1. WZMACNIACZ RC +USZ

Transkrypt

1 1. WZMACNIACZ C +USZ 1.1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest pomiar podstawoch parametrów roboczych wzmacniacza C oraz jego charakterystyk amplitudoch dla różnych układów włączenia tranzystora, różnych wartości elementów układu i podstawoch typów sprzężeń zwrotnych SCHEMAT BLOKOWY UKŁADU POMIAOWEGO Schemat bloko układu pomiarogo przedstawiony jest na rysunku 1.1. Analizator charakterystyk Woltomierz Generator sinusoidalny Badany układ Obciążenie Oscyloskop ys Schemat bloko układu pomiarogo Badany układ jest sterowany z przestrajanego generatora sinusoidalnego. Obciążeniem zewnętrznym jest rezystor o regulowanej wartości rezystancji. Wartość napięcia na obciążeniu jest mierzona woltomierzem napięcia zmiennego. Kształt napięcia jest kontrolowany przy pomocy oscyloskopu. Opcjonalnie stanowisko pomiaro może być posażone w analizator charakterystyk częstotliwościoch. Wszystkich połączeń sygnałoch dokonuje się kablem koncentrycznym SCHEMAT IDEOWY BADANEGO UKŁADU Schemat ideo badanego układu przedstawiono na rysunku 1.2. Badany układ jest jednostopniom wzmacniaczem zbudowanym na tranzystorze bipolarnym BC-108B. Sterowanie układu odbywa się z jścia We. Ponieważ generatory sterujące (rys.1.1) stosowane do badań mają ustaloną i zkle małą rezystancję jściową (50 lub 75 Ω) w związku z tym zastosowano dodatko rezystory (przełączane przełącznikami P 1, P 2 ) co pozwala badać własności wzmacniacza sterowanego z generatora o różnej rezystancji wnętrznej. Do jścia układu Wy2 można podłączyć obciążenie o zmienianej rezystancji. Pozwala to badać własności wzmacniacza dla ustalonej ( 12 ) lub zmienianej rezystancji obciążenia (przełącznik P 11 ). Do jścia Wy1 podłącza się woltomierz i oscyloskop. Dobierając odpowiednio położenie przełączników P 4 i P 6 P 10 można zrealizować układy: a) wzmacniacza z tranzystorem włączonym w układzie OE (w skrócie wzmacniacz OE) - ustawiając wszystkie przełączniki P 3...P 10 w pozycji spoczynkoj; b) wzmacniacza OB - przełączając w stosunku do OE przełączniki P 4 i P 8, c) wzmacniacza OC - przełączając w stosunku do OE przełączniki P 8 i P 9, 1

2 d) wzmacniacza ze sprzężeniem prądom szeregom w układzie OE - przełączając w stosunku do OE przełącznik P 7, e) wzmacniacza ze sprzężeniem napięciom równoległym w układzie OE - przełączając w stosunku do OE przełącznik P 6. f) ys Schemat ideo badanego wzmacniacza 2

3 W zależności od potrzeb możliwa jest zmiana pojemności sprzęgającej (P 3 ), emiteroj (P 10 ) i prądu kolektora tranzystora (P 5 ), a poza tym zmiana rezystancji generatora (P 1, P 2 ) i obciążenia (rezystorem zewnętrznym). ezystory 4 ( 5 ), 8 ( 9 ), 6, 11 zapewniają poprawną polaryzację tranzystora i stabilizują jego punkt pracy. Zmiana rezystora bazogo ( 4 lub 5 ) zapewnia zmianę punktu pracy tranzystora. Aby z dwóch parametrów określających punkt pracy (I C i U CE ) zmieniał się tylko prąd kolektora, ze zmianą rezystora bazogo jednocześnie zmienia się jeden z rezystorów kolektoroch ( 8, 9 ). Pozwala to zmieniać prąd kolektora I C z 1,5 ma na 4,5 ma, przy niezmiennym napięciu kolektor-emiter U CE = 8V. Podane wartości liczbo należy traktować jako przybliżone, gdyż rezystory nie są dobierane a tranzystory w każdym badanym modelu laboratoryjnym mają różne parametry ze względu na rozrzut produkcyjny. Kondensator C 9 eliminuje entualne tętnienia w obwodzie prądu stałego. ównolegle do kondensatorów C 4, C 6 (C 7 ), C 11 (elektrolitycznych) o pojemnościach rzędu µf są podłączone kondensatory ceramiczne C 5, C 8, C 10 o pojemności 100 nf. Ze względu na różnicę pojemności o kilka rzędów jest to na pozór bezcelo, gdyż zastępcza pojemność będzie określona przez wartość większą. Taki zabieg stosuje się ze względów praktycznych, gdyż kondensatory elektrolityczne są przeznaczone do pracy w obwodach prądu stałego, a jeśli zmiennego to o niezbyt dużej częstotliwości. W układach szerokopasmoch funkcje blokowania rezystancji rozdziela się więc na dwa kondensatory elektrolityczny dla składoj stałej i niezbyt dużych częstotliwości oraz ceramiczny dla ższych częstotliwości. Kondensator C 3 zapewnia niezmienność punktu pracy tranzystora po włączeniu sprzężenia napięciogo równoległego, co pozwala porównać parametry tego układu z układem bez sprzężenia zwrotnego WYBANE WŁASNOŚCI BADANEGO UKŁADU Wzmacniacz OE Korzystając ze schematu przedstawionego na rys. 1.2 można stworzyć schemat wzmacniacza OE przedstawiony na rys. 1.3, w którym zamieszczono tylko elementy istotne z punktu widzenia dalszej analizy i doceloch badań. W tym i następnych schematach pominięto, wspomniane wcześniej, dodatko kondensatory ceramiczne Parametry robocze Parametrami roboczymi wzmacniacza nazywamy parametry, które charakteryzują wzmacniacz w stanie pracy, tzn. z podłączonym generatorem i obciążeniem. Wszystkie parametry robocze wzmacniacza można znaczać dla dowolnej częstotliwości, jednak powszechnie przyjmuje się, że znacza się je dla zakresu średnich częstotliwości. W dalszych rozważaniach pod pojęciem napięcia czy prądu należy konsekntnie rozumieć ich wartość dla składoj zmiennej, z jątkiem parametrów określających punkt pracy tranzystora. 3

4 +18V Pp P3 0 1 C P5a 0 P5b 1 T C 12 Wy 1 0 We 2 1 P1 Gen. C C 6 0 P10 1 C 7 ys Schemat ideo wzmacniacza OE Aby uniknąć błędów interpretacyjnych parametrów roboczych i zapewnić możliwość porównania ich z parametrami wzmacniaczy OB, OC i ze sprzężeniem zwrotnym celom jest stworzenie schematu zastępczego wzmacniacza dla składoch zmiennych. Strukturę takiego wzmacniacza przedstawiono na rys Pp U I I C Wy U E g We B r Gen. r ys Schemat zastępczy wzmacniacza OE Korzystając z tego schematu interesujące nas parametry robocze zdefiniujemy następująco: a) wzmocnienia napięcio: U G u0 = U b) wzmocnienie prądo: I G i 0 = I c) wzmocnienie napięcio skuteczne: U G us0 = Eg gdzie E g to SEM (dajność napięciowa, napięcie źródło) generatora. Stosujemy tu godne dla celów pomiaroch i obliczenioch przybliżenie, utożsamiając E g z napięciem na jściu We, gdyż rezystancja wnętrzna rzeczywistego generatora Gen (50 lub 75 Ω) jest znikomo mała w porównaniu z symulowaną wartością (1 lub 10 kω ). d) wzmocnienie prądo skuteczne I G is0 = I g (1.1) (1.2) (1.3) (1.4) 4

5 gdzie I g dajność prądowa generatora Gen z uwzględnieniem. e) rezystancja jściowa U r = (1.5) I f) rezystancja jściowa U 0 = (1.6) I r gdzie U 0 jest napięciem na jściu tranzystora bez uwzględnienia rezystancji C i (zgodnie z procedurą znaczania rezystancji jścioj). g) uogólniona rezystancja jściowa = r (1.7) B h) uogólniona rezystancja jściowa = r (1.8) C Analizę parametrów roboczych wzmacniacza rozpoczniemy od wzmocnienia prądogo. Jak nika z rys. 1.4 na ten parametr ma wpływ przede wszystkim sam tranzystor. W zakresie niezbyt dużych częstotliwości najgodniej skorzystać z jego parametrów macierzy h e, gdyż wartość parametru h 21e wprost określa stosunek prądu kolektora do prądu bazy. Jest to co prawda parametr zwarcio, ale przy praktycznie stosowanych w układzie wartościach C i i małej wartości konduktancji jścioj tranzystora h 22e (dużej rezystancji jścioj) jest to przybliżenie starczające. Do oceny wpływu zmian punktu pracy na wzmocnienie prądo wzmacniacza skorzystajmy z kresu zmian parametrów macierzoch tranzystora w funkcji wartości średniej prądu kolektora (składoj stałej) przedstawiony na rys ys Wpływ punktu pracy na parametry macierzo tranzystora Z rysunku nika wprost, że ze wzrostem wartości średniej prądu kolektora (zmiana przełącznikiem P 5 ) stąpi wzrost wzmocnienia prądogo dla składoj zmiennej. Wzmocnienie napięcio jest funkcją wzmocnienia prądogo. W tym padku należy jednak uwzględnić fakt, że zmieniając prąd kolektora zmieniamy także rezystancję kolektorową, a przez to uogólnioną rezystancję obciążenia. Wzmocnienie napięcio skuteczne i prądo skuteczne jest mniejsze niż wzmocnienia napięcio i prądo ze względu na wpływ na te parametry wartości rezystancji generatora. 5

6 ezystancja jściowa (r ) jest zależna od parametru macierzogo h 11e tranzystora. Zmiana prądu kolektora powoduje zmianę tego parametru macierzogo, a przez to roboczego wzmacniacza. W każdym układzie wartość rezystancji jścioj jest zależna od wartości rezystancji obciążenia ze względu na przezroczystość układu (jście oddziałuje na jście). W rozpatrywanym przypadku wzmacniacza parametr tranzystora odpowiedzialny za przezroczystość (h 12e ) ma jednak wartość znikomo małą (rząd 10-4 V/V). ozpatrując problem rezystancji jścioj zauważamy, że sytuacja jest podobna jak przy rezystancji jścioj. Poziom rezystancji jścioj wzmacniacza jest określony przede wszystkim przez rezystancję jściową tranzystora (odwrotność h 22e ), a ta jest także zależna od prądu kolektora. easumując, charakter zmian rezystancji jścioj i jścioj wzmacniacza OE jest silnie uzależniony od charakteru zmian h 11e i h 22e, a wpływ rezystancji obciążenia na rezystancję jściową i rezystancji generatora na rezystancję jściową wzmacniacza jest niewielki, ze względu na małą przezroczystość tranzystora w układzie OE. Ostatniego wniosku nie należy uogólniać na pozostałe analizowane układy. Uogólniona rezystancja jściowa i jściowa wzmacniacza ma zawsze wartość mniejszą niż rezystancja jściowa r i jściowa r, co nika wprost z rys Charakterystyki częstotliwościo Poza parametrami roboczymi istotnymi z punktu widzenia własności wzmacniacza są jego charakterystyki częstotliwościo. Ten problem rozważymy oddzielnie dla zakresu dolnych i górnych częstotliwości, ograniczając się głównie do charakterystyk amplitudoch. Analizę wpływu elementów układu dla zakresu dolnych częstotliwości przeprowadzimy oddzielnie dla wpływu pojemności sprzęgających i emiteroj. Schemat obwodu jściogo i jściogo z uwzględnieniem pojemności sprzęgających wzmacniacza przedstawiono na rys C s1 Tor wzmacniający C s2 E g E g2 ys Schemat obwodu jściogo i jściogo wzmacniacza ozpatrując tylko wpływ obwodu jściogo zauważamy, że w miarę malenia częstotliwości sygnału z generatora na pojemności C s1 odkłada się coraz większy spadek napięcia kosztem sygnału na jściu toru wzmacniającego. Dla częstotliwości bliskich zeru tor wzmacniający nie będzie sterowany. Ponieważ jest to układ filtru górnoprzepustogo opisanego funkcją jednobiegunową więc jego charakterystyka jest monotoniczna i poniżej zakresu średnich częstotliwości opada z nachyleniem 6 db/oktawę (20dB/dek). Częstotliwość graniczną dolną określa się na poziomie jej spadku o 3 db w stosunku do zakresu średnich częstotliwości. Dla większych wartości pojemności sprzęgającej spadek napięcia na niej będzie mniejszy i częstotliwość graniczna będzie mniejsza, a dla mniejszych większa co zilustrowano na rys. 1.7 dla linioj skali częstotliwości (strzałka wskazuje kierunek wzrostu wartości pojemności). 6

7 G us G us0 f ys Wpływ pojemności sprzęgającej na charakterystykę wzmacniacza Na przebieg charakterystyki w zakresie dolnych częstotliwości mają wpływ również rezystancje obwodu jściogo co zilustrowano na rys a) b) c) I U U Ug U I U g U U I E g U C E g E g U C U C ys Wykres ktoro obwodu jściogo W całym zakresie dolnych częstotliwości obwód ma charakter pojemnościo, więc stępuje (różne dla różnych częstotliwości tego zakresu) przesuniecie fazy między napięciem E g generatora a prądem I płynącym w obwodzie. Dla ższych częstotliwości tego zakresu (kres 1.8.a) dominuje napięcie na rezystancji U jako suma spadków napięć na rezystancji generatora U g i rezystancji jścioj U, gdyż napięcie na kondensatorze U C jest niewielkie (jego reaktancja jest mała). Napięcie na rezystancji jest oczywiście w fazie z prądem. Napięcie na kondensatorze U C jest przesunięte w fazie w stosunku do prądu o 90. Zgodnie z pram Kirchhoffa suma spadków napięć na rezystancjach i pojemnościach (zawsze jest to suma ktorowa) jest równa napięciu z generatora. Dla częstotliwości granicznej dolnej obwodu (kres 1.8.b) napięcie na kondensatorze jest równe sumie napięć na rezystancjach. Z tego rysunku nika cieka wniosek, że dla dolnej częstotliwości granicznej suma napięć na rezystorach i kondensatorze (co do modułu, a nie ktorowa) jest większa niż napięcie z generatora. Dla małych częstotliwości (kres 1.8.c) dominuje napięcie na kondensatorze (duża reaktancja). Z analizy rysunków 1.8.a...c nika wniosek, że na częstotliwość graniczną dolną obwodu jściogo ma wpływ nie tylko wartość pojemności sprzęgającej, ale równoprawnie wartości rezystancji obwodu jściogo (rezystancji generatora i / lub rezystancji jścioj). Analogiczną analizę można przeprowadzić dla obwodu jściogo. Zjawiska zachodzące w rozpatrywanych obwodach można rozpatrzyć alternatywnie analizując stałą czasu filtrów, gdyż częstotliwość graniczna filtru jednobiegunogo jest odwrotnie proporcjonalna do stałej czasu (iloczyn pojemności i sumy rezystancji) filtru. Na zakres dolnych częstotliwości ma wpływ również obwód emitero. Schemat zastępczy wzmacniacza z pojemnością emiterową przedstawiono na rys. 1.9, gdzie G jest uogólnioną rezystancją generatora, a L uogólnioną rezystancją obciążenia. 7

8 G U be L U e E C E E G ys Schemat zastępczy wzmacniacza z obwodem emiterom W zakresie średnich częstotliwości kondensator skutecznie bocznikuje rezystor E i napięcie U e jest praktycznie zero. W miarę malenia częstotliwości rośnie reaktancje kondensatora i na obwodzie emiterom odkłada się coraz większe napięcie U e kosztem napięcia sterującego tranzystor U be, więc kosztem wzmocnienia wzmacniacza. Zmniejszając częstotliwość do dowolnie małej, kondensator stanowi praktycznie rozwarcie i napięcie U e ustala się na wartości określonej wartością E. Przebieg charakterystyki nie będzie już monotoniczny jak na rys. 1.7, lecz taki jak na rys G us G us0 z. d. cz. z. śr. cz. E = const f ys Wpływ pojemności emiteroj na charakterystykę wzmacniacza Wypadkowa charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza w zakresie dolnych częstotliwości zależy od przebiegu charakterystyk wszystkich trzech obwodów (jściogo, jściogo i emiterogo). Przebieg charakterystyki amplitudoj wzmacniacza w zakresie górnych częstotliwości jest uzależniony od parametrów tranzystora oraz od rezystancji generatora i obciążenia. Stosując schemat zastępczy tranzystora hybryd Π oraz pojęcia uogólnionych rezystancji generatora i obciążenia, tranzystor w układzie wzmacniającym jest włączony jak przedstawiono na rys B r bb B C c C G r b e g m U b e r ce L E G C e E ys Schemat zastępczy wzmacniacza w zakresie górnych częstotliwości Analiza własności takiej struktury jest złożona, ze względu na istnienie sprzężenia zwrotnego przez pojemność baza-kolektor C c. Procedurę można znacznie uprościć stosując twierdzenie Millera. Pozwala ono przekształcić schemat tranzystora ze struktury bilateralnej na unilateralną (eliminować sprzężenie zwrotne) i analizować obwód jścio i jścio wzmacniacza niezależnie. Ponieważ współczynnik multiplikacji Millera pojemności C c do obwodu jściogo jest o wiele mniejszy niż dla jściogo, dalszą analizę wzmacniacza można ograniczyć do obwodu jściogo. 8

9 Po przekształceniach i uproszczeniach schemat z rys przyjmie postać jak na rys a) r bb b) G us G us0 G r b e E G C e C M f ys Schemat obwodu jściogo wraz z charakterystyką amplitudową Ze względu na pojemności równoległe układ jest jednobiegunom filtrem dolnoprzepustom, a charakterystyka amplitudowa będzie oczywiście funkcją monotoniczną (rys b). Na częstotliwość graniczną górną mają wpływ wszystkie elementy C układu, przy czym pojemność C M, zwana pojemnością Millera, ma najczęściej wpływ znaczący. Jej wartość jest tym większa im większe jest wzmocnienie napięcio wzmacniacza (w przybliżeniu o wartość wzmocnienia razy większa niż C c z rys. 1.11). Zmieniając rezystancję obciążenia wzmacniacza wpływamy na wzmocnienie, a przez to na wartość pojemności Millera i w efekcie na częstotliwość graniczną wzmacniacza. ezystancja generatora jako element filtru ma także wpływ na zakres górnych częstotliwości, podobnie jak dla zakresu dolnych częstotliwości Wzmacniacz OB Dokonując odpowiednich przełączeń przełączników modelu laboratoryjnego przedstawionego na rys.1.2 można zrealizować wzmacniacz w układzie OB. Schemat zrealizowanego układu przedstawiono na rys.1.13.a, a jego układ graficzny godniejszy do analizy na rys.1.13.b. Dla przejrzystości pominięto zmiany rezystorów bazoch i kolektoroch. Strukturalnie, w stosunku do wzmacniacza OE, stąpiły dwie zmiany: sygnał sterujący jest doprowadzony do emitera i wspólną końcówka dla obwodu jściogo i jściogo (dla składoch zmiennych) jest baza, dzięki zastosowaniu kondensatora C 4. Pamiętajmy, że konfiguracja włączenia tranzystora jest możliwa do określenia dopiero po podłączeniu generatora i obciążenia. Dość szczegółowa analiza przedstawiona przy studiowaniu wzmacniacza OE jest pomocna w poznaniu własności wzmacniacza OB. Z analizy schematu (rys. 1.13) można ciągnąć wnioski odnośnie parametrów roboczych wzmacniacza OB. Prądem jściom jest prąd emitera, a prądem jściom jest prąd kolektora. Z relacji miedzy prądem kolektora a emitera tranzystora nika, że wzmocnienie prądo wzmacniacza OB jest mniejsze od jedności. 9

10 a) +E C 4 8 Wy Pp C 1 T C C 4 11 We P2 Gen. b) Pp r r C 1 C 12 Wy T P2 We Gen. C E C ys Schemat ideo wzmacniacza OB. Napięcie jścio jest uzależnione od prądu kolektora tranzystora, a ten zależy od napięcia między bazą a emiterem. Kondensator C 4 możemy traktować jako zwarcie, więc sygnał z generatora jest doprowadzony do złącza baza-emiter, tak jak wzmacniaczu OE. Wynika stąd wniosek, że nie ma różnicy między wzmocnieniami napięciomi wzmacniacza OB i OE. ezystancja jścio (r ) wzmacniacza OB to stosunek napięcia baza-emiter do prądu emitera, a nie do prądu bazy jak dla wzmacniacza OE. Prąd emitera jest wielokrotnie większy od prądu bazy, więc rezystancja jściowa układu OB jest o wiele mniejsza niż układu OE (w przybliżeniu h 21e razy). Poziom rezystancji jścioj (r ) wzmacniacza OB w stosunku do rezystancji jścioj wzmacniacza OE można porównać korzystając z rysunku a) I C b) I C I B par. I E par. U CE -U CB ys Charakterystyki jścio tranzystorów w układzie OE a) i OB b) Z przebiegu tych charakterystyk nika, że ich nachylenie jest różne, więc rezystancja jściowa wzmacniacza OB jest większa niż wzmacniacza OE. 10

11 Przy ocenie przebiegu charakterystyki amplitudoj w zakresie dolnych częstotliwości obowiązuje ta sama procedura jak przy wzmacniaczu OE. Zmniejszenie rezystancji jścioj powoduje wzrost częstotliwości granicznej dolnej obwodu jściogo, a zwiększenie rezystancji jścioj zmalenie częstotliwości granicznej dolnej obwodu jściogo. Włączenie tranzystora w układzie OB zapewnia możliwość uzyskania większej częstotliwości granicznej górnej wzmacniacza niż w układzie OE, gdyż w tym układzie włączenia tranzystor ma większą częstotliwość graniczną (brak efektu Millera) Wzmacniacz OC Aby zrealizować wzmacniacz OC należy obciążenie podłączyć do końcówki emiteroj tranzystora. Dodatkowo należy zapewnić, aby wspólną końcówką tranzystora dla obwodu jściogo i jściogo tranzystora był kolektor. W tym celu rezystor kolektoro jest zbocznikowany kondensatorem C 11. Schemat zrealizowanego układu przedstawiono na rys.1.15.a, a jego schemat dla składoch zmiennych na rys.1.15.b. a) +E C 4 8 Pp We P1 C 1 6 T C C 12 Wy Gen. b) Pp C 1 r B T r C Wy We P1 Gen. ys Schemat ideo i zastępczy wzmacniacza OC Wzmocnienie prądo jest stosunkiem prądu emitera do prądu bazy. Z bilansu prądów w tranzystorze nika, że wzmocnienie prądo wzmacniacza OC jest liczbowo o jeden większe od wzmocnienia wzmacniacza OE. 11

12 Napięcie jścio to napięcie panujące na złączu baza kolektor (U cb - rys b). Z rys a nika, że to napięcie jścio jest równe sumie napięcia na złączu emiterom i napięcia jściogo, a to oznacza, że napięcie jścio jest mniejsze od jściogo i wzmocnienie napięcio wzmacniacza OC jest mniejsze do jedności. Napięcie jścio jest zazczaj dużo większe od napięcia na złączu emiterom i dlatego wzmocnienie napięcio jest zkle bliskie jedności. Ponieważ dodatkowo nie stępuje przesunięcie fazy, więc napięcie jścio (na jściu emiterom) wtóruje napięciu jściomu, stąd powszechnie wzmacniacz OC jest nazywany wtórnikiem emiterom. Z rys a nika, że rezystancja jściowa jest sumą rezystancji złącza emiterogo i rezystancji jaką przedstawia sobą odwód podłączony w do emitera. Przez te rezystancje płyną jednak różne prądy (bazy i emitera) i nie można ich wprost dodawać. Aby te rezystancje można było dodać, to dla poprawnej analizy należy równać prądy i starczy wartość rezystancji włączonej w obwód emitera potraktować jako o stosunek prądu emitera do prądu bazy większą. ezystancja włączona w obwód emitera jest więc odczuwana na jściu jako o wiele większa. Przyjmując h 21e = 300 i rezystancję włączoną w obwód emitera równa 1 kω otrzymujemy przyrost rezystancji jścioj o 301 kω w stosunku do rezystancji wzmacniacza OE. ezystancja jściowa jest stosunkiem napięcia jściogo do prądu jściogo. Napięcie jścio jest praktycznie równe jściomu ale prąd jścio jest jednak o wiele większy od jściogo. Wzmacniacz OC ma więc małą rezystancję jściową a duża rezystancję jściową (tzw. transformator rezystancji). Ujemną cechą wzmacniacza OC jest jego duża przezroczystość. Wynika to z tego, że jście i jście wzmacniacza jest połączone ze sobą poprzez rezystancję złącza baza emiter spolaryzowanego w kierunku przewodzenia (rys.1.15.b). W efekcie rezystancja jściowa silnie zależy od rezystancji obciążenia, a jściowa od rezystancji generatora. Zmiana układu włączenia tranzystora z OB na OC wpływa odmiennie na wartość rezystancji jścioj i jścioj. Czytelnik może więc samodzielnie ciągnąć wnioski odnośnie charakterystyki wzmacniacza OC w zakresie dolnych częstotliwości. Analizując zakres górnych częstotliwości wzmacniacza OC starczy zauważyć, że w obwodzie jściom (rys b) stępuje pojemność złącza baza-kolektor. Jej wartość jest stosunkowo mała w porównaniu z pojemnością obwodu jściogo wzmacniacza OE, gdzie stępuje znacząca wartość tzw. pojemności Millera. Stąd nika wniosek, że wzmacniacz OC umożliwia uzyskanie większej częstotliwości granicznej górnej niż OE Wzmacniacz ze sprzężeniem prądom szeregom ozwierając rezystor 10 w układzie przedstawionym na rys. 1.2 zrealizujemy wzmacniacz ze sprzężeniem prądom szeregom (rys. 1.16). Jedynym elementem różniącym schemat otrzymanego wzmacniacza w stosunku do wzmacniacza OE bez sprzężenia zwrotnego jest rezystor 10. Znajomość poprzednich wzmacniaczy, w szczególności wzmacniacza OE, pozwoli w prosty sposób poznać właściwości wzmacniacza ze sprzężeniem prądom szeregom. 12

13 +E C 4 8 Wy Pp C 1 T C We P Gen. 11 C 6 ys Schemat ideo wzmacniacza ze sprzężeniem prądom szeregom Do analizy parametrów roboczych przyjmijmy schemat zastępczy dla zakresu średnich częstotliwości przedstawiony na rys I Wy Pp I U U C E g We1 B f r f f Gen. f r f ys Schemat zastępczy wzmacniacza ze sprzężeniem prądom szeregom Napięcie jścio podlega podziałowi między złącze baza-emiter i rezystancję sprzężenia zwrotnego f ( 10 na rys. 1.16). Efektywne napięcie sterujące złączem baza-emiter ulega zmniejszeniu i wzmocnienie napięcio wzmacniacza z tym sprzężeniem zwrotnym ulega redukcji w stosunku do wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego (OE). Włączenie rezystora f w obwodzie jściom powoduje zmalenie prądu jściogo (prądu bazy), więc zmaleje prąd jścio, ale ich stosunek (wzmocnienie prądo) pozostanie bez zmian. ozpatrując problem rezystancji jścioj zauważamy, że obwód jścio wzmacniacza ze sprzężeniem prądom szeregom jest analogiczny jak wzmacniaczu OC, więc sprzężenie prądo szerego powoduje wzrost rezystancji jścioj w stosunku do wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego. Wpływ sprzężenia prądogo szeregogo na rezystancje jściową rozpatrzymy analizując wpływ zmian rezystancji obciążenia. Nie uwzględniając sprzężenia zwrotnego ( f = 0), jeśli zmniejszymy rezystancję obciążenia, to w obwodzie jściom popłynie większy prąd. Jeśli uwzględnimy sprzężenie ( f > 0), to przez rezystor f popłynie też większy prąd. Większe napięcie na f zmniejszy napięcie na złączu baza-emiter tranzystora muszając mniejszy prąd. Pętla sprzężenia zwrotnego przeciwdziała więc zmianom prądu jściogo pod wpłym zmian obciążenia. Źródło, które dostarcza do obciążenia prąd o stałej wartości (w tym przypadku oczywiście zmienny), jest źródłem prądom o dużej rezystancji 13

14 wnętrznej. Sprzężenie prądo szerego powoduje wzrost rezystancji jścioj wzmacniacza. Zmianom rezystancji jścioj i jścioj towarzyszy zmiana częstotliwości granicznej dolnej wzmacniacza. Postępując jak przy poprzednich wzmacniaczach można przewidzieć charakter zmian charakterystyki amplitudoj wzmacniacza w zakresie dolnych częstotliwości. W stosunku do wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego ulegnie zmianie także częstotliwość graniczna górna. Korzystając z twierdzenia Millera zauważamy, że pojemność jściowa zmniejszy się ponieważ sprzężenie redukuje wzmocnienie napięcio Wzmacniacz ze sprzężeniem napięciom równoległym Sprzęgając jście wzmacniacza z jściem poprzez gałąź 7 C 3 (rys. 1.2) zrealizujemy wzmacniacz ze sprzężeniem napięciom równoległym w układzie przedstawionym na rys E C C 1 4 C 3 7 Pp T 8 C 12 Wy We P1 Gen C 6 ys Schemat ideo wzmacniacza ze sprzężeniem napięciom równoległym Do analizy parametrów roboczych przyjmijmy schemat zastępczy dla zakresu średnich częstotliwości przedstawiony na rys Pp U I f I f f I f C Wy U E g We B r f f Gen. f r f ys Schemat zastępczy wzmacniacza ze sprzężeniem napięciom równoległym 14

15 W odróżnieniu od wzmacniacza ze sprzężeniem prądom szeregom tranzystor jest wprost sterowany napięciem jściom, więc wprowadzenie sprzężenia napięciogo równoległego praktycznie nie zmienia wzmocnienia napięciogo wzmacniacza. W obwodzie jściom stępuje rozpływ prądu jściogo na prąd bazy i prąd I f. Efektywny prąd sterujący tranzystor ulega zmniejszeniu i dlatego sprzężenie napięcio równoległe redukuje wzmocnienie prądo. Prąd płynący przez gałąź sprzężenia zwrotnego I f jest dodatkom prądem pobieranym z generatora i dlatego sprzężenie napięcio równoległe redukuje rezystancję jściową. Ze schematu nika wprost, że im większe wzmocnienie napięcio (większa różnica potencjałów na f ) tym prąd I f jest większy i silniej maleje rezystancja jściowa. Wpływ sprzężenia napięciogo równoległego na rezystancję jściową rozpatrzymy jak poprzednio, analizując wpływ zmian rezystancji obciążenia. Nie uwzględniając sprzężenia zwrotnego, jeśli zmniejszymy rezystancję obciążenia, to w obwodzie jściom popłynie większy prąd. Jeśli uwzględnimy sprzężenie to przez pętlę sprzężenia zwrotnego popłynie do obciążenia dodatko prąd. Zmianom rezystancji obciążenia towarzyszy więc zmiana prądu. Źródło, które dostarcza do obciążenia prąd o wartości zależnej od obciążenia jest źródłem napięciom o małej rezystancji wnętrznej. Sprzężenie napięcio równoległe powoduje zmalenie rezystancji jścioj wzmacniacza. Zmianom rezystancji jścioj i jścioj towarzyszy zmiana częstotliwości granicznej dolnej. Postępując jak poprzednio można przewidzieć charakter zmian w zakresie dolnych częstotliwości. W stosunku do wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego ulegnie zmianie także częstotliwość graniczna górna. W odróżnieniu od wzmacniacza ze sprzężeniem prądom szeregom nie ulega redukcji pojemność jściowa (niezmienność wzmocnienia napięciogo), lecz rezystancja jściowa. Efekt jest jednak taki sam, gdyż o częstotliwości granicznej nie decyduje tylko wartość pojemności jścioj, ale równoprawnie wartość rezystancji jścioj. 15

16 1.5. OPIS TECHNICZNY POMIAÓW Zakres i metodyka pomiarów W trakcie ćwiczenia laboratoryjnego należy przeprowadzić pomiary charakterystyk amplitudoch i parametrów roboczych wzmacniaczy: a) wzmacniacza OE; b) wzmacniacza OB; c) wzmacniacza OC; d) wzmacniacza ze sprzężeniem prądom szeregom; e) wzmacniacza ze sprzężeniem napięciom równoległym. Najpowszechniej stosowanym wzmacniaczem tranzystorom jest wzmacniacz OE i ten należy traktować jako układ odniesienia dla pozostałych. Aby uniknąć błędnej konfiguracji przed rozpoczęciem badań wzmacniaczy typu b)... e) najpierw należy skonfigurować wzmacniacz odniesienia. Charakterystyki amplitudo wzmacniacza należy zdejmować metodą punkt po punkcie lub z korzystaniem analizatora charakterystyk. W pierwszym przypadku pomiary rozpocząć od zakresu średnich częstotliwości, np. 10 khz i odstrajać generator kolejno w kierunku dolnych i górnych częstotliwości aż do częstotliwości, przy której napięcie na obciążeniu zmniejszy się do około poło (6 db) w stosunku do napięcia jściogo w zakresie częstotliwości średnich. W drugim przypadku pomiary przeprowadzić zgodnie z instrukcją analizatora, a niki pomiarów odrysować z ekranu lub drukować. Pomiaru wzmocnienia napięciogo i napięciogo skutecznego dokonać przez porównanie wartości napięcia jściogo odpowiednio z wartością napięcia jściogo lub napięcia z generatora. Pomiaru wzmocnienia prądogo i prądogo skutecznego dokonać metodą pośrednią, poprzez przeliczenia napięć na prądy. Pomiaru rezystancji jścioj dokonać metodą pośrednią, poprzez pomiar napięcia jściogo wzmacniacza i obliczenie prądu płynącego przez znaną wartość rezystancji generatora. Pomiaru rezystancji jścioj dokonać poprzez poszukiwanie takiej rezystancji obciążenia wzmacniacza, przy której wzmacniacz pracuje w stanie dopasowania rezystancyjnego Uruchomienie układu Skonfigurować wzmacniacz w układzie odniesienia ustawiając wszystkie przełączniki w pozycji spoczynkoj - pozycja 0, co odpowiada ciśnięciu przycisku przełącznika. Podłączyć sinusoidalny sygnał sterujący z generatora o poziomie 5 mv. Do jścia podłączyć rezystancję obciążenia 1 kω. Ustalić i podłączyć napięcie zasilania 18V. Ocenić sprawność układu poprzez sprawdzenie kształtu napięcia jściogo na oscyloskopie i porównanie wartości napięcia jściogo i napięcia z generatora. Wynik sprawdzenia jest poprawny, jeśli przebieg na jściu ma kształt sinusoidalny, a napięcie jścio jest większe od napięcia z generatora Pomiary wzmacniacza OE 16

17 Po skonfigurowaniu struktury wzmacniacza w układzie odniesienia (OE), ustalić dla wszystkich pomiarów tego wzmacniacza napięcie jścio z generatora E g = 5 mv Badanie wpływu rezystancji generatora i obciążenia na kształt charakterystyki amplitudoj Pomiary przeprowadzić dla czterech kombinacji rezystancji generatora i obciążenia przy ustalonej strukturze wzmacniacza zgodnie z tabelą 1. Lp C S [nf] C E [µf] C Tabela , Wyniki pomiarów metodą punkt po punkcie zanotować w tabeli 2. f khz f śr U G us /G us0 mv V/V Tabela 2 gdzie: G us - wzmocnienie napięcio skuteczne (U /E g ) dla bieżącej częstotliwości; G us0 wzmocnienie napięcio skuteczne dla średniej częstotliwości. Aby uprościć obliczenia starczy zauważyć, że stosunek G us /G u0s jest równoważny stosunkowi napięć jścioch U /U Badanie wpływu pojemności sprzęgającej i emiteroj na kształt charakterystyki amplitudoj Pomiary przeprowadzić dług metodyki opisanej w poprzednim punkcie dla czterech kombinacji pojemności sprzęgającej i emiteroj przy ustalonej rezystancji generatora i obciążenia zgodnie z tabelą 3. Tabela 3 C S C E Lp [nf] [µf] C 5, Badanie wpływu prądu kolektora na rezystancję jściową i jściową Pomiaru rezystancji jścioj dokonać dla częstotliwości 10 khz przez poszukiwanie takiej rezystancji obciążenia przy której wzmacniacz będzie pracował w stanie dopasowania 17

18 rezystancyjnego na jściu. W tym celu pomierzyć napięcia jścio przy odłączonej rezystancji obciążenia U, a następnie do jścia podłączyć rezystor regulowany i dobrać taką jego rezystancję przy której napięcie jścio zmniejszy się o połowę. Dobrana wartość rezystancji obciążenia jest równa rezystancji jścioj Pomiaru rezystancji jścioj dokonać metodą pośrednią. Do tego celu niezbędna jest znajomość napięcia i prądu jściogo. Napięcie jścio otrzymamy z pomiaru na jściu Pp. Prąd można obliczyć znając napięcie na rezystancji, które jest różnicą dajności napięcioj generatora E g i napięcia na jściu Pp. Poszukiwaną wartość rezystancji jścioj otrzymamy z zależności U = (1.9) g E g U Wyniki pomiarów zestawić w tabeli 4. Tabela 4 Lp g I C U U [ma] [mv] [mv] 1 1, , , , Badanie wpływu rezystancji generatora na rezystancję jściową i obciążenia na jściową Pomiary przeprowadzić dług metodyki opisanej w poprzednim punkcie. Wyniki pomiarów zestawić w tabeli 5. Tabela 5 Lp I C [ma] U [mv] U [mv] , Pomiary wzmacniacza OB Wszystkie pomiary wzmacniacza OB przeprowadzić przy napięciu generatora E g = 50 mv Pomiar charakterystyki amplitudoj Pomiary przeprowadzić zgodnie z metodyką jak dla wzmacniacza OE przy jednej kombinacji rezystancji generatora i obciążenia dla struktury wzmacniacza zgodnie z tabelą 6. C S [nf] E C E [µf] C Tabela ,

19 Pomiar rezystancji jścioj i jścioj Pomiary przeprowadzić dla częstotliwości 30 khz dług metodyki jak dla wzmacniacza OE. Wyniki pomiarów zestawić w tabeli 7. Tabela 7 Lp g U U [Ω] [mv] [mv] Pomiary wzmacniacza OC Wszystkie pomiary wzmacniacza OC przeprowadzić przy napięciu generatora E g = 50 mv Pomiar charakterystyki amplitudoj Pomiary przeprowadzić zgodnie z metodyką jak dla wzmacniacza OE przy jednej kombinacji rezystancji generatora i obciążenia dla struktury wzmacniacza zgodnie z tabelą 8. C S [nf] E C E [µf] C Tabela , Pomiar rezystancji jścioj i jścioj Pomiary przeprowadzić dla częstotliwości 10 khz dług metodyki jak dla wzmacniacza OE. Wyniki pomiarów zestawić w tabeli 9. Tabela 9 Lp U [mv] U [mv] Pomiary wzmacniacza ze sprzężeniem prądom szeregom Zrealizować strukturę wzmacniacza OE i wprowadzić sprzężenie prądo szerego rozwierając rezystor 10. Wszystkie pomiary wzmacniacza przeprowadzić przy napięciu generatora E g = 50 mv Pomiar charakterystyki amplitudoj Pomiary przeprowadzić zgodnie z metodyką jak dla wzmacniacza OE przy jednej kombinacji rezystancji generatora = 1 kω i obciążenia = 10 kω zgodnie z tabelą

20 C S [nf] E C E [µf] C Tabela , , Pomiar rezystancji jścioj i jścioj Pomiary przeprowadzić dla częstotliwości 10 khz dług metodyki jak dla wzmacniacza OE. Wyniki pomiarów zestawić w tabeli 11. Tabela 11 Lp g U U [mv] [mv] Pomiary wzmacniacza ze sprzężeniem napięciom równoległym Zrealizować strukturę wzmacniacza OE. Do zrealizowania wzmacniacza ze sprzężeniem napięciom równoległym zamknąć pętlę sprzężenia zwrotnego. Wszystkie pomiary wzmacniacza przeprowadzić przy napięciu generatora E g = 50 mv Pomiar charakterystyki amplitudoj Pomiary przeprowadzić zgodnie z metodyką jak dla wzmacniacza OE przy jednej kombinacji rezystancji generatora = 1 kω i obciążenia = 10 kω zgodnie z tabelą 12. C S [nf] E C E [µf] C Tabela , Pomiar rezystancji jścioj i jścioj Pomiary przeprowadzić dla częstotliwości 10 khz dług metodyki jak dla wzmacniacza OE. Wyniki pomiarów zestawić w tabeli 13. Tabela 13 Lp U [mv] U [mv]

21 OPACOWANIE OTZYMANYCH WYNIKÓW Wykreślić charakterystyki amplitudo poszczególnych wzmacniaczy w postaci unormowanej (tzn. jako G us /G us0 ) na czterech oddzielnych kresach. Na pierwszych dwóch zgrupować charakterystyki wzmacniacza OE nikające z pomiarów odpowiednio w p i , na trzecim wzmacniaczy OE (dla = 1 kω = 10 kω), OB i OC, a na czwartym ponownie ww. OE oraz ze sprzężeniem prądom szeregom i napięciom równoległym. Na każdym kresie znaczyć częstotliwość graniczna dolną i górną. W tabeli 14 zestawić otrzymane niki pomiarów i obliczeń. Tabela 14 Typ r r G i0 G us0 G is0 układu [kω [kω [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [A/A] [V/V] [A/A] ] ] OE 1 10 OB 0,1 10 OC s. z. p. s s. z. n. r Stosowane wzory obliczenio: r = B( E ) G u0 [V/V ] B( E ) (1.10) gdzie: B(E) - wartość równoległego połączenia rezystorów bazy ( 4 i 6 - rys. 1.2) dla wszystkich wzmacniaczy z jątkiem OB, dla którego B(E) - wartość E ( 11 - rys i 1.2), - wartość odpowiednio z tabeli 5, 7, 9, 11 i 13. r = C ( E) (1.11) C ( E) gdzie: C(E) - wartość rezystora kolektorogo dla prądu kolektora 1,5 ma dla wszystkich wzmacniaczy z jątkiem OC, dla którego C(E) - wartość E ( 11 - rys i 1.2), - wartość odpowiednio z tabeli 5, 7, 9, 11 i 13. U G u0 = U (1.12) gdzie: U, U zmierzone wartości napięć odpowiedniego wzmacniacza w zakresie średnich częstotliwości dla prądu kolektora 1,5 ma. U G us0 = E g (1.13) gdzie: E g zastosowana w pomiarach danego wzmacniacza wartość napięcia generatora. 21

22 U L Gi 0 = = Gu 0 U r r L (1.14) gdzie: L - wartość równoległego połączenia rezystorów C (dla wzmacniacza OC rezystora E ) i. g Gis0 = G (1.15) us0 L gdzie: - wartość zgodnie z tabelą 14. We wnioskach przeprowadzić dyskusję otrzymanych charakterystyk amplitudoch i parametrów roboczych badanych wzmacniaczy ZAGADNIENIA KONTOLNE Po przestudiowaniu poższych punktów Czytelnik powinien samodzielnie sprawdzić swój stopień opanowania wiedzy dług następujących zagadnień: 1. Określić drogę przepływu składoj stałej i zmiennej prądu w obwodzie jściom i jściom każdego badanego wzmacniacza. 2. Zdefiniować na schemacie ideom każdego badanego wzmacniacza jego parametry robocze. 3. Ocenić wpływ punktu pracy tranzystora na parametry macierzo tranzystora OE. 4. Ocenić wpływ wartości rezystancji kolektoroj na wzmocnienie napięcio, rezystancję jściową i jściową wzmacniacza OE. 5. Ocenić wpływ wartości rezystancji generatora i obciążenia na wzmocnienie napięcio i prądo skuteczne wzmacniacza OE. 6. Ocenić wpływ wartości pojemności sprzęgającej, emiteroj, rezystancji generatora i rezystancji obciążenia na częstotliwość graniczną dolną wzmacniacza OE. 7. Ocenić wpływ pojemności tranzystora na częstotliwość graniczną górną wzmacniacza OE. 8. Ocenić wpływ wartości rezystancji generatora i obciążenia na częstotliwość graniczna górną wzmacniacza OE. 9. Ocenić wpływ układu włączenia tranzystora na parametry robocze i częstotliwości graniczne wzmacniacza. 10. Określić wpływ poszczególnych sprzężeń zwrotnych na wzmocnienie napięcio, prądo, rezystancję jściową, jściową, częstotliwość graniczną dolną i górną każdego badanego wzmacniacza. 11. Omówić metodę pomiaru charakterystyki amplitudoj każdego badanego wzmacniacza. 12. Omówić metodę pomiaru parametrów roboczych każdego badanego wzmacniacza LITEATUA 1. Z. Nosal, J. Baranowski, Układy Elektroniczne cz. I Układy analogo linio, WNT Warszawa A. Filipkowski, Układy elektroniczne analogo i cyfro, WNT Warszawa J. Pawłowski, Podstawo układy elektroniczne, WNT Warszawa J. Boksa, L. Kachel, B. Smólski, Podsta układów elektronicznych, WAT Warszawa