Ujemne sprzęŝenie zwrotne

Transkrypt

1 O T O I U M P O D T W E E K T O N I K I I M E T O O G I I Ujemne przęŝenie zwrtne Ćwiczenie pracwał Jacek Jakuz. Wtęp Ćwiczenie umŝliwia pmiar i prównanie właściwści teg ameg wzmacniacza pracująceg w natępujących kniguracjach: wzmacniacz z twartą pętlą zwrtneg, - wzmacniacz z zamkniętą pętlą () zwrtneg. - wzmacniacz z zamkniętą pętlą () zwrtneg. adany układ t dwutpniwy wzmacniacz, który twrzą dwa tranzytry biplarne pracujące w kniguracji wpólny emiter (E). Wzmacniacz ten jet bjęty ujemnym, napięciw-zeregwym przęŝeniem zwrtnym. Pmiary układu z twartą pętlą zwrtneg łuŝą 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 uniezaleŝnienia ię d parametrów przyrządów pmiarwych raz jakści płączeń, wzmacniacz ma wbudwany bur wzmcnieniu jedntkwym zarówn na wejściu jak i na wyjściu. Przed przytąpieniem d ćwiczenia naleŝy zapznać ię z jeg przebiegiem (pdtawwe rmacje zamiezczn w niejzym pracwaniu). Prwadzący ma bwiązek prawdzić przygtwanie d ćwiczenia.. Pmiary Dla kaŝdeg z układów,, i naleŝy: a) Zmierzyć dlną i górną 3-decybelwą częttliwść graniczną ( 3 d, H 3 d ). Pmiar naleŝy wyknać w natępujący pób: - dla częttliwści ygnału wejściweg 8kHz utawić wartść kuteczną napięcia ygnału wejściweg dla układu: mv, 0mV, 5mV tak, aby na wyjściu badaneg układu uzykać wartść napięcia wejściweg V 300mV, wy - zachwując tałą wartść napięcia wejściweg zmniejzać (dla pmiaru częttliwści granicznej dlnej) lub zwiękzać (dla pmiaru częttliwści granicznej górnej) częttliwść ygnału wejściweg aŝ d uzykania napięcia wyjściweg równeg 300mV / mv uzykana wartść jet dpwiednią częttliwścią graniczną. b) Określić częttliwść śrdkwą 0 3d H 3d i zmierzyć wzmcnienie w śrdku pama /. c) Zmierzyć rezytancję wejściwą (ygnał wejściwy częttliwści 8kHz, amplituda j.w.) ezytancję wejściwą mierzy ię wykrzytując ddatkwy rezytr włączny zeregw z rezytancją wewnętrzną generatra. NaleŜy 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 bciąŝenia wzmacniacza. NaleŜy nacinąć przycik ut i zantwać napięcie wyjściwe. Dkładny pi pmiaru ut znajduje ię w części teretycznej. e) Zmierzyć zniekztałcenia liwe dla 8kHz. ) Zmierzyć amplitudwą charakterytykę częttliwściwą. 3. Opracwanie wyników ) Zmierzne charakterytyki częttliwściwe nanieść na bnych wykreach. Oś pinwa pwna być wzmcnieniem wyraŝnym 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 ptrzeŝenia. Prównać układy pmiędzy bą, a takŝe kmentwać zgdnść bliczeń teretycznych z pmiarami. 4. Teria (dla zaterewanych) 4. Właściwści ujemneg zwrtneg Zatwanie ujemneg zwrtneg d układów wzmacniających pwduje: ) tabilizację wzmcnienia uniezaleŝnianie ię d wpływu zmian wzmcnienia elementu aktywneg w pd wpływem temperatury, napięcia zailająceg itp.; ) mŝliwść mdyikacji impedancji wejściwej i wyjściwej; 3) zmniejzenie zniekztałceń nieliwych; 4) pzerzenie pama układu. Wady ujemneg zwrtneg: - zmniejzenie wzmcnienia - mŝliwść wzbudzania ię układu chemat idealneg zwrtneg przedtawin na ry. + x i Σ x x x y.. chemat idealneg zwrtneg Wzmcnienie układu z zamkniętą pętlą zwrtneg: x x xi x xi + x xi + xi + - wzmcnienie pętli + - róŝnica zwrtna Wpływ ujemneg zwrtneg na charakterytykę częttliwściwą liweg wzmacniacza ztanie przeanalizwany na przykładzie ZałóŜmy, Ŝe charakterytyka częttliwściwa liweg wzmacniacza bez jet ptaci:

2 - 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, Ŝe charakterytyka człnu zwrtneg jet tała, niezaleŝna d częttliwści. Wówcza p zamknięciu pętli 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 pwyŝzych zaleŝnści ujemne przęŝenie zwrtne pwduje pzerzenie pama wzmacniacza. Dla wzmacniacza pianeg unkcją jednbiegunwą ple wzmcnienia (ilczyn wzmcnienia i pama wzmacniacza) pztaje nie zmienine. WaŜną właściwścią ujemneg zwrtneg jet wpływ na czułść wzmcnienia przy zmianach napięcia zailająceg, temperatury itp.. zułść wzmcnienia układu na zmianę napięcia zailająceg wyraŝa ię wzrem: d d d d dla kńcznych przyrtów WaŜnym parametrem jet czułść wzmcnienia układu z ujemnym przęŝeniem zwrtnym na zmianę wzmcnienia układu z twartą pętlą. WyraŜa ię na wzrem: + lub wzrem (przydatnym przy pmiarach) pniewaŝ W ćwiczeniu, w badanym wzmacniaczu zatwan napięciw-zeregwe ujemne przęŝenie zwrtne. tąd teŝ w dalzej części ztanie mówiny tylk ten rdzaj. Tplgię przedtawia ry.. Dla teg rdzaju pbierane jet napięcie z wyjścia i pdawane przez zwrtneg na wejście (równieŝ napięcie) -zeregw ze źródłem ygnału. W analizie przyjęt załŝenia: a) układy i ą unilateralne, b) układ jet wzmacniaczem m wzmcnieniu, rezytancji wejściwej i i rezytancji wyjściwej, c) układ tranmitancji napięciwej nie bciąŝa układu (tzn. pdłączenie układu nie zmienia wzmcnienia napięciweg układu / i ). i wzmacniacz i O i i i i y. 3. Mdel wzmacniacza z napięciw-zeregwym przęŝeniem zwrtnym. i y. 4. Mdel zatępczy wzmacniacza. Wzmcnienie układu: + ezytancja wejściwa: i i ( + ) ezytancja wyjściwa ( + ) W układzie rzeczywitym zazwyczaj jet h h wzmacniacz [V/V] i hi i h y. 5. Mdel rzeczywiteg wzmacniacza z napięciwzeregwym przęŝeniem zwrtnym. paywny (nie wzmacnia ygnału) i dlateg mŝna bez więkzeg błędu załŝyć: - tranmitancja w przód a zwrtneg jet pmijalnie mała w prównaniu ze wzmcnieniem układu aktywneg (tzn. h 0), - tranmitancja napięciwa a w kierunku zwrtnym: h / przy i 0. Idealny naleŝy uzupełnić rezytancje wnzne przez układ zwrtneg tj. elementy h raz /h. NaleŜy równieŝ włączyć d układu rezytancje: źródła ygnału i bciąŝenia. P przekztałceniu trzymujemy: 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, rezytancji źródła ygnału i rezytancji bciąŝenia. y.. Tplgia napięciw-zeregweg.

3 -3 zmdyikwany V i wzmacniacz [V/V] I Q I h E y. 6. Układ zmdyikwany. Pdumwanie tranrmacji układu rzeczywiteg: i pdtawwy wzmacniacz y. 6. Pumwanie przekztałceń. i naliza dwutpniweg wzmacniacza z napięciwzeregwym ujemnym przęŝeniem zwrtnym. Punkty pracy kaŝdeg tranzytra, naleŝy wyznaczyć przy załŝeniu, Ŝe prąd tały bazy I jet pmijalnie mały raz Ŝe napięcie baza-emiter V E jet tałe i wyni 0.7V. V I y. 9. chemat d wyznaczenia punktu pracy tranzytra. V () + V 0,7V I () ( ) I V V + (3) V I 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 zwrtneg układ nr. śrdek pama: Zatępczy chemat małygnałwy z zakreie średnich częttliwści (w paśmie przeputwym) jet twrzny przy załŝeniu, Ŝe pjemnści przęgające i bcznikujące tanwią zwarcie dla ygnałów zmiennych, natmiat pjemnści paŝytnicze tranzytra ą rzwarciem. Napięcie zailania, pniewaŝ ma tały ptencjał, jet równieŝ traktwane jak maa. µ µ π r π π g m π r αi e e π i e E E y. 7. Małygnałwe chematy zatępcze typu π i typu T tranzytra biplarneg. W analizie małygnałwej naleŝy 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 +, Punkt pracy liczny jet przy zaniedbaniu prądu bazy. Punkt pracy jet identyczny dla układu z twartą i zamkniętą pętlą zwrtneg y. 0. Zatępczy chemat małygnałwy wzmacniacza dla śrdka pama. ezytancję wejściwą i wyjściwą wyznacza ię z ry.0: r + )( β ) (7) ( e + ut (8) natmiat wzmcnienie małygnałwe (ry.0): π ie i (9) i g π m e i ( ) r α( π re + ) + (0) wykie częttliwści: zęttliwść graniczna górna wyznaczna jet w parciu tałe czawe pwiązane z dpwiednimi pjemnściami

4 -4 paŝytniczymi. KaŜdą tałą czawą liczy ię jak ilczyn pjemnści i rezytancji widzianej z zacików tej pjemnści. y.. Zatępczy chemat małygnałwy dla wyznaczenia częttliwści granicznej górnej. Krzytając z twierdzenia Millera mŝna zamienić pjemnść µ tranzytra na pjemnści Mi i M: rπ g m( rπ ) Mi µ + rπ + ( β + ) µ r + re + π () r e + M µ + () rπ µ + g ) (3) Mi ( m µ + (4) g m M Teraz mŝna łatw wyznaczyć tałe czawe związane z pzczególnymi pjemnściami: τ ( ( r + )( ) ) Mi e β (5) H + + τ H π rπ (6) + g m τ + + r (7) ( M Mi π ) ( ) ( ) H 3 π τ (8) H 4 M PrzybliŜna częttliwść graniczna górna mŝe 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 nikie częttliwści: zęttliwść graniczna dlna wyznaczna jet w parciu tałe czawe pwiązane z dpwiednimi pjemnściami przęgającymi lub bcznikującymi (licząc tałe czawe dla kaŝdej z pjemnści, pztałe naleŝy traktwać jak zwarcie). Pjemnści paŝytnicze traktuje ię jak rzwarcia. Pzczególne tałe czawe wynzą: τ ( + (( β + ) + rπ )) () r π + τ E E () β + τ 3 ( + ) (3) PrzybliŜna częttliwść graniczna dlna mŝe 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 zwrtneg układ,. Na ry. 3 przedtawiny jet chemat wzmacniacza. przęŝenie zwrtne działa tylk dla ygnałów zmiennych z pwdu pjemnści, która ze względu na bardz duŝą wartść nie ma Ŝadneg wpływu na charakterytyki częttliwściwe układu. Na ryunku kreśln miejca przerwania pętli zwrtneg dla wydrębnienia wzmacniacza pdtawweg i a. Q E E V y. 3. chemat wzmacniacza z zamkniętą pętlą zwrtneg z zaznacznymi miejcami przerwania pętli dla wydrębnienia układu pdtawweg i a. Na ry. 4 przedtawiny jet chemat wzmacniacza dla ygnałów zmiennych w śrdku pama przeputweg. i Q ut y. 4. chemat wzmacniacza z zamkniętą pętlą zwrtneg dla ygnałów zmiennych w śrdku pama przeputweg. Układy i przedtawine ą na ry. 5 i 6. r π π gmπ π gmπ r π E E E Q y.. Zatępczy chemat małygnałwy wzmacniacza dla częttliwści nikich. i

5 y. 5. Wzmacniacz pdtawwy układ. ( i ) -5 (34) y. 6. zwórnik zwrtneg układ. + (6) h (7) E + (8) h ezytancja wyjściwa układu bez (liczna dla układu zmdyikwaneg ): + ) (35) O ( ezytancja wyjściwa układu ze przęŝeniem (przekztałcneg d truktury idealnej): O (36) ( + ) ezytancja wyjściwa rzeczywiteg układu ze przęŝeniem: + ut (37) ut i i Q h /h 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. y. 9. Metda pmiaru rezytancji wejściwej wzmacniacza. PniewaŜ pętla zwrtneg nie bejmuje dzielnika i t włączamy g d rezytancji źródła Theena: (9) Wzmcnienie układu zmdyikwaneg jet kreślne wzrem: e i g m ( ( + )) ( re + )( β + ) ( r + )( β + ) + α( rπ ) re + (30) Wzmcnienie układu ze przęŝeniem wyni więc: (3) + ezytancja wejściwa układu bez (liczna dla układu zmdyikwaneg ): i + ( β + )( re + ) (3) ezytancja wejściwa układu ze przęŝeniem (przekztałcneg d truktury idealnej): ( ) (33) i i + 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 bciąŝenia 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. ezytancja wejściwa rzeczywiteg układu ze przęŝeniem:

6 -6 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: Parametr Wartść β, 00 µ, 4.5p T, 50MHz V +V 5kΩ 6.kΩ 8.kΩ 560Ω.kΩ E.kΩ 5.kΩ 8kΩ 36kΩ kω, kω, 6.8µ E 680n UJEMNE PZĘśENIE ZWOTNE V V 3V V Vcc ur u t E Q I N Q ur E IEĆ WEJŚIE WYJŚIE 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.