‫הרצאה ‪ – 9‬מגבר הפרש ומימוש מקורות ‪DC‬‬ ‫תוכן עניינים‪:‬‬ ‫‪ .1‬מגבר הפרש‪.‬‬ ‫‪ .2‬הקדמה‪ :‬מקורות זרם ומתח‪.‬‬ ‫‪ .3‬מימוש מקורות זרם‪.‬‬ ‫‪ .4‬מימוש מקורות מתח‪.‬‬ ‫‪ .1‬מגבר הפרש‬ ‫‪v1‬‬ ‫‪vo1‬‬ ‫שרפה רב גמ‬ ‫‪v2‬‬ ‫‪v02‬‬ ‫במצב המופיע בשרטוט יש שני מתחי כניסה ושני מתחי מוצא‪.‬‬ ‫• אחד השימושים של מגבר הפרש הוא העברת אות למרחק גדול‪ ,‬אשר עלול‬ ‫לאסוף בדרך רעשים‪:‬‬ ‫) שער(‬ ‫רוקמ‬ ‫דעי‬ ‫‪vout‬‬ ‫‪v1‬‬ ‫‪v1 + n‬‬ ‫‪v2 + n‬‬ ‫‪vin‬‬ ‫‪v2‬‬ ‫אות הכניסה‪. vin = v1 − v2 :‬‬ ‫אם יצטבר רעש ‪ ,n‬אז הוא נצמד לשני המוליכים באותה מידה בגלל קרבתם‪ ,‬ובגלל‬ ‫שהם מלופפים ביניהם‪.‬‬ ‫אם מחשבים את ההפרש‪ ,‬ביציאה נקבל‪:‬‬ ‫‪U‬‬ ‫‪U‬‬ ‫‪vout = ( v1 + n ) − ( v2 + n ) = v1 − v2‬‬ ‫כך שהרעש מתבטל‪.‬‬ ‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬ ‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬ ‫‪2011‬‬ ‫עמוד מס' ‪ 1‬מתוך ‪8‬‬ ‫‪2011‬‬ ‫הרצאה מס' ‪9‬‬ ‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬ ‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬ ‫• מימוש אפשרי למגבר הפרש ע"י ‪:BJT‬‬ ‫‪VCCVCC‬‬ ‫‪R‬‬ ‫‪RCC22‬‬ ‫‪RRCC11‬‬ ‫‪Q2‬‬ ‫‪Q1‬‬ ‫‪V2‬‬ ‫‪VV11‬‬ ‫‪I DC‬‬ ‫•‬ ‫‪−VEE VEE‬‬ ‫מימוש זה נמצא לדוגמא כחלק ממגבר שרת‪.‬‬ ‫ננתח את ההגברים ואת התנגדויות הכניסה והיציאה‪.‬‬ ‫הניתוח מושפע מאוד מטיב המימוש של ‪ , I DC‬לכן נתחיל מאופן מימוש מקורות‬ ‫זרם‪.‬‬ ‫‪ .2‬הקדמה‪ :‬מקורות זרם ומתח‬ ‫• סוג המקור )מתח או זרם( נקבע עפ"י הגדול שנשמר יותר‪.‬‬ ‫מקור מתח‪ -‬מאלץ מתח קבוע ללא תלות בזרם שעובר דרכו‪.‬‬ ‫מקור זרם‪ -‬מאלץ זרם קבוע ללא תלות במתח שנופל עליו‪.‬‬ ‫מקורות זרם יותר נדירים והמימוש שלהם הוא בד"כ ע"י מקור מתח‪.‬‬ ‫מודלים למקורות אידיאליים‪:‬‬ ‫‪Rm‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪Rm‬‬ ‫=‪I‬‬ ‫‪Rm‬‬ ‫‪I‬‬ ‫עמוד מס' ‪ 2‬מתוך ‪8‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪2011‬‬ ‫הרצאה מס' ‪9‬‬ ‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬ ‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬ ‫מודלים למקורות מעשיים‪:‬‬ ‫ר וקמ‬ ‫ילא ד יא‬ ‫‪R‬‬ ‫‪Rm‬‬ ‫‪Rm‬‬ ‫‪R‬‬ ‫‪I‬‬ ‫ר וקמ‬ ‫ילא ד יא‬ ‫‪V‬‬ ‫חתמ‬ ‫םר ז‬ ‫מקורות מעשיים מושפעים מגודל העומס‪.‬‬ ‫‪ .3‬מימוש מקורות זרם‪:‬‬ ‫)‪ (1‬בעזרת מקור מתח גדול ונגד טורי‪:‬‬ ‫‪IL‬‬ ‫רוקמ םרז‬ ‫‪Rm‬‬ ‫‪RL‬‬ ‫‪Vm‬‬ ‫‪ I L‬אמור להישאר קבוע בקרוב גם אם ‪ RL‬משתנה‪.‬‬ ‫‪Vm‬‬ ‫מתקיים‪:‬‬ ‫‪Rm + RL‬‬ ‫= ‪. IL‬‬ ‫אם ‪ Rm >> RL‬נקבל‪:‬‬ ‫לא תלוי כמעט ב‪RL -‬‬ ‫→‬ ‫‪Vm‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪≈ m‬‬ ‫‪Rm + RL Rm‬‬ ‫לכן התנאי לתיפקוד כמקור זרם הוא ‪. Rm >> RL‬‬ ‫תכונות‪:‬‬ ‫ תקף רק לעומסי ‪ RL‬נמוכים‪.‬‬‫ בהעדר עומס‪ ,‬מתח המוצא גבוה מאוד‪.‬‬‫‪ -‬תלוי ב‪ RL -‬במידה קטנה אם יש עמידה בדרישה ‪. Rm >> RL‬‬ ‫עמוד מס' ‪ 3‬מתוך ‪8‬‬ ‫= ‪IL‬‬ ‫‪2011‬‬ ‫הרצאה מס' ‪9‬‬ ‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬ ‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬ ‫)‪ (2‬ע"י טרנזיסטור‪:‬‬ ‫‪VCC‬‬ ‫‪R1‬‬ ‫‪C‬‬ ‫‪B‬‬ ‫‪E‬‬ ‫‪RL‬‬ ‫‪RE‬‬ ‫‪R2‬‬ ‫‪VCC‬‬ ‫המעגל דומה במבנה למעגל ‪.CE‬‬ ‫אופיין הטרנזיסטור עבור ‪ I B‬קבוע‪:‬‬ ‫יוניש ‪RL‬‬ ‫‪I B = const‬‬ ‫‪VCE‬‬ ‫‪IC‬‬ ‫• • •‬ ‫‪VCC‬‬ ‫כלומר‪ ,‬זרם הטרנזיסטור מושפע מעט מ‪ RL -‬ומ‪. VCE -‬‬ ‫באופן דומה עבור ‪:MOSFET‬‬ ‫יוניש ‪RL‬‬ ‫‪VGS = const‬‬ ‫‪VDS‬‬ ‫• • •‬ ‫‪VDD‬‬ ‫עמוד מס' ‪ 4‬מתוך ‪8‬‬ ‫‪I DS‬‬ ‫‪2011‬‬ ‫הרצאה מס' ‪9‬‬ ‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬ ‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬ ‫)‪ (3‬מימוש ע"י ראי זרם‪:‬‬ ‫‪I1‬‬ ‫‪RC‬‬ ‫‪RL‬‬ ‫‪VCC‬‬ ‫‪IL‬‬ ‫‪Q1‬‬ ‫‪Q2‬‬ ‫‪VBE1‬‬ ‫‪VBE 2‬‬ ‫‪β2‬‬ ‫= ‪Q1 ≡ Q2 ⇒ β1‬‬ ‫‪I L = I C2‬‬ ‫אם לשני הטרנזיסטורים ‪ VBE‬זהה‪ ,‬אז ‪ I C‬דומה‪.‬‬ ‫‪ I L‬זורם דרך טרנזיסטור ‪ Q2‬ומתקיים‪. I L = I C 2 :‬‬ ‫ולכן ‪ I L = I C‬נקבע עפ"י ‪ I C‬ו‪ I1 -‬ללא תלות ב‪ . RL -‬לכן זהו מקור זרם )תקף כל עוד‬ ‫‪ Q2‬בפעיל‪ ,‬דבר שנשמר כל עוד ‪ RL‬לא גדול מידי(‪.‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪1‬‬ ‫קל לחשב את ‪ I1‬שכן ‪ B1‬מקוצר ל‪ , C1 -‬ולכן רק דיודה אחת בפעיל‪ .‬הענף הינו‪:‬‬ ‫‪VCC‬‬ ‫‪C‬‬ ‫‪B‬‬ ‫‪E‬‬ ‫אם הטרנזיסטור ‪ Q1‬מוליך‪ ,‬אזי המתח שלו ‪) VBE ≈ 0.7v‬בטרנזיסטור סיליקון(‪.‬‬ ‫‪1‬‬ ‫נקבל‪:‬‬ ‫‪VCC − VBE VCC − 0.7‬‬ ‫≅‬ ‫‪RC‬‬ ‫‪RC‬‬ ‫תוצאה‪ :‬נוצר מעגל שעושה את העבודה כמקור זרם‪ ,‬ע"י שני טרנזיסטורים‪.‬‬ ‫עמוד מס' ‪ 5‬מתוך ‪8‬‬ ‫=‬ ‫‪I1‬‬ ‫‪2011‬‬ ‫הרצאה מס' ‪9‬‬ ‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬ ‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬ ‫הערות‪:‬‬ ‫‪α‬‬ ‫• כידוע מתקיים‬ ‫‪1−α‬‬ ‫= ‪.β‬‬ ‫כלומר‪ ,‬שגיאה קטנה ב‪ α1 -‬ביחס ל‪ α 2 -‬תיצור הבדלים גדולים מאוד בין ‪β1‬‬ ‫ל‪ . β 2 -‬לדוגמא‪:‬‬ ‫‪β1 ≅ 99‬‬ ‫‪β 2 ≅ 200‬‬ ‫⇒‬ ‫=‬ ‫‪α1 0.99‬‬ ‫=‬ ‫‪α 2 0.995‬‬ ‫לכן נשאף לתכנן מעגל ללא תלות ב‪/ β -‬‬ ‫• במימוש זה קיים יתרון לעומת מימוש )‪ (2‬מכיוון שמימוש זה דורש פחות‬ ‫נגדים וזה יתרון במימוש מעגלים משולבים )דורש פחות מקום(‪.‬‬ ‫‪ .4‬מימוש מקורות מתח‪:‬‬ ‫• דיודת זנר )‪:(Zener‬‬ ‫‪−‬‬ ‫~‬ ‫הדויד חתממב ימדק‬ ‫‪I‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪VZ‬‬ ‫‪V‬‬ ‫] ‪0.7 [V‬‬ ‫~‬ ‫‪+‬‬ ‫‪−‬‬ ‫הדויד חתממב ירוחא‬ ‫‪ ← VZ‬חתמ הצירפה‬ ‫דיודה זו היא הבסיס למימוש מקורות מתח‪.‬‬ ‫לפי האופיין ניתן לראות שהחל ממתח מסוים‪ ,‬הדיודה מוליכה בכיוון ההפוך‪.‬‬ ‫עמוד מס' ‪ 6‬מתוך ‪8‬‬ ‫‪2011‬‬ ‫הרצאה מס' ‪9‬‬ ‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬ ‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬ ‫)‪ (1‬מימוש ע"י זנר ‪ +‬נגד‪:‬‬ ‫‪RZ‬‬ ‫~‬ ‫‪RL‬‬ ‫‪VZ‬‬ ‫הדיודה שבמעגל עובדת בכיוון ההפוך‪.‬‬ ‫בעיה‪ :‬כאשר ∞ → ‪ RL‬כל הזרם זורם דרך הדיודה והיא מתחממת מאוד‪.‬‬ ‫)‪ (2‬מימוש ע"י זנר ‪ +‬טרנזיסטור‪:‬‬ ‫רוקמ חתמ‬ ‫‪RZ‬‬ ‫‪IL‬‬ ‫‪RL‬‬ ‫‪IL‬‬ ‫מתקיים‪:‬‬ ‫‪β +1‬‬ ‫~‬ ‫‪VZ‬‬ ‫= ‪. IB‬‬ ‫כתוצאה מכך‪ ,‬אם לדוגמא ]‪ 0 < I L <1[ A‬אז‪:‬‬ ‫‪1‬‬ ‫]‪≈ 10 [ mA‬‬ ‫‪β +1‬‬ ‫↑‬ ‫< ‪0 < IB‬‬ ‫‪β =100‬‬ ‫‪IL‬‬ ‫לכן‪ ,‬במקרה הקיצוני ביותר‪ ,‬הדיודה תצטרך להתמודד עם זרם בגודל‪:‬‬ ‫‪β +1‬‬ ‫שיעבור דרכה ולא עם זרם בגודל‪ , I L :‬כפי שהיה במימוש הקודם‪.‬‬ ‫לכן‪ ,‬במימוש זה הדיודה מתחממת הרבה פחות‪.‬‬ ‫עמוד מס' ‪ 7‬מתוך ‪8‬‬ ‫‪2011‬‬ ‫הרצאה מס' ‪9‬‬ ‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬ ‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬ ‫)‪ (3‬מימוש ע"י זנר ושני טרנזיסטורים‪:‬‬ ‫בציימ חתמ‬ ‫‪IL‬‬ ‫‪Q2‬‬ ‫‪I B2‬‬ ‫‪RL‬‬ ‫‪Q1‬‬ ‫‪RZ‬‬ ‫‪I B1‬‬ ‫) ‪( Q1 = Q2‬‬ ‫~‬ ‫‪VZ‬‬ ‫רוקמ חתמ‬ ‫במקרה זה‪ ,‬התהליך שקרה במימוש )‪ ,(2‬מתרחש פעמיים‪ .‬כלומר‪:‬‬ ‫‪( β + 1) ⋅ ( β + 1) ⋅ I B‬‬ ‫‪1‬‬ ‫=‬ ‫‪( β + 1) ⋅ I B‬‬ ‫‪2‬‬ ‫= ‪I L = I E2‬‬ ‫ולכן‪:‬‬ ‫‪IL‬‬ ‫‪2‬‬ ‫)‪( β + 1‬‬ ‫= ‪I B1‬‬ ‫כלומר‪ ,‬אם העומס מחובר וכל ‪ I B‬הולך לדיודה אז הדיודה תתחמם אפילו פחות‬ ‫מאשר שני המימושים הקודמים‪.‬‬ ‫‪1‬‬ ‫לראות שהמימוש השלישי משפר זאת אפילו יותר‪.‬‬ ‫עמוד מס' ‪ 8‬מתוך ‪8‬‬