اسلاید 33: مثالتقویت 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.

اسلاید 34: پاسخ

اسلاید 35: اشباع یک تقویت کنندهبا 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.

اسلاید 36: مشخصه تبدیل تقویت کنندهبا 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.

اسلاید 37: مشخصه تبدیل تقویت کننده واقعیدر 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.

اسلاید 38: بایاس کردن ورودییک 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.

اسلاید 39: سیگنال کوچکاگرسیگنال 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 باو مقدار سیگنال متغیر برابر خواهد شد باکه 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.

اسلاید 40: مثالیک 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؟

اسلاید 41: پاسخمقدار برابر با 0.3خواهد بود.با قرار دادن مقدار در معادله مشخصه مقدار ورودی برابر با خواهد شد.مقدار وقتی است که باشد. در نتیجهFigure 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).

اسلاید 42: پاسخبرای داشتن این مقدار را در معادله مشخصه قرار میدهیم:برای بدست آوردن بهره در این نقطهاز 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).

اسلاید 43: علائم قراردادیدر این کتاب از علائم قراردادی زیر برای نشان دادن سیگنالهای مختلف استفاده میشود:Figure 1.16 Symbol convention employed throughout the book.دامنه سیگنال متناوبمقدارکلی یک سیگنال لحظه اییک سیگنال dcمقادیر ac سیگنال VDD: مقدار ولتاژ منبع تغذیهIDD: جریانی که از منبع تغذیه کشیده میشود

اسلاید 44: مدل تقویت کنندهیک 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 ولتاژتقویت کننده جریانتقویت کننده TransConductanceتقویت کننده TransResistance

اسلاید 45: تقویت کننده ولتاژیک 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 میشودیک مقاومت خروجی Ro که باعث میشود هنگام تغذیه بار خروجی تقویت کننده تغییر کند.Figure 1.17 (a) Circuit model for the voltage amplifier.voltage-controlled voltage source

اسلاید 46: تقویت کننده درمدارشکل 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:Figure 1.17 (b) The voltage amplifier with input signal source and load.در نتیجه مقدار واقعی بهره ولتاژ برابر خواهد بود با

اسلاید 47: وابستگی بهره تقویت کننده به مقدار باردر 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.

اسلاید 48: مقدار مقاومت ورودی یک تقویت کنندهبرای 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

اسلاید 49: بهره ولتاژ برای تقویت کننده غیر ایده آلنسبت 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

اسلاید 50: تقویت کننده با بهره واحدBuffer 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.

اسلاید 51: تقویت کننده های چند طبقهخیلی 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.

اسلاید 52: مثال: تقویت کننده سه طبقهتقویت 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.

اسلاید 53: پاسخمقدار 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:

اسلاید 54: بهره جریان و بهره توان مثال فوقمقداربهره جریان برابر است با :و مقدار بهره توان برابر است با:توجه کنید که:

اسلاید 55: سایر مدلهای تقویت کننده

اسلاید 56: سایر مدلهای تقویت کنندهاگرچه 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:

اسلاید 57: ترانزیستور پیوند دوقطبیترانزیستور 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.Figure 1.19 (a) Small-signal circuit model for a bipolar junction transistor (BJT). ترانزستیور دارای سه پایه است که بیس (B) امیتر (E) و کلکتور (C) نامیده میشوند.

اسلاید 58: تقویت کننده ترانزیستوری امیتر مشترکبا 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).

اسلاید 59: مثالبرای 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.

اسلاید 60: پاسخبا 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 زیرامقدار بهره منفی نشاندهنده آن است که ترانزیستور جهت ولتاژ خروجی را معکوس میکند.

اسلاید 61: مثالیک 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:

اسلاید 62: آنالیز مداری تقویت کننده ولتاژ

اسلاید 63: آنالیز مداری تقویت کننده جریان

اسلاید 64: آنالیز مداری تقویت کننده TransConductance

اسلاید 65: آنالیز مداری تقویت کننده TransResistance

اسلاید 66: تمرین 11.441.521.621.63

اسلاید 67: پاسخ فرکانسی تقویت کنندههمانگونه 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.

اسلاید 68: 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.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.رفتار تقویت کننده به سیگنال سینوسی را میتوان با تابع انتقال آن نشان داد:

اسلاید 69: اندازه گیری پاسخ فرکانسی تقویت کنندهبرای 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.

اسلاید 70: پهنای باند تقویت کنندهمنحنی 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.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). 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.نقطه ای که بهره 3dB کاهش پیدا میکند.

اسلاید 71: نحوه محاسبه پاسخ فرکانسیبرای 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.

اسلاید 72: محاسبه پاسخ فرکانسی با استفاده از فرکانس مختلطبرای ساده کردن محاسبات میتوان بجای فرکانس فیزیکی از فرکانس مختلط استفاده نمود.Replace inductance L with a reactance or impedance sLReplace capacitance C with a reactance or impedance 1/sCسپس 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.

اسلاید 73: Single-Time-Constant Networksبرای 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.Figure 1.22 Two examples of STC networks: (a) a low-pass network and (b) a high-pass network.t = 1/RC

اسلاید 74: مدارات پائین گذر و بالاگذراغلب مدارات STC بصورت پائین گذر و بالاگذر عمل میکنند.t = 1/RCt = L/R

اسلاید 75: پاسخ فرکانسی مدارات پائین گذر و بالاگذرBode Plotفرکانس قطع

اسلاید 76: تابع تبدیل شبکه STC

اسلاید 77: مثالتقویت 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.

اسلاید 78: پاسخبا 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:

اسلاید 79: پاسخدر 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:

اسلاید 80: 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:

اسلاید 81: پاسخ

اسلاید 82: دسته بندی تقویت کننده ها بر مبنای پاسخ فرکانسیبر 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.

اسلاید 83: تاثیر خازن بر پاسخ فرکانسیدو نوع خازن بر پاسخ فرکانسی تقویت کننده اثر میگذارند:خازن های داخلی تقویت کننده باعث میشوند تا بهره در فرکانسهای بالاتر افت کندخازنهای 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.

اسلاید 84: استفاده از تقویت کننده بعنوان گیت NOTدر 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).

اسلاید 85: گیت NOT ایده آلمشخصه 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.