Ujemne sprzężenie zwrotne

Transkrypt

1 O T O I U M N O G O W Y H U K Ł D Ó W E E K T O N I Z N Y H Ujemne przężenie zwrtne 4 Ćwiczenie pracwał Jacek Jakuz. Wtęp Ćwiczenie umżliwia pmiar i prównanie właściwści teg ameg wzmacniacza pracująceg w natępujących kniguracjach: wzmacniacz z twartą pętlą przężenia zwrtneg, - wzmacniacz z zamkniętą pętlą () przężenia zwrtneg. - wzmacniacz z zamkniętą pętlą () przężenia zwrtneg. adany układ t dwutpniwy wzmacniacz, który twrzą dwa tranzytry biplarne pracujące w kniguracji wpólny emiter (E). Wzmacniacz ten jet bjęty ujemnym, napięciw-zeregwym przężeniem zwrtnym. Pmiary układu z twartą pętlą przężenia zwrtneg łużą jak dnieienie. W ramach ćwiczenia wyknuje ię pmiary: wzmcnienia w śrdku pama przeputweg, rezytancji wejściwej, dlnej raz górnej 3-decybelwej częttliwści granicznej, Pzczególne kniguracje wybiera ię przy pmcy przełącznika brtweg, który pprzez przekaźniki przełącza dpwiednie układy. Dla uniezależnienia ię d parametrów przyrządów pmiarwych raz jakści płączeń, wzmacniacz ma wbudwany bur wzmcnieniu jedntkwym zarówn na wejściu jak i na wyjściu. Wzytkie pmiary (prócz czułści) należy wyknać dla napięcia zailania V V. Przed przytąpieniem d ćwiczenia należy zapznać ię z jeg przebiegiem (pdtawwe rmacje zamiezczn w niejzym pracwaniu). Prwadzący ma bwiązek prawdzić przygtwanie d ćwiczenia.. Pmiary Dla każdeg z układów,, i należy: a) Zmierzyć dlną i górną 3-decybelwą częttliwść graniczną ( 3 d, H 3 d ). Pmiar należy wyknać w natępujący pób: - dla częttliwści ygnału wejściweg 8kHz utawić wartść kuteczną napięcia ygnału wejściweg tak, aby na wyjściu badaneg układu uzykać wartść napięcia wejściweg _max mV, (tzn. dla,5mv, dla 6mV, dla 9mV) - zachwując tałą wartść napięcia wejściweg zmniejzać (dla pmiaru częttliwści granicznej dlnej) lub zwiękzać (dla pmiaru częttliwści granicznej górnej) częttliwść ygnału wejściweg aż d uzykania napięcia wyjściweg równeg / uzykana wartść jet dpwiednią _ max częttliwścią graniczną. b) Określić częttliwść śrdkwą 0 3d 3 i zmierzyć wzmcnienie w śrdku pama /. H d c) Zmierzyć rezytancję wejściwą (ygnał wejściwy częttliwści 8kHz, amplituda j.w.) ezytancję wejściwą mierzy ię wykrzytując ddatkwy rezytr włączny zeregw z rezytancją wewnętrzną generatra. Należy nacinąć przycik i zantwać napięcie wyjściwe. Dkładny pi pmiaru znajduje ię w części teretycznej. d) Zmierzyć rezytancję wyjściwą (ygnał wejściwy częttliwści 8kHz, amplituda j.w.) - ezytancję wyjściwą mierzy ię wykrzytując ddatkwy rezytr włączany równlegle z rezytancją bciążenia wzmacniacza. Należy nacinąć przycik ut i zantwać napięcie wyjściwe. Dkładny pi pmiaru ut znajduje ię w części teretycznej. e) Zmierzyć zniekztałcenia nieliwe dla 8kHz. ) Zmierzyć czułść wzmcnienia względem zmian napięcia zailająceg dla układów, i. Przyjąć nmalne napięcie zailające V V, częttliwść ygnału 8kHz. ) Zmierzyć amplitudwą charakterytykę częttliwściwą w zakreie d 00Hz d MHz. 3. Opracwanie wyników ) Zmierzne charakterytyki częttliwściwe nanieść na bnych wykreach. Oś pinwa pwna być wzmcnieniem wyrażnym w mierze lgarytmicznej tj. 0lg K u, ś pzima (częttliwść) pwna być lgarytmiczna. Dla układów, i bliczyć, na pdtawie wzrów zamiezcznych w prtkle: punkty pracy tranzytrów, wzmcnienie małygnałwe K u, rezytancję wejściwą i wyjściwą, Zamieścić włane wniki i ptrzeżenia. Prównać układy pmiędzy bą, a także kmentwać zgdnść bliczeń teretycznych z pmiarami. 4. Teria 4. Właściwści ujemneg przężenia zwrtneg Zatwanie ujemneg przężenia zwrtneg d układów wzmacniających pwduje: ) tabilizację wzmcnienia uniezależnianie ię d wpływu zmian wzmcnienia elementu aktywneg w pd wpływem temperatury, napięcia zailająceg itp.; ) mżliwść mdyikacji impedancji wejściwej i wyjściwej; 3) zmniejzenie zniekztałceń nieliwych; 4) pzerzenie pama układu. Wady ujemneg przężenia zwrtneg: - zmniejzenie wzmcnienia - mżliwść wzbudzania ię układu chemat idealneg przężenia zwrtneg przedtawin na ry. + x i Σ x x x y.. chemat idealneg przężenia zwrtneg Wzmcnienie układu z zamkniętą pętlą przężenia zwrtneg: x x xi x xi + x xi + xi + - wzmcnienie pętli + - różnica zwrtna

2 - Wpływ ujemneg przężenia zwrtneg na charakterytykę częttliwściwą liweg wzmacniacza ztanie przeanalizwany na przykładzie Załóżmy, że charakterytyka częttliwściwa liweg wzmacniacza bez przężenia jet ptaci: M ( ) ( + ω )( + ω H ) Wzmcnienie układu dla średnich pulacji (ω << ω << ω H) wyni M, a jeg pam graniczają dwie graniczne pulacje (ω - dlna i ω H - górna). Pnadt zakładamy, że charakterytyka człnu przężenia zwrtneg jet tała, niezależna d częttliwści. Wówcza p zamknięciu pętli przężenia zwrtneg trzymamy: M M wzmcnienie w śrdku pama:, + M ω ω dlną pulację graniczną: ω, ( + M ) górną pulację graniczną: ω H ω H ( + M ) ω H. Jak wynika z pwyżzych zależnści ujemne przężenie zwrtne pwduje pzerzenie pama wzmacniacza. Dla wzmacniacza pianeg unkcją jednbiegunwą ple wzmcnienia (ilczyn wzmcnienia i pama wzmacniacza) pztaje nie zmienine. Ważną właściwścią ujemneg przężenia zwrtneg jet wpływ na czułść wzmcnienia przy zmianach napięcia zailająceg, temperatury itp.. zułść wzmcnienia układu na zmianę napięcia zailająceg wyraża ię wzrem: d d d d dla kńcznych przyrtów Ważnym parametrem jet czułść wzmcnienia układu z ujemnym przężeniem zwrtnym na zmianę wzmcnienia układu z twartą pętlą przężenia. Wyraża ię na wzrem: + lub wzrem (przydatnym przy pmiarach) pnieważ W ćwiczeniu, w badanym wzmacniaczu zatwan napięciw-zeregwe ujemne przężenie zwrtne. tąd też w dalzej części ztanie mówiny tylk ten rdzaj przężenia. Tplgię przężenia przedtawia ry.. Dla teg rdzaju przężenia pbierane jet napięcie z wyjścia i pdawane przez przężenia zwrtneg na wejście (również napięcie) -zeregw ze źródłem ygnału. W analizie przyjęt załżenia: a) układy i ą unilateralne, b) układ jet wzmacniaczem napięciwym wzmcnieniu, rezytancji wejściwej i i rezytancji wyjściwej, c) układ tranmitancji napięciwej nie bciąża układu (tzn. pdłączenie układu nie zmienia wzmcnienia napięciweg układu / i ). i wzmacniacz napięciwy przężenia y.. Tplgia przężenia napięciw-zeregweg. i O i i i i y. 3. Mdel wzmacniacza z napięciw-zeregwym przężeniem zwrtnym. i y. 4. Mdel zatępczy wzmacniacza. Wzmcnienie układu: + ezytancja wejściwa: i i ( + ) ezytancja wyjściwa ( + ) W układzie rzeczywitym zazwyczaj przężenia jet h h wzmacniacz napięciwy [V/V] i hi i h y. 5. Mdel rzeczywiteg wzmacniacza z napięciwzeregwym przężeniem zwrtnym. paywny (nie wzmacnia ygnału) i dlateg mżna bez więkzeg błędu załżyć: - tranmitancja w przód a przężenia zwrtneg jet pmijalnie mała w prównaniu ze wzmcnieniem układu aktywneg (tzn. h 0), - tranmitancja napięciwa a przężenia w kierunku zwrtnym: h / przy i 0. Idealny należy uzupełnić rezytancje wnzne przez układ przężenia zwrtneg tj. elementy h raz /h. Należy również włączyć d układu rezytancje: źródła ygnału i bciążenia. P przekztałceniu trzymujemy:

3 -3 h 0 i 0 i h i W ten pób układ rzeczywity ztał dprwadzny d truktury idealnej (z ry.3), w której zamiat a wprwadzny ztał zmdyikwany, uwzględniający wpływ a przężenia, rezytancji źródła ygnału i rezytancji bciążenia. zmdyikwany i wzmacniacz napięciwy [V/V] h y. 6. Układ zmdyikwany. Pdumwanie tranrmacji układu rzeczywiteg: i przężenia przężenia pdtawwy wzmacniacz napięciwy przężenia y. 6. Pumwanie przekztałceń. i naliza dwutpniweg wzmacniacza z napięciwzeregwym ujemnym przężeniem zwrtnym. Punkt pracy liczny jet przy zaniedbaniu prądu bazy. Punkt pracy jet identyczny dla układu z twartą i zamkniętą pętlą przężenia zwrtneg V V I I Q Q E E I y. 9. chemat d wyznaczenia punktu pracy tranzytra. V () + E V 0,7V I E () ( ) I V V + (3) V I E E V I (4) V 0,7V I E (5) E ( ) I V V + (6) E E 4.3. naliza małygnałwa dwutpniweg wzmacniacza z twartą pętlą przężenia zwrtneg układ nr. śrdek pama: Zatępczy chemat małygnałwy z zakreie średnich częttliwści (w paśmie przeputwym) jet twrzny przy załżeniu, że pjemnści przęgające i bcznikujące tanwią zwarcie dla ygnałów zmiennych, natmiat pjemnści pażytnicze tranzytra ą rzwarciem. Napięcie zailania, pnieważ ma tały ptencjał, jet również traktwane jak maa. Punkty pracy każdeg tranzytra, należy wyznaczyć przy załżeniu, że prąd tały bazy I jet pmijalnie mały raz że napięcie baza-emiter V E jet tałe i wyni 0.7V. µ π r π π µ g m π i e E E y. 7. Małygnałwe chematy zatępcze typu π i typu T tranzytra biplarneg. αi r e e π W analizie małygnałwej należy przyjąć V T5mV. Parametry mdelu małygnałweg: g m I, r V T gm π π π µ T 4.. Punkt pracy β, α g m β β +, r r e π β +, y. 0. Zatępczy chemat małygnałwy wzmacniacza dla śrdka pama. ezytancję wejściwą i wyjściwą wyznacza ię z ry.0: r + )( β ) (7) ( e E + ut (8) natmiat wzmcnienie małygnałwe (ry.0): π ie i (9) i g π m e i ( ) α( ) r + + e E (0)

4 -4 wielkie częttliwści: zęttliwść graniczna górna wyznaczna jet w parciu tałe czawe pwiązane z dpwiednimi pjemnściami pażytniczymi. Każdą tałą czawą liczy ię jak ilczyn pjemnści i rezytancji widzianej z zacików tej pjemnści. r π π gmπ r π π gmπ E E E y.. Zatępczy chemat małygnałwy wzmacniacza dla częttliwści nikich. y.. Zatępczy chemat małygnałwy dla wyznaczenia częttliwści granicznej górnej. Krzytając z twierdzenia Millera mżna zamienić pjemnść µ tranzytra na pjemnści Mi i M: rπ g m( ) Mi µ + rπ + E( β + ) µ r + re + π E () r e + E M µ + () µ + g ) (3) Mi ( m µ + (4) g m M Teraz mżna łatw wyznaczyć tałe czawe związane z pzczególnymi pjemnściami: ( ( r + )( ) ) τ H Mi e E β + (5) + E τ H π rπ (6) + g me τ + + r (7) ( M Mi π ) ( ) ( ) H 3 π τ (8) H 4 M Przybliżna częttliwść graniczna górna mże być kreślna wzrem: 3d H π ( τ H + τ H + τ H 3 + τ H 4 ) (9) ale lepiej zatwać wzór dkładniejzy: H 3d (0) π τ + τ + τ + τ H H H 3 H 4 małe częttliwści: zęttliwść graniczna dlna wyznaczna jet w parciu tałe czawe pwiązane z dpwiednimi pjemnściami przęgającymi lub bcznikującymi (licząc tałe czawe dla każdej z pjemnści, pztałe należy traktwać jak zwarcie). Pjemnści pażytnicze traktuje ię jak rzwarcia. Pzczególne tałe czawe wynzą: τ ( + (( β + ) E + rπ )) () r π + τ E E () β + τ 3 ( + ) (3) Przybliżna częttliwść graniczna dlna mże być kreślna wzrem: 3d + + (4) π τ τ τ 3 ale lepiej zatwać wzór dkładniejzy: 3d + + (5) π τ τ τ naliza małygnałwa dwutpniweg wzmacniacza z zamkniętą pętlą przężenia zwrtneg układ,. Na ry. 3 przedtawiny jet chemat wzmacniacza. przężenie zwrtne działa tylk dla ygnałów zmiennych z pwdu pjemnści, która ze względu na bardz dużą wartść nie ma żadneg wpływu na charakterytyki częttliwściwe układu. Na ryunku kreśln miejca przerwania pętli przężenia zwrtneg dla wydrębnienia wzmacniacza pdtawweg i a przężenia. Q Q E E E V y. 3. chemat wzmacniacza z zamkniętą pętlą przężenia zwrtneg z zaznacznymi miejcami przerwania pętli dla wydrębnienia układu pdtawweg i a przężenia. Na ry. 4 przedtawiny jet chemat wzmacniacza dla ygnałów zmiennych w śrdku pama przeputweg. i Q Q ut E y. 4. chemat wzmacniacza z zamkniętą pętlą przężenia zwrtneg dla ygnałów zmiennych w śrdku pama przeputweg.

5 -5 Układy i przedtawine ą na ry. 5 i 6. Q Q ezytancja wejściwa układu bez przężenia (liczna dla układu zmdyikwaneg ): i + ( β + )( re + E ) (3) ezytancja wejściwa układu ze przężeniem (przekztałcneg d truktury idealnej): i ( ) (33) i i + ezytancja wejściwa rzeczywiteg układu ze przężeniem: y. 5. Wzmacniacz pdtawwy układ. E y. 6. zwórnik przężenia zwrtneg układ. E + E (6) h E (7) E + (8) h (34) ( i ) ezytancja wyjściwa układu bez przężenia (liczna dla układu zmdyikwaneg ): + ) (35) O ( E ezytancja wyjściwa układu ze przężeniem (przekztałcneg d truktury idealnej): O (36) ( + ) ezytancja wyjściwa rzeczywiteg układu ze przężeniem: + ut (37) ut i i Q Q h /h E E y. 7. Układ zmdyikwany. O 5. Pmiar rezytancji wejściwej ezytancję wejściwą mierzy ię wykrzytując ddatkwy rezytr włączny zeregw z rezytancją wewnętrzną generatra. Pdcza nrmalnej pracy jet n zwierany przełącznikiem umiezcznym na płycie człwej. P naciśnięciu przyciku znaczneg natępuje dłączenie rezytra w zereg z, c pwduje zmniejzenie wzmcnienia. y. 8. Mdel małygnałwy układu. Pnieważ pętla przężenia zwrtneg nie bejmuje dzielnika i t włączamy g d rezytancji źródła Theena: (9) Wzmcnienie układu zmdyikwaneg jet kreślne wzrem: e i g E m ( ( + )) E ( re + E )( β + ) ( r + )( β + ) + α( ) re + E (30) Wzmcnienie układu ze przężeniem wyni więc: (3) + y. 9. Metda pmiaru rezytancji wejściwej wzmacniacza. Oznaczając jak raz dpwiedni napięcia wyjściwe przy zwartym i rzwartym rezytrze trzymujemy: 0 K (38) + 0 K (39) Pmiar rezytancji wyjściwej wzmacniaczy (40) (4) ezytancję wyjściwą mierzy ię wykrzytując ddatkwy rezytr włączany równlegle z rezytancją bciążenia

6 -6 wzmacniacza. Pdcza nrmalnej pracy jet dłączny. W czaie pmiaru rezytancji dłącza ię g przełącznikiem umiezcznym na płycie człwej i znacznym ut. P naciśnięciu przyciku natępuje dłączenie rezytra, c pwduje zmniejzenie wzmcnienia. 3V układ ut y. 0. Metda pmiaru rezytancji wyjściwej wzmacniacza. Oznaczając jak raz dpwiedni napięcia wyjściwe przy rzwartym i zwartym rezytrze trzymujemy: 0 K (4) + ut 0 K (43) + ut 0 ( + ut ) 0 ( + ut ) (4) ut (44) Parametry tranzytrów i dane elementów: UJEMNE PZĘŻENIE ZWOTNE V V V Vcc ur u t E Q Q E E WEJŚIE WYJŚIE Parametr Wartść β, 00 µ, 4.5p T, 50MHz V +V 5kΩ 6.kΩ 8.kΩ E 560Ω.kΩ E.kΩ 5.kΩ 8kΩ 36kΩ kω, kω, 6.8µ E 680n I N ur IEĆ iteratura: [] Z. J. tazak, J. Glianwicz, D. zarnecki Materiały pmcnicze d przedmitu Układy Elektrniczne iwe. []. Guzińki, we elektrniczne układy analgwe WNT 99. [3]. ilipkwki, Układy elektrniczne analgwe i cyrwe, WNT 978.