TRANZYSTOR BIPOLARNY. WZMACNIACZ TRANZYSTOROWY

Transkrypt

1 TRANZYSTOR BIPOLARNY. WZMACNIACZ TRANZYSTOROWY Indywidualna Pracownia Elektroniczna Michał Dąbrowski asystent: Krzysztof Piasecki 14 X Streszczenie Celem doświadczenia jest zapoznanie się z tranzystorem bipolarnym złączowym, wyznaczenie jego charakterystyk I C (U CE ) w funkcji prądu bazy oraz zbudowanie i przebadanie charakterystyk amplitudowej i częstotliwościowej wzmacniacza o wspólnym emiterze i pomiar jego częstości granicznych. Wyznaczono optymalny punkt pracy wzmacniacza oraz pokazano, że dla małych częstości jego działanie da się wyjaśnić oddziaływaniem filtra górnoprzepustowego, zaś dla dużych częstości wzmacniacz zachowuje się jak układ całkujący. 2 Wstęp 2.1 Model teoretyczny Celem pomiarów jest otrzymanie rodziny charakterystyk tranzystora oraz charakterystyk amplitudowej i częstościowej wzmacniacza. Można je wyznaczyć za pomocą układów z rysunków 3 oraz 4. Zacznijmy od charakterystyki tranzystora. Ustalając na wejściu układu napięcie U W E i odczytując z ekranu oscyloskopu napięcie z generatora i napięcie wyjściowe U W Y układu możemy, posługując się poniższymi wzorami i znając rezystancję bazy R B oraz kolektora R C, wyznaczyć prąd bazy, kolektora oraz napięcie układu kolektor emiter: (oznaczenia identyczne jak na schematach) I B = (U W E 0.65V )/R B I C = (E U W Y )/U C U CE = U W Y Zgodnie z opisem znajdowania optymalnego punktu pracy dla wzmacniacza o wspólnym emiterze [2] możemy, korzystając z charakterystyki tranzystora przecinającej prostą obciążenia w punkcie pracy odczytać optymalny prąd polaryzacji bazy I B0 oraz rezystancję bazy R B, posługując się wzorem [1]: E = 0.65V + I B0 R B (2) Pracę wzmacniacza tranzystorowego można dobrze opisać, wykorzystując własności układów różniczkujących i całkujących rysunek 1. Wtedy zbocza narastające oraz opadające można opisać stosunkiem amplitudy napięcia wyjściowego do wejściowego, odpowiednio k 1 i k 2, danych wzorami: (1) k 1 = U W Y U W E = A jω/ω g1 1 + jω/ω g1 (3) k 2 = U W Y 1 = B U W E 1 + jω/ω g2 gdzie: ω częstość sygnału z generatora, ω g częstość graniczna, odpowiednio dolna lub górna, j = 1 jednostka urojona. Dysponując powyższymi informacjami, możemy zabrać się do budowy układów. (4) 1

2 Rysunek 1: Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacz tranzystorowego. Współczynnik wzmocnienia jest stały tylko dla częstości należących do pasma przenoszenia wzmacniacza. Poniżej tych częstości na pracę wzmacniacza ma wpływ sprzężenia zwrotnego w układzie, zaś dla wyższych częstości dominująca staje się efekt Millera dla wzmacniacza o wspólnym emiterze [2]. 2.2 Opis układu doświadczalnego Doświadcznie przeprowadzono za pomocą układu z rysunku 2. Składa się on z dwukanałowego oscyloskopu Tektronix TDS1002, generatora funkcji, zasilacza prądu stałego, woltomierza oraz mierzonego obwodu, połączonych ze sobą przewodami. Napięcie wytwarzane przez generator jest podawane na ekran oscyloskopu kanałem 1 oraz do badanego obwodu, następnie przetworzony przez obwód sygnał również trafia na ekran oscyloskopu kanałem 2. Wyzwalanie triggera bezpośrednio z generatora również było podawane na oscyloskop, celem stabilizacji obrazu. Napięcie podawane z zasilacza było kontrolowane za pomocą woltomierza. Generator umożliwia zmianę kształtu generowanego impulsu, zmianę jego częstotliwości oraz dodanie/odjęcie stałego podkładu (tzw. offset). Rodzina charakterystyk tranzystora była wyznaczana za pomocą obwodu z rysunku 3. Następnie zbudowano wzmacniacz tranzystorowy o wspólnym emiterze z rysunku 4, i badano jego parametry. Rysunek 2: Układ wykorzystany podczas przeprowadzania pomiarów. Na rysunku zaznaczono połączenia generatora, oscyloskopu, zasilacza i badanego obwodu. Napięcie wytwarzane przz zasilacz kontrolowano za pomocą woltomierza. Wykorzystywane obwody prezentują rysunki 3 oraz 4. Sygnał wyzwalany z generatora był podawany na oscyloskop, aby ułatwić jego kalibrację. 2

3 Rysunek 3: Schemat układu do wyznaczania rodziny charakterystyk tranzystora bipolarnego złączowego. Z generatora podawane było napięcie piłokształtne o wartościach szczytowych U pp = ±2.2V i częstości około 1000Hz, z zasilacza ustalone wartości napięć. Rysunek 4: Schemat układu do badania charakterystyki wzmacniacz tranzystorowego o wspólnym emiterze za pomocą oscyloskopu. Z generatora podawane było napięcie stałe o wartości E = 8V i częstości około 1000Hz. Za pomocą zasilacza zmieniano napięcie wejściowe. Potencjometr został skalibrowany tak, aby wzmacniacz osiągnął optymalny punkt pracy, jak opisano w [2]. 3 Wyniki pomiarów 3.1 Opis przebiegu ćwiczenia Ćwiczenie składało się z kilku kolejnych etapów: 1. Zbudowano układ pomiarowy z tranzystorem bipolarnym, jak na rysunku 3. Jako napięcie E zasilające układ wykorzystano sygnał z generatora podawany przy jedno z gniazd BNC na płytce. 3

4 Wyjście wzmacniacza podłączono do drugiego gniazda BNC. Jako napięcie wejściowe U W E podano stałe napięcie z zasilacza poprzez gniazda radiowe. Napięcie E z generatora było sygnałem liniowo narastającym, o napięciach zmieniających się od 0 do 4,4V i częstości około 1000Hz. Napięcie to mierzono na kanale CH1 oscyloskopu, zaś na kanale CH2 mierzono napięcie wyjściowe na tranzystorze. 2. Zmierzono zależności U W Y (E) dla kilku stałych napięć U W E =3V, 5V, 7V, 8V, 9V, 10V. Napięcie U W E mierzono za pomocą woltomierza. Na podstawie otrzymanych wyników posługując się wzorami 1, wyznaczono charakterystyki I C (U CE ) dla różnych prądów bazy I B. Wykreślono rodzinę charakterystyk tranzystora. Począwszy od kolana obserwowanego dla niskich napięć, charakterystyki przybliżono liniami prostymi rysunek Znaleziono optymalny punkt pracy tranzystora, zgodnie z instrukcją opisaną w [2]. Z charakterystyki tranzystora przecinającej prostą obciążenia w punkcie pracy odczytano optymalny prąd polaryzacji bazy, wynoszący około I B0 = 13µA. Wykorzystując zależność 2, wyznaczono wartość rezystora bazy R B = (0.20 ± 0.02)MΩ. Bezpośredni pomiar rezystacji woltomierzem dał wynik R B [wolt] = (25.71 ± 0.23)kΩ, czyli wartość dzziesięciokrotnie mniejszą! Powodem może być wewnętrzna rezystancja pasażytnicza bazy lub ujemne sprzężenie zwrotne, pojawiające się w układzie. 4. Następnie przebudowano obwód z rysunku 3 na wzmacniacz o wspólnym emiterze (rysunek 3). Układ zasilono stałym napięciem podawanym z zasilacza za pośrednictwem gniazd radiowych. Wejście i wyjście układu połaczono z gniazdami BNC. Po zasileniu układu napięciem stałym E = 8V zmierzono za pomocą woltomierza napięcie kolektora tranzystora. Dobrano wartość oporu na potencjometrze tak, aby osiągnąć optymalny punkt pracy tranzystora w tym wzmacniaczu [1]. 5. Na wejście układu podano sygnał sinusoidalny o częstości około 1000Hz. Wyznaczono charakterystykę amplitudową wzmacniacza w całym zakresie amplitud wejściowych mierzonych za pomocą oscyloskopu rysunek 6. Określono zakres amplitud wejściowych, dla któryc wzmacniacz pracuje liniowo i wyznaczono współczynnik liniowego wzmocnienia sygnału. Następnie wyznaczono charakterystykę częstościową wzmacniacza i oszacowano pasmo przenoszenia. Amplitudę sygnału wejściowego dobrano tak, by w całym zakresie badanych częstości (10Hz 1MHz) sygnał był przetwarzany liniowo. Wyniki przedstawia rysunek 7. 4

5 3.2 Prezentacja wyników Rysunek 5: Rodzina charakterystyk tranzystora. Rysunek przedstawia zależność prądu płynącego przez kolektor w funkcji napięcia w układzie kolektor emiter dla kilku różnych prądów bazy. Począwszy od kolana obserwowanego dla niskich napięć, charakterystyki należy przybliżać linią prostą [1]. Na rysunku wykreślono również prostą obciążenia dla napięcia E=8V, zaznacząjąc optymalny punkt pracy tranzystora (U CE = 4V, I B = 13µA). 5

6 Rysunek 6: Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza. Rysunek przedstawia napięcie na wyjściu wzmacniacza w funkcji napięcia wejściowego. Widać, że stosunek obu napięć jest w przybliżeniu stały tylko dla niskich napięć wejściowych, nie przekraczających 100mV. Współczynnik wzmocnienia dla tych częstości wynosi k = 83±2 dopasowana prosta. Dla wyższych napięć stosunek nie jest stały, wzmacniacz stabilizuje się na określonym, stałym napięciu wyjściowym. 6

7 Rysunek 7: Charakterystyka częstościowa wzmacniacza. Wykres wykonany w skali półlogarytmicznej! (logarytmy na osi X). Na rysunku widać, że początkowo wzmocnienie układu rośnie, potem stabilizuje się, osiągając stałą wartość, następnie znowu maleje. Zachowanie takie możemy wyjaśnić, odwołując się do wzorów 3 i 4, opisujących działanie filtrów górno- i dolnoprzepustowych. Dopasowane krzywe potwierdzają to przypuszczenie. Na podstawie wykresu możemy odczytać, że pasmo przenoszenia wzmacniacza zawiera się między dwoma cząstościami granicznymi: dolną ω g1 = 400πHz oraz górną ω g2 = 160πkHz. 4 Dyskusja 4.1 Niepewności pomiarów Na niepewność wyników złożyło się wiele wyników. Tylko niektóre mogły zostać uzwględnione w obliczaniu błędów pomiarowych. Przede wszystkim na błąd miały wpływ niedokładności we wskazaniach miernika Brymen[4] oraz oscyloskopu Tektronix[3]. Związane z tym niepewności zostały obliczone zgodnie z materiałem zawartym w powyższych źródłach. Kolejnym elementem jest stabilizacja pracy zasilacza. Generowany przez niego prąd nie miał stałej wartości. Było to kontrolowane woltomierzem podczas pomiarów, niemniej wpływało na wyniki pomiarów i jakość otrzymanych wykresów. Niewątpliwie wpływ porównywalny do pracy oscyloskopu miało również działanie generatora funkcji, lecz trudno powiedzieć cokolwiek na temat błędów w jego wskazaniach. Nie wszystkie oporniki i kondensatory danego typu dostępne w zestawie miały parametry zgodne z instrukcją, co również, choć w dużo mniejszym stopniu, mogło mieć wpływ na uzyskane wyniki. Rzeczywiste parametry różniły się od parametrów nominalnych, podanych przez producenta o 5 10%. Podobnie niedokładności wynikające z lutowania obwodu, defekty połączeń między elementami, opór przewodów połączniowych, oraz warunki odbiegające nieznacznie od temperatury i wilgotności, do pracy w których były przystosowane tranzystor i kondensatory. Obliczone błędy wielkości mierzonych zostały w każdym miejscu zasygnalizowane przy podawaniu wartości mierzonej wielkości fizycznej. 7

8 4.2 Dyskusja wyników W wyniku doświadczenia przeprowadzono wszystkie pomiary, zasygnalizowane w streszczeniu. Otrzymano wyniki, które są zaprezentowane na rysunkach 5 7. Zmierzone wielkości są zgodne z przewidywaniami teorii[1] w granicach błędów pomiaru. Wykorzystując zależność opisującą prąd w obwodzie polaryzacji bazy wyznaczono wartość rezystancji rezystora R B = (0.20 ± 0.02)MΩ, co doskonale zgadza się z późniejszą konstrukcją wzmacniacza. Osiągnięto przy prądzie bazy wynoszącym około I B = 13µA, optymalny punkt pracy wzmacniacza. Wyznaczono zakres napięć wejściowych, dla których wzmacniacz pracuje liniowo i otrzymano współczynik liniowego wzmocnienia k = (83 ± 2), otrzymując rząd wielkości (k = 100), który przewidują dane tablicowe [2]. Wyznaczono charakterystykę częstościową wzmacniacza oraz oszacowano jego częstości graniczne: dolną ω g1 = 400πHz oraz górną ω g2 = 160πkHz. Pokazano, że wzmacniacz dla małych częstości pracuje jak układ różniczkujący o rezystancji R = (2.0 ± 0.3)kΩ, zaś dla wysokich jak filtr dolnoprzepustowy. Literatura [1] Instrukcja do ćwiczenia Tranzystor bipolarny. Wzmacniacz tranzystorowy [2] wyklad tranzystor.pdf [3] Błąd pomiaru oscyloskopem TDS 1000 TEKTRONIX [4] Uniwersalny miernik BM805 firmy BRYMEN 8