Podstawowe układy pracy tranzystora bipolarnego

Transkrypt

1 L A O A T O I U M P O D T A W L K T O N I K I I M T O L O G I I Podtawowe układy pacy tanzytoa bipolanego Ćwiczenie opacował Jacek Jakuz 4A. Wtęp Ćwiczenie umożliwia pomia i poównanie paametów podtawowych konfiguacji pacy tanzytoa bipolanego. ą to kolejno: A - układ wpólnego emitea (), - układ wpólnego emitea z niebocznikowaną ezytancją w emiteze (-), D - układ wpólnej bazy (). Pozczególne konfiguacje wybiea ię pzy pomocy pzełącznika obotowego, któy popzez pzekaźniki pzełącza układy. Pozczególne układy wykonane ą w ten poób by zapewniały identyczne waunki zailania tanzytoów. óżnice pomiędzy paametami wzmacniaczy wynikają więc głównie z óżnych konfiguacji pacy tanzytoa, co umożliwia jakościowe poównanie układów. Dla uniezależnienia ię od paametów pzyządów pomiaowych oaz jakości połączeń, każdy ze wzmacniaczy ma wbudowany wejściowy i wyjściowy bufo o wzmocnieniu jednotkowym. W amach ćwiczenia wykonuje ię pomiay: wzmocnienia w śodku pama pzeputowego, ezytancji wejściowej oaz wyjściowej, dolnej oaz gónej 3d-owej czętotliwości ganicznej a także amplitudowej chaakteytyki czętotliwościowej poza pamem pzeputowym wzmacniacza. Pzed pzytąpieniem do ćwiczenia należy zapoznać ię z jego pzebiegiem (podtawowe fomacje zamiezczono w niejzym opacowaniu). Powadzący ma obowiązek pawdzić pzygotowanie do ćwiczenia. 2. Pomiay 2.. Dla każdego z układów A,, i D (dla układów A i pzyjąć f 50 khz, natomiat dla układu D pzyjąć f 50kHz ): a) zmiezyć dolną i góną 3-decybelową czętotliwość ganiczną ( f L3 d, f H3 d ). Pomia należy wykonać w natępujący poób: - utawić watość kuteczną napięcia ygnału wejściowego dla układu: A 2.0m, 0m, 7m tak, aby na wyjściu badanego układu uzykać wy 300m. - zmniejzać (dla pomiau czętotliwości ganicznej dolnej) lub zwiękzać (dla pomiau czętotliwości ganicznej gónej) czętotliwość ygnału wejściowego aż do uzykania napięcia wyjściowego ównego 300 m / 2 22m, uzykana watość jet wy odpowiednią czętotliwością ganiczną. b) Okeślić czętotliwość śodkową f f f i 0 L3d H3d K f, zmiezyć wzmocnienie w śodku pama ( ) K /. u wy we c) Zmiezyć ezytancję wejściową (ygnał wejściowy o odpowiedniej czętotliwości, amplituda 300m). ezytancję wejściową miezy ię wykozytując dodatkowy ezyto włączony zeegowo z ezytancją wewnętzną geneatoa. Należy nacinąć pzycik i zanotować napięcie wyjściowe. Dokładny opi pomiau znajduje ię w części teoetycznej. d) zmiezyć ezytancję wyjściową (ygnał wejściowy o odpowiedniej czętotliwości, amplituda 300m). ezytancję u 0 wyjściową miezy ię wykozytując dodatkowy ezyto L włączany ównolegle z ezytancją obciążenia L wzmacniacza, któą w badanych układach jet ezytancja wejściowa bufoa UF. Należy nacinąć pzycik i zanotować napięcie wyjściowe. Dokładny opi pomiau znajduje ię w części teoetycznej Zmiezyć amplitudową chaakteytykę czętotliwościową w zakeie wzytkich tzech układów. 3. Opacowanie wyników ) Wykeślić zmiezone chaakteytyki na oobnych wykeach. Oś pionowa powna być wzmocnieniem wyażonym w mieze logaytmicznej tj. 20 log 0 K, oś pozioma (czętotliwość ygnału pomiaowego) powna być logaytmiczna. 2) Obliczyć teoetycznie: punkty pacy tanzytoów, wzmocnienie małoygnałowe wy/we, ezytancję wejściową i wyjściową. Wyniki obliczeń należy umieścić w tabeli w potokole pomiaowym. Poównać wyniki obliczeń z wynikami pomiaów z punktów 2. i ) Zamieścić włane wnioki i potzeżenia. Poównać układy pomiędzy obą, a także komentować zgodność obliczeń z pomiaami. 4. Teoia (dla zateeowanych) W ćwiczeniu wykonane ą cztey wzmacniacze oznaczone liteami A-D Wzytkie układy poiadają wbudowane bufoy wejściowy i wyjściowy. ufoy te ą identyczne a ich paamety pzedtawia poniżza tabela: Paamet Jednotki Watość Wzmocnienie / ezytancja wejściowa UF M Ω ezytancja wyjściowa 0 UF Ω 0 Pojemność wejściowa UF pf 20 zętotliwość ganiczna MHz 4 Dla każdego tanzytoa z układów A-D, punkty pacy należy wyznaczyć pzy założeniu, że pąd tały bazy I jet pomijalnie mały oaz, że napięcie baza-emite jet tałe i wynoi 0.7 μ π π π μ g m π i e y.. Małoygnałowe chematy zatępcze typu Π i typu T tanzytoa bipolanego. αi e e π W analizie małoygnałowej należy pzyjąć T25m. Dane tanzytoa 237: β 60, μ 4.5pF, ft50mhz. u

2 4-2 Paamety modelu małoygnałowego: g m π I T gm 2π f T π 4. Układ A: β α μ g m β β + e π β + Jet to wzmacniacz w konfiguacji wpólnego emitea (). π + 0 g m( c UF) (8) + zętotliwość ganiczna góna wyznaczona jet w opaciu o paożytniczymi tanzytoa. tałe te liczy ię dla danej pojemności paożytniczej pzy założeniu, że pozotałe pojemności paożytnicze tanowią ozwacie. (7) y. 2. chemat wzmacniacza w konfiguacji wpólnego emitea (). 4.. Punkt pacy liczony jet pzy zaniedbaniu pądu bazy: I y. 3. chemat obwodu do liczenia punktu pacy ( + ) I (3) 4..2 Analiza małoygnałowa: Śodek pama: Zatępczy chemat małoygnałowy w zakeie śednich czętotliwości (w paśmie pzeputowym) jet twozony pzy założeniu, że pojemności pzęgające i bocznikujące tanowią zwacie dla ygnałów zmiennych, natomiat pojemności paożytnicze tanzytoa ą ozwaciem. () (2) y. 5. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie z y. 2 dla wyznaczenia gónej tałe czaowe: kozytając z tw. Millea można zamienić pojemność tanzytoa na pojemności M i M2. K 0 gm UF π (9) M μ ( K) (0) M 2 μ K () Natępnie wyznaczamy tałe czaowe związane z pozczególnymi pojemnościami: τ H ( M + π )( ) (2) τ H 2 ( M 2 + UF )( UF ) (3) Pzybliżona watość gónej czętotliwości ganicznej jet ( ) f H 3 d 2π τh + τh2 (4) Nikie czętotliwości: zętotliwość ganiczna dolna wyznaczona jet w opaciu o pzęgającymi lub bocznikującymi (licząc tałe czaowe dla każdej z pojemności, pozotałe należy taktować jako zwacie). Pojemności paożytnicze tanzytoa taktuje ię jako ozwacia. y. 6. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie z y. 2 dla wyznaczenia dolnej y. 4. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie z y. 2 dla zakeu czętotliwości śednich. π (4) 2 (5) 0 gmπ ( UF) (6) Kozytając z powyżzego chematu zatępczego pozczególne tałe czaowe ą ówne: τ L ( + ) (5) τ L 2 gm (6) τ L 3 2( + UF ) (7)

3 4-3 Pzybliżona watość dolnej czętotliwości ganicznej jet f L 3 d + + 2π τ L τ L2 τ L3 (8) 4.2 Układ : Jet to wzmacniacz w konfiguacji wpólnego emitea z niebocznikowaną ezytancją w emiteze (-). y. 7. chemat wzmacniacza w konfiguacji wpólnego emitea () Punkt pacy liczony tak jak dla układu A (we wzoach na I i zamiat jet uma + 2 ) Analiza małoygnałowa: Śodek pama: Zatępczy chemat małoygnałowy w zakeie śednich czętotliwości (w paśmie pzeputowym) jet twozony pzy założeniu, że pojemności pzęgające i bocznikujące tanowią zwacie dla ygnałów zmiennych, natomiat pojemności paożytnicze tanzytoa ą ozwaciem. y. 8. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie - z y. 7 dla zakeu czętotliwości śednich. 2 ( π + ( β + ) ) (9) (20) 0 gmπ ( UF) (2) π π + + ( β + ) (22) 0 + π π + ( β + ) π g ( ) (23) m c UF zętotliwość ganiczna góna wyznaczona jet w opaciu o paożytniczymi tanzytoa. tałe te liczy ię dla danej pojemności paożytniczej pzy założeniu, że pozotałe pojemności paożytnicze tanowią ozwacie. y. 9. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie - z y. 7 dla wyznaczenia gónej tałe czaowe: kozytając z tw. Millea można zamienić pojemnośc tanzytoa na pojemności M i M2. α UF K (24) e + M μ ( K) (25) M 2 μ (26) K Natępnie wyznaczamy tałe czaowe związane z pozczególnymi pojemnościami: ( ) (27) τ H M + 2 τ H2 μ π (28) + gm τ H 3 ( M 2 + UF )( UF ) (29) Pzybliżona watość gónej czętotliwości ganicznej jet f H 3 d (30) 2π ( τh + τh2 + τh3) Nikie czętotliwości: zętotliwość ganiczna dolna wyznaczona jet w opaciu o pzęgającymi lub bocznikującymi (licząc tałe czaowe dla każdej z pojemności, pozotałe należy taktować jako zwacie). Pojemności paożytnicze tanzytoa taktuje ię jako ozwacia. Kozytając ze chematu zatępczego z y. 0, pozczególne tałe czaowe ą ówne: τ L ( + ) (3) τ π β + L2 2 τ L UF (32) ( ) (33) y. 0. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie - z y. 7 dla wyznaczenia dolnej Pzybliżona watość dolnej czętotliwości ganicznej jet + + f L 3 d 2π τ L τ L2 τ L3 (34)

4 Układ D: Jet to wzmacniacz w konfiguacji wpólnej bazy (). ( ) f H 3 d 2π τh + τh2 (42) Nikie czętotliwości: zętotliwość ganiczna dolna wyznaczona jet w opaciu o pzęgającymi lub bocznikującymi (licząc tałe czaowe dla każdej z pojemności, pozotałe należy taktować jako zwacie). Pojemności paożytnicze tanzytoa taktuje ię jako ozwacia. y. 5 chemat wzmacniacza w konfiguacji wpólnej bazy () Punkt pacy liczony tak jak dla układu A Analiza małoygnałowa Śodek pama: Zatępczy chemat małoygnałowy w zakeie śednich czętotliwości (w paśmie pzeputowym) jet twozony pzy założeniu, że pojemności pzęgające i bocznikujące tanowią zwacie dla ygnałów zmiennych, natomiat pojemności paożytnicze tanzytoa ą ozwaciem. y. 6. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie z y. 5 dla zakeu czętotliwości śednich. e (35) (36) 0 α ie( UF) (37) ie + (38) 0 e α ( UF ) (39) + e y. 8. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie z y. 5 dla wyznaczenia dolnej Kozytając z powyżzego chematu zatępczego pozczególne tałe czaowe ą ówne: τ L ( + ) (43) τ [ ( β )] L2 2 e + + ( ) ( ) (44) τ L UF Pzybliżona watość dolnej czętotliwości ganicznej jet ( ) (45) + + f L 3 d 2π τl τ L2 τ L3 4.4 Pomia ezytancji wejściowej wzmacniaczy (46) ezytancję wejściową miezy ię wykozytując dodatkowy ezyto włączony zeegowo z ezytancją wewnętzną geneatoa. Podcza nomalnej pacy jet on zwieany pzełącznikiem umiezczonym na płycie czołowej. Po naciśnięciu pzyciku oznaczonego natępuje dołączenie ezytoa w zeeg z, co powoduje zmniejzenie wzmocnienia. zętotliwość ganiczna góna wyznaczona jet w opaciu o paożytniczymi tanzytoa. tałe te liczy ię dla danej pojemności paożytniczej pzy założeniu, że pozotałe pojemności paożytnicze tanowią ozwacie. y. 9. Metoda pomiau ezytancji wejściowej wzmacniacza. y. 7. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie z y. 5 dla wyznaczenia gónej Dla w.cz. nie ma efektu multiplikacji pojemności (efekt MIllea) tałe czaowe: τ H π ( e) (40) τ H2 ( μ + UF ) ( UF ) (4) Pzybliżona watość gónej czętotliwości ganicznej jet Oznaczając jako o oaz o odpowiednio napięcia wyjściowe pzy zwatym i ozwatym ezytoze otzymujemy: 0 K (47) + 0 K (48) (49) (50)

5 Pomia ezytancji wyjściowej wzmacniaczy ezytancję wyjściową miezy ię wykozytując dodatkowy ezyto L włączany ównolegle z ezytancją obciążenia L wzmacniacza, któą w badanych układach jet ezytancja wejściowa bufoa UF. Podcza nomalnej pacy L jet odłączony. W czaie pomiau ezytancji dołącza ię go pzełącznikiem umiezczonym na płycie czołowej i oznaczonym. Po naciśnięciu pzyciku natępuje dołączenie ezytoa L, co powoduje zmniejzenie wzmocnienia. Liteatua: [] Z. J. tazak, J. Glianowicz, D. zanecki Mateiały pomocnicze do pzedmiotu Układy lektoniczne Liowe. [2] A. Guzińki, Liowe elektoniczne układy analogowe WNT 992. [3]. oclof, Zatoowania analogowych układów calonych, WKŁ 99. y. 20. Metoda pomiau ezytancji wyjściowej wzmacniacza. Oznaczając jako o oaz o odpowiednio napięcia wyjściowe pzy ozwatym i zwatym ezytoze otzymujemy: UF 0 K (5) + 0 UF UF L K + UF L (52) 0 ( UF L + ) 0( UF + ) UF L UF L UF 0 L 0 0 UF 4.6 Dane elementów w pozczególnych konfiguacjach układowych. Paamet Jednotki - β μ pf ft MHz kω 0. kω nf kω kω μ F nie ma nie ma nie ma 47 kω kω 3.3 nie ma kω nie ma 0.6 nie ma nie ma 2 kω nie ma 2.97 nie ma nie ma μ F nf UF M Ω UF pf L kω (53) (54)