2-2. i i. R O R i Av i. Bv o. R of. R if A f v s R S R L. i 2 v 1 v 2. h 11. h22. v o. v i. v s. v f A S. wzmacniacz napięciowy A [V/V] S A Uz.

Transkrypt

1 O T O I U M U K Ł D Ó W I N I O W Y H Ujemne sprzężenie zwrtne 4 Ćwiczenie pracwał Jacek Jakusz. Wstęp Ćwiczenie umżliwia pmiar i prównanie właściwści teg sameg wzmacniacza pracująceg w następujących kniguracjach: wzmacniacz z twartą pętlą zwrtneg, - wzmacniacz z zamkniętą pętlą () zwrtneg. - wzmacniacz z zamkniętą pętlą () zwrtneg. adany układ t dwustpniwy wzmacniacz, który twrzą dwa tranzystry biplarne pracujące w kniguracji wspólny emiter (E). Wzmacniacz ten jest bjęty ujemnym, napięciw-szeregwym sprzężeniem zwrtnym. Pmiary układu z twartą pętlą zwrtneg służą jak dniesienie. W ramach ćwiczenia wyknuje się pmiary: wzmcnienia w śrdku pasma przepustweg, rezystancji wejściwej, dlnej raz górnej 3-decybelwej częsttliwści granicznej, Pszczególne kniguracje wybiera się przy pmcy przełącznika brtweg, który pprzez przekaźniki przełącza dpwiednie układy. Dla uniezależnienia się d parametrów przyrządów pmiarwych raz jakści płączeń, wzmacniacz ma wbudwany bur wzmcnieniu jednstkwym zarówn na wejściu jak i na wyjściu. Przed przystąpieniem d ćwiczenia należy zapznać się z jeg przebiegiem (pdstawwe rmacje zamieszczn w niejszym pracwaniu). Prwadzący ma bwiązek sprawdzić przygtwanie d ćwiczenia. ut napięcie wyjściwe. Dkładny pis pmiaru znajduje się w części teretycznej. e) Zmierzyć zniekształcenia nieliwe dla 8kHz. ) Zmierzyć amplitudwą charakterystykę częsttliwściwą. 3. Opracwanie wyników ) Zmierzne charakterystyki częsttliwściwe nanieść na sbnych wykresach. Oś pwa pwna być wzmcnieniem wyrażnym w mierze lgarytmicznej tj. lg K u, ś pzima (częsttliwść) pwna być lgarytmiczna. Dla układów, i bliczyć, na pdstawie wzrów zamieszcznych w prtkle: punkty pracy tranzystrów, wzmcnienie małsygnałwe K u, rezystancję wejściwą i wyjściwą, Zamieścić własne wniski i spstrzeżenia. Prównać układy pmiędzy sbą, a także skmentwać zgdnść bliczeń teretycznych z pmiarami. 4. Teria (dla zatereswanych) 4. Właściwści ujemneg zwrtneg. Pmiary Dla każdeg z układów,, i należy: a) Zmierzyć dlną i górną 3-decybelwą częsttliwść graniczną ( 3d, H3d ). Pmiar należy wyknać w następujący spsób: - dla częsttliwści sygnału wejściweg 8kHz ustawić wartść skuteczną napięcia sygnału wejściweg tak, aby na wyjściu badaneg układu uzyskać wartść napięcia wejściweg V wy 3mV, (tzn. dla mv, dla mv, dla 5mV) - zachwując stałą wartść napięcia wejściweg zmniejszać (dla pmiaru częsttliwści granicznej dlnej) lub zwiększać (dla pmiaru częsttliwści granicznej górnej) częsttliwść sygnału wejściweg aż d uzyskania napięcia wyjściweg równeg 3mV / mv uzyskana wartść jest dpwiednią częsttliwścią graniczną. b) Określić częsttliwść śrdkwą 3d H 3d i zmierzyć wzmcnienie w śrdku pasma /. c) Zmierzyć rezystancję wejściwą (sygnał wejściwy częsttliwści 8kHz, amplituda j.w.) ezystancję wejściwą mierzy się wykrzystując ddatkwy rezystr włączny szeregw z rezystancją wewnętrzną generatra. Należy nacisnąć przycisk i zantwać napięcie wyjściwe. Dkładny pis pmiaru znajduje się w części teretycznej. d) Zmierzyć rezystancję wyjściwą (sygnał wejściwy częsttliwści 8kHz, amplituda j.w.) - ezystancję wyjściwą mierzy się wykrzystując ddatkwy rezystr włączany równlegle z rezystancją bciążenia wzmacniacza. Należy nacisnąć przycisk ut i zantwać -3-9 Zastswanie ujemneg zwrtneg d układów wzmacniających pwduje: ) stabilizację wzmcnienia uniezależnianie się d wpływu zmian wzmcnienia elementu aktywneg w pd wpływem temperatury, napięcia zasilająceg itp.; ) mżliwść mdyikacji impedancji wejściwej i wyjściwej; 3) zmniejszenie zniekształceń nieliwych; 4) pszerzenie pasma układu. Wady ujemneg zwrtneg: - zmniejszenie wzmcnienia - mżliwść wzbudzania się układu chemat idealneg zwrtneg przedstaw na rys. x i Σ x s x x ys.. chemat idealneg zwrtneg Wzmcnienie układu z zamkniętą pętlą zwrtneg: x x xi xs xi x xi xi - wzmcnienie pętli - różnica zwrtna Wpływ ujemneg zwrtneg na charakterystykę częsttliwściwą liweg wzmacniacza zstanie przeanalizwany na przykładzie Załóżmy, że charakterystyka częsttliwściwa liweg wzmacniacza bez jest pstaci: M ( s) ( ω s)( s ω H )

2 - Wzmcnienie układu dla średnich pulsacji (ω << ω << ω H ) wynsi M, a jeg pasm graniczają dwie graniczne pulsacje (ω - dlna i ω H - górna). Pnadt zakładamy, że charakterystyka człnu zwrtneg jest stała, niezależna d częsttliwści. Wówczas p zamknięciu pętli zwrtneg trzymamy: M M wzmcnienie w śrdku pasma:, M ω ω dlną pulsację graniczną: ω, ( M ) górną pulsację graniczną: ω H ω H ( M ) ω H. Jak wynika z pwyższych zależnści ujemne sprzężenie zwrtne pwduje pszerzenie pasma wzmacniacza. Dla wzmacniacza pisaneg unkcją jednbiegunwą ple wzmcnienia (ilczyn wzmcnienia i pasma wzmacniacza) pzstaje nie zmiene. Ważną właściwścią ujemneg zwrtneg jest wpływ na czułść wzmcnienia przy zmianach napięcia zasilająceg, temperatury itp.. zułść wzmcnienia układu na zmianę napięcia zasilająceg wyraża się wzrem: d d Uz Uz duz duz Uz dla skńcznych przyrstów Uz Δ ΔUz Uz Ważnym parametrem jest czułść wzmcnienia układu z ujemnym sprzężeniem zwrtnym na zmianę wzmcnienia układu z twartą pętlą. Wyraża się na wzrem: Δ Δ lub wzrem (przydatnym przy pmiarach) Uz Uz Δ ΔUz Δ ΔUz pnieważ Uz Uz Uz Uz W ćwiczeniu, w badanym wzmacniaczu zastswan napięciw-szeregwe ujemne sprzężenie zwrtne. tąd też w dalszej części zstanie mówy tylk ten rdzaj. Tplgię przedstawia rys.. Dla teg rdzaju pbierane jest napięcie z wyjścia i pdawane przez zwrtneg na wejście (również napięcie) -szeregw ze źródłem sygnału. W analizie przyjęt załżenia: a) układy i są unilateralne, b) układ jest wzmacniaczem m wzmcnieniu, rezystancji wejściwej i i rezystancji wyjściwej, c) układ transmitancji napięciwej nie bciąża układu (tzn. pdłączenie układu nie zmienia wzmcnienia napięciweg układu / i ). i wzmacniacz ys.. Tplgia napięciw-szeregweg. i O i i i i ys. 3. Mdel wzmacniacza z napięciw-szeregwym sprzężeniem zwrtnym. i ys. 4. Mdel zastępczy wzmacniacza. Wzmcnienie układu: ezystancja wejściwa: i i ( ) ezystancja wyjściwa ( ) W układzie rzeczywistym zazwyczaj jest h h wzmacniacz [V/V] i hi i h ys. 5. Mdel rzeczywisteg wzmacniacza z napięciwszeregwym sprzężeniem zwrtnym. pasywny (nie wzmacnia sygnału) i dlateg mżna bez większeg błędu załżyć: - transmitancja w przód a zwrtneg jest pmijalnie mała w prównaniu ze wzmcnieniem układu aktywneg (tzn. h ), - transmitancja napięciwa a w kierunku zwrtnym: h / przy i. Idealny należy uzupełnić rezystancje wnszne przez układ zwrtneg tj. elementy h raz /h. Należy również włączyć d układu rezystancje: źródła sygnału i bciążenia. P przekształceniu trzymujemy: h i i h i W ten spsób układ rzeczywisty zstał dprwadzny d struktury idealnej (z rys.3), w której zamiast a wprwadzny zstał zmdyikwany, uwzględniający wpływ a, rezystancji źródła sygnału i rezystancji bciążenia.

3 -3 zmdyikwany V i wzmacniacz [V/V] I Q I h E E ys. 6. Układ zmdyikwany. Pdsumwanie transrmacji układu rzeczywisteg: i pdstawwy wzmacniacz ys. 6. Psumwanie przekształceń. i s 4.. naliza dwustpniweg wzmacniacza z napięciwszeregwym ujemnym sprzężeniem zwrtnym. Punkty pracy każdeg tranzystra, należy wyznaczyć przy załżeniu, że prąd stały bazy I jest pmijalnie mały raz że napięcie baza-emiter VE jest stałe i wynsi.7v. ys. 9. chemat d wyznaczenia punktu pracy tranzystra. V V () V,7V I I E () E V E V ( E) I (3) V V I (4) V,7V I I E E (5) V V I (6) ( E ) E 4.3. naliza małsygnałwa dwustpniweg wzmacniacza z twartą pętlą zwrtneg układ nr. śrdek pasma: Zastępczy schemat małsygnałwy z zakresie średnich częsttliwści (w paśmie przepustwym) jest twrzny przy załżeniu, że pjemnści sprzęgające i bcznikujące stanwią zwarcie dla sygnałów zmiennych, natmiast pjemnści pasżytnicze tranzystra są rzwarciem. Napięcie zasilania, pnieważ ma stały ptencjał, jest również traktwane jak masa. μ μ π r π π g m π αi r e e π i e E E ys. 7. Małsygnałwe schematy zastępcze typu π i typu T tranzystra biplarneg. W analizie małsygnałwej należy przyjąć V T 5mV. Parametry mdelu małsygnałweg: g m π I, r V T gm π T π 4.. Punkt pracy β, α μ g m β β, r rπ e β, Punkt pracy liczny jest przy zaniedbaniu prądu bazy. Punkt pracy jest identyczny dla układu z twartą i zamkniętą pętlą zwrtneg ys.. Zastępczy schemat małsygnałwy wzmacniacza dla śrdka pasma. ezystancję wejściwą i wyjściwą wyznacza się z rys.: r )( β ) (7) ( e E ut (8) natmiast wzmcnienie małsygnałwe (rys.): π ie s s i π ie i (9) α( ) gm ( ) r () e E wyskie częsttliwści: zęsttliwść graniczna górna wyznaczna jest w parciu stałe czaswe pwiązane z dpwiednimi pjemnściami

4 -4 pasżytniczymi. Każdą stałą czaswą liczy się jak ilczyn pjemnści i rezystancji widzianej z zacisków tej pjemnści. ys.. Zastępczy schemat małsygnałwy dla wyznaczenia częsttliwści granicznej górnej. Krzystając z twierdzenia Millera mżna zamienić pjemnść μ tranzystra na pjemnści Mi i M : Mi μ μ r r π π r re π g m( ) E( β ) E () r e E M μ () μ g ) (3) Mi ( m μ (4) g m M Teraz mżna łatw wyznaczyć stałe czaswe związane z pszczególnymi pjemnściami: ( ( r )( ) ) τ H Mi e E β (5) E τ H π rπ (6) g me τ r (7) ( ) ( ) H 3 M Mi π π H 4 M ( τ ) (8) Przybliżna częsttliwść graniczna górna mże być kreślna wzrem: H 3d π ( τ τ τ τ ) (9) H H H 3 ale lepiej zastswać wzór dkładniejszy: H 3d H H H 3 H 4 () π τ τ τ τ H 4 niskie częsttliwści: zęsttliwść graniczna dlna wyznaczna jest w parciu stałe czaswe pwiązane z dpwiednimi pjemnściami sprzęgającymi lub bcznikującymi (licząc stałe czaswe dla każdej z pjemnści, pzstałe należy traktwać jak zwarcie). Pjemnści pasżytnicze traktuje się jak rzwarcia. Pszczególne stałe czaswe wynszą: τ ( β ) E rπ ( ( )) () r π τ E E () β τ (3) ( ) 3 Przybliżna częsttliwść graniczna dlna mże być kreślna wzrem: π τ τ τ 3d 3 ale lepiej zastswać wzór dkładniejszy: 3d 3 (4) (5) π τ τ τ 4.4. naliza małsygnałwa dwustpniweg wzmacniacza z zamkniętą pętlą zwrtneg układ,. Na rys. 3 przedstawy jest schemat wzmacniacza. przężenie zwrtne działa tylk dla sygnałów zmiennych z pwdu pjemnści, która ze względu na bardz dużą wartść nie ma żadneg wpływu na charakterystyki częsttliwściwe układu. Na rysunku kreśln miejsca przerwania pętli zwrtneg dla wydrębnienia wzmacniacza pdstawweg i a. V Q E E E ys. 3. chemat wzmacniacza z zamkniętą pętlą zwrtneg z zaznacznymi miejscami przerwania pętli dla wydrębnienia układu pdstawweg i a. Na rys. 4 przedstawy jest schemat wzmacniacza dla sygnałów zmiennych w śrdku pasma przepustweg. i Q E Q ut ys. 4. chemat wzmacniacza z zamkniętą pętlą zwrtneg dla sygnałów zmiennych w śrdku pasma przepustweg. Układy i przedstawe są na rys. 5 i 6. r π π gmπ π gmπ r π E E E Q ys.. Zastępczy schemat małsygnałwy wzmacniacza dla częsttliwści niskich. i

5 ys. 5. Wzmacniacz pdstawwy układ. ( ) i -5 (34) E ys. 6. zwórnik zwrtneg układ. E E (6) h E (7) E (8) h ezystancja wyjściwa układu bez (liczna dla układu zmdyikwaneg ): ) (35) O ( E ezystancja wyjściwa układu ze sprzężeniem (przekształcneg d struktury idealnej): O (36) ( ) ezystancja wyjściwa rzeczywisteg układu ze sprzężeniem: ut (37) ut i i Q h /h E E ys. 7. Układ zmdyikwany. O 5. Pmiar rezystancji wejściwej ezystancję wejściwą mierzy się wykrzystując ddatkwy rezystr włączny szeregw z rezystancją wewnętrzną generatra. Pdczas nrmalnej pracy jest n zwierany przełącznikiem umieszcznym na płycie człwej. P naciśnięciu przycisku znaczneg następuje dłączenie rezystra w szereg z, c pwduje zmniejszenie wzmcnienia. ys. 8. Mdel małsygnałwy układu. ys. 9. Metda pmiaru rezystancji wejściwej wzmacniacza. Pnieważ pętla zwrtneg nie bejmuje dzielnika i t włączamy g d rezystancji źródła Theena: (9) Wzmcnienie układu zmdyikwaneg jest kreślne wzrem: e i g E m ( ( )) E ( re E )( β ) ( r )( β ) α( ) re E (3) Wzmcnienie układu ze sprzężeniem wynsi więc: (3) ezystancja wejściwa układu bez (liczna dla układu zmdyikwaneg ): i ( β )( re E ) (3) ezystancja wejściwa układu ze sprzężeniem (przekształcneg d struktury idealnej): ( ) (33) i i Oznaczając jak raz dpwiedni napięcia wyjściwe przy zwartym i rzwartym rezystrze trzymujemy: K (38) K (39) 6. Pmiar rezystancji wyjściwej wzmacniaczy (4) (4) ezystancję wyjściwą mierzy się wykrzystując ddatkwy rezystr włączany równlegle z rezystancją bciążenia wzmacniacza. Pdczas nrmalnej pracy jest dłączny. W czasie pmiaru rezystancji dłącza się g przełącznikiem umieszcznym na płycie człwej i znacznym ut. P naciśnięciu przycisku następuje dłączenie rezystra, c pwduje zmniejszenie wzmcnienia. ezystancja wejściwa rzeczywisteg układu ze sprzężeniem:

6 -6 układ ut ys.. Metda pmiaru rezystancji wyjściwej wzmacniacza. Oznaczając jak raz dpwiedni napięcia wyjściwe przy rzwartym i zwartym rezystrze trzymujemy: K ut K ut ( ut ) ( ut ) (4) (43) ut (4) (44) 7. Parametry tranzystrów i dane elementów: Parametr Wartść β, μ, 4.5p T, 5MHz V V E E,, E 5kΩ 6.kΩ 8.kΩ 56Ω.kΩ.kΩ 5.kΩ 8kΩ 36kΩ kω kω 6.8μ 68n UJEMNE PZĘŻENIE ZWOTNE V V 3V V Vcc ur ut E Q IN Q ur E E IEĆ WEJŚIE WYJŚIE iteratura: [] Z. J. taszak, J. Glianwicz, D. zarnecki Materiały pmcnicze d przedmitu Układy Elektrniczne iwe. []. Guziński, we elektrniczne układy analgwe WNT 99. [3]. ilipkwski, Układy elektrniczne analgwe i cyrwe, WNT 978.