Podstawowe układy pracy tranzystora bipolarnego

Transkrypt

1 L A B O A T O I U M A N A L O G O W Y C H U K Ł A D Ó W E L E K T O N I C Z N Y C H Podstawowe układy pracy tranzystora bipolarnego Ćwiczenie opracował Jacek Jakusz 4. Wstęp Ćwiczenie umożliwia pomiar i porównanie parametrów podstawowych konfiguracji pracy tranzystora bipolarnego. Są to kolejno: A - układ wspólnego emitera (CE), B - układ wspólnego emitera z niebocznikowaną rezystancją w emiterze (CE-E), D - układ wspólnej bazy (CB). Poszczególne konfiguracje wybiera się przy pomocy przełącznika obrotowego, który poprzez przekaźniki przełącza układy. Poszczególne układy wykonane są w ten sposób by zapewniały identyczne warunki zasilania tranzystorów. óżnice pomiędzy parametrami wzmacniaczy wynikają więc głównie z różnych konfiguracji pracy tranzystora, co umożliwia jakościowe porównanie układów. Dla uniezależnienia się od parametrów przyrządów pomiarowych oraz jakości połączeń, każdy ze wzmacniaczy ma wbudowany wejściowy i wyjściowy bufor o wzmocnieniu jednostkowym. W ramach ćwiczenia wykonuje się pomiary wzmocnienia w środku pasma przepustowego, rezystancji wejściowej oraz wyjściowej, dolnej oraz górnej 3dB-owej częstotliwości granicznej a także amplitudowej charakterystyki częstotliwościowej poza pasmem przepustowym wzmacniacza. Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy zapoznać się z jego przebiegiem (podstawowe formacje zamieszczono w niejszym opracowaniu). Prowadzący ma obowiązek sprawdzić przygotowanie do ćwiczenia. 2. Pomiary 2.. Do układów podać z generatora sygnał wejściowy o częstotliwości: układy A, B f=0 khz, układ C f=20 khz, układu D f=20 khz): a) Zmierzyć dolną i górną 3-decybelową częstotliwość graniczną ( f L3 db, f H3 db ). Pomiar należy wykonać w następujący sposób: - ustawić wartość skuteczną napięcia sygnału wejściowego dla układu: A2.0mV, B0mV, D6mV tak, aby na wyjściu badanego układu uzyskać o_max w zakresie mV. - dla układu C ustawić 400 mv i przeprowadzić jedynie pomiar częstotliwości granicznej dolnej - zmniejszać (dla pomiaru częstotliwości granicznej dolnej) lub zwiększać (dla pomiaru częstotliwości granicznej górnej) częstotliwość sygnału wejściowego aż do uzyskania napięcia wyjściowego równego o_max 2, uzyskana wartość jest odpowiednią częstotliwością graniczną. b) Określić częstotliwość środkową f f f i zmierzyć wzmocnienie w środku 0 L3dB H3dB pasma Ku f 0, Ku o _ max. c) Zmierzyć rezystancję wejściową (sygnał wejściowy o odpowiedniej częstotliwości, o amplitudzie jak w punkcie a). ezystancję wejściową mierzy się wykorzystując dodatkowy rezystor S ' włączony szeregowo z rezystancją wewnętrzną generatora S. Należy nacisnąć przycisk i zanotować napięcie wyjściowe. Dokładny opis pomiaru w części teoretycznej. znajduje się d) Zmierzyć rezystancję wyjściową out (sygnał wejściowy o odpowiedniej częstotliwości, amplituda jak w punkcie a). ezystancję wyjściową mierzy się wykorzystując dodatkowy rezystor L ' włączany równolegle z rezystancją obciążenia L wzmacniacza, którą w badanych układach jest rezystancja wejściowa bufora BUF. Należy nacisnąć przycisk out i zanotować napięcie wyjściowe. Dokładny opis pomiaru out znajduje się w części teoretycznej. e) Pomiary charakterystyk częstotliwościowych prowadzić w zakresie od 40 Hz do 2 MHz, w rastrze,2, 5, 7, tzn. 00 Hz, 200Hz, 500 Hz, 700 Hz, khz, 2 khz itd Pomierzone charakterystyki umieścić na wykresach, przy czym obie osie wny mieć skalę logarytmiczną (oś pionowa wzmocnienie wyrażone w decybelach, tj. 20 log0 o/ o/ [/] [kω] out[kω] f3dbl f3dbh Przykłady tabel pomiarowych CE CE+E CC CB f [Hz] f3dbl... f o f3dbh M o/ 3. Opracowanie wyników ) Dla układów CE, CE-E, CC i CB należy wyznaczyć teoretyczne wartości: punktów pracy tranzystorów, wzmocnienie małosygnałowe o /, rezystancję wejściową i wyjściową. 20 Wyniki obliczeń należy umieścić w ten sposób, aby można było je łatwo porównać z wynikami pomiarów, np. we wspólnej tabeli. 3) Zamieścić własne wnioski i spostrzeżenia. Porównać układy pomiędzy sobą, a także skomentować zgodność obliczeń z pomiarami. 4. Teoria W ćwiczeniu wykonane są cztery wzmacniacze oznaczone literami A-D Wszystkie układy posiadają wbudowane bufory wejściowy i wyjściowy. Bufory te są identyczne a ich parametry przedstawia poniższa tabela: Parametr Jednostki Wartość Wzmocnienie V/V ezystancja wejściowa BUF M ezystancja wyjściowa 0 BUF 0 Pojemność wejściowa C BUF pf 20 Częstotliwość graniczna MHz 4

2 4-2 Dla każdego tranzystora z układów A-D, punkty pracy należy wyznaczyć przy założeniu, że prąd stały bazy I B jest pomijalnie mały oraz, że napięcie baza-emiter V BE jest stałe i wynosi 0.7V C B r C C C g m B r i e C e C i e E E ys.. Małosygnałowe schematy zastępcze typu i typu T tranzystora bipolarnego. W analizie małosygnałowej należy przyjąć V T =25mV. Dane tranzystora BC237: =60, C =4.5pF, f T =50MHz. Parametry modelu małosygnałowego: g C m IC r V T gm 2 f T C 4. Układ A: r g m e r Jest to wzmacniacz w konfiguracji wspólnego emitera (CE). ys. 4. Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza w układzie CE z rys. 2 dla zakresu częstotliwości średnich. B B2 r (4) out C (5) 0 gm ( C ) (6) s (7) S 0 g m( c BUF ) (8) s S Wysokie częstotliwości: pojemności pasożytnicze stanowią rozwarcie. ys. 2. Schemat wzmacniacza w konfiguracji wspólnego emitera (CE). 4.. Punkt pracy liczony jest przy zaniedbaniu prądu bazy: ys. 5. Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza w układzie CE z rys. 2 dla wyznaczenia górnej stałe czasowe: korzystając z tw. Millera można zamienić pojemność C μ tranzystora na pojemności C M i C M2. K 0 gmc (9) CM C( K) (0) () V B ys. 3. Schemat obwodu do liczenia punktu pracy. V CC B2 B B2 VB VBE IC (2) E V V ( ) I (3) CE CC C E C 4..2 Analiza małosygnałowa: () Następnie wyznaczamy stałe czasowe związane z poszczególnymi pojemnościami: ( C C )( ) (2) ( )( ) (3) H M S H 2 C M 2 C BUF C BUF ( ) f H 3 db 2 H H2 (4) Niskie częstotliwości: każdej z pojemności, pozostałe należy traktować jako zwarcie). Pojemności pasożytnicze tranzystora traktuje się jako rozwarcia.

3 4-3 ys. 6. Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza w układzie CE z rys. 2 dla wyznaczenia dolnej Korzystając z powyższego schematu zastępczego poszczególne stałe czasowe są równe: L C C ( S ) (5) C (6) E E L 2 gme L 3 C C 2 C BUF ( ) (7) f L 3 db 2 L L2 L3 4.2 Układ B: (8) Jest to wzmacniacz w konfiguracji wspólnego emitera z niebocznikowaną rezystancją w emiterze (CE-E). ys. 7. Schemat wzmacniacza w konfiguracji wspólnego emitera (CE) Punkt pracy liczony tak jak dla układu A (we wzorach na I C i V CE zamiast E jest suma E + E2 ) Analiza małosygnałowa: ys. 8. Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza w układzie CE-E z rys. 7 dla zakresu częstotliwości średnich. out C (20) 0 gm ( C ) (2) r s r ( ) (22) 0 s S E r r ( ) S E g ( ) (23) m c BUF Wysokie częstotliwości: pojemności pasożytnicze stanowią rozwarcie. ys. 9. Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza w układzie CE-E z rys. 7 dla wyznaczenia górnej stałe czasowe: korzystając z tw. Millera można zamienić pojemność C μ tranzystora na pojemności C M i C M2. C K re E (24) CM C( K) (25) CM2 C K (26) Następnie wyznaczamy stałe czasowe związane z poszczególnymi pojemnościami: H C M ( S ) (27) E S B B2 (28) gme ( C C )( ) (29) H2 C r H 3 M 2 BUF C BUF ( ) f H 3 db 2 H H2 H3 (30) Niskie częstotliwości: każdej z pojemności, pozostałe należy traktować jako zwarcie). Pojemności pasożytnicze tranzystora traktuje się jako rozwarcia. Korzystając ze schematu zastępczego z rys. 0, poszczególne stałe czasowe są równe: L C C ( S ) (3) C L2 E E2 E L 3 C C 2 C BUF r B B 2 S (32) ( ) (33) ( r ( ) ) B B2 E (9)

4 4-4 ys. 0. Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza w układzie CE-E z rys. 7 dla wyznaczenia dolnej f L 3 db 2 L L2 L3 4.3 Układ C: (34) Jest to wzmacniacz w konfiguracji wspólnego kolektora (CC), czyli tzw. wtórnik emiterowy. Uwaga: kolejne wzory posiadają w Instrukcji papierowej numery odpowiednio: (35), (36), (37), (38) i (39) Wysokie częstotliwości pojemności pasożytnicze stanowią rozwarcie. ys. Schemat wzmacniacza w konfiguracji wspólnego kolektora (CB) Punkt pracy liczony tak jak dla układu A Analiza małosygnałowa ys. 3 Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza w układzie CC z rys. dla wyznaczenia górnej częstotliwości granicznej W układzie CC nie występuje pojemność Millera! Stałe czasowe: ys. 2. Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza w układzie CC z rys. dla zakresu częstotliwości średnich Niskie częstotliwości każdej pojemności, pozostałe należy traktować jako zwarcie). Pojemności pasożytniczej tranzystora traktuje się jako rozwarcia.

5 4-5 0 s ( C ) (5) r s e Wysokie częstotliwości: pojemności pasożytnicze stanowią rozwarcie. ys. 4 Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza w układzie CC z rys. dla wyznaczenia dolnej częstotliwości granicznej Korzystając z powyższego schematu zastępczego poszczególne stałe czasowe są równe: 4.4 Układ D: Jest to wzmacniacz w konfiguracji wspólnej bazy (CB). ys. 7. Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza w układzie CB z rys. 5 dla wyznaczenia górnej Dla w.cz. nie ma efektu multiplikacji pojemności (efekt Millera) stałe czasowe: H C ( S E re ) (52) H2 ( C CBUF ) ( C ) (53) ( ) f H 3 db 2 H H2 (54) Niskie częstotliwości: każdej z pojemności, pozostałe należy traktować jako zwarcie). Pojemności pasożytnicze tranzystora traktuje się jako rozwarcia. ys. 5 Schemat wzmacniacza w konfiguracji wspólnej bazy (CB) Punkt pracy liczony tak jak dla układu A Analiza małosygnałowa ys. 6. Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza w układzie CB z rys. 5 dla zakresu częstotliwości średnich. E re (47) out C (48) 0 ie( C ) (49) ie s r (50) s e ys. 8. Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza w układzie CB z rys. 5 dla wyznaczenia dolnej Korzystając z powyższego schematu zastępczego poszczególne stałe czasowe są równe: L C C ( S ) (55) L2 CB B B2 ( re E S ) ( ) (56) C ( ) (57) L 3 C 2 C BUF f L 3 db 2 L L2 L3 4.5 Pomiar rezystancji wejściowej wzmacniaczy (58) ezystancję wejściową mierzy się wykorzystując dodatkowy rezystor S ' włączony szeregowo z rezystancją wewnętrzną generatora S. Podczas normalnej pracy jest on zwierany przełącznikiem umieszczonym na płycie czołowej. Po naciśnięciu przycisku oznaczonego następuje dołączenie

6 4-6 rezystora S ' w szereg z S, co powoduje zmniejszenie wzmocnienia. ys. 9. Metoda pomiaru rezystancji wejściowej wzmacniacza. Oznaczając jako o oraz o ' odpowiednio napięcia wyjściowe przy zwartym i rozwartym rezystorze S ' otrzymujemy: 0 K (59) 0' K ' S S S 0 S S ' 0' S 0' ' (60) (6) S ' S (62) Pomiar rezystancji wyjściowej wzmacniaczy ezystancję wyjściową mierzy się wykorzystując dodatkowy rezystor L ' włączany równolegle z rezystancją obciążenia L wzmacniacza, którą w badanych układach jest rezystancja wejściowa bufora BUF. Podczas normalnej pracy L ' jest odłączony. W czasie pomiaru rezystancji dołącza się go przełącznikiem umieszczonym na płycie czołowej i oznaczonym out. Po naciśnięciu przycisku następuje dołączenie rezystora L, co powoduje zmniejszenie wzmocnienia. 4.7 Dane elementów w poszczególnych konfiguracjach układowych. Paramet Jednostki CE CE-E CC CB r C pf ft MHz S k 0. S' k CC nf B k B2 k CB F nie ma nie ma nie ma 47 C k E k 3.3 nie ma E k nie ma 0.6 nie ma nie ma E2 k nie ma 2.97 nie ma nie ma CE F CC2 nf M CBUF pf L' k VCC V Literatura: [] Z. J. Staszak, J. Glianowicz, D. Czarnecki Materiały pomocnicze do przedmiotu Układy Elektroniczne Liowe. [2] A. Guziński, Liowe elektroniczne układy analogowe WNT 992. [3] S. Soclof, Zastosowania analogowych układów scalonych, WKŁ 99. ys. 20. Metoda pomiaru rezystancji wyjściowej wzmacniacza. Oznaczając jako o oraz o odpowiednio napięcia wyjściowe przy rozwartym i zwartym rezystorze otrzymujemy: 0 K (63) 0' BUF out L ' K ' BUF L out (64) 0'( L' out ) 0( out ) ' out BUF L L 0 L 0 0 BUF (65) (66)