Podstawowe układy pracy tranzystora bipolarnego

Transkrypt

1 L A B O A T O I U M U K Ł A D Ó W L I N I O W Y C H Podtawowe układy pracy tranzytora bipolarnego Ćwiczenie opracował Jacek Jakuz 4. Wtęp Ćwiczenie umożliwia pomiar i porównanie parametrów podtawowych konfiguracji pracy tranzytora bipolarnego. Są to kolejno: A - układ wpólnego emitera (C, B - układ wpólnego emitera z niebocznikowaną rezytancją w emiterze (C-, C - układ wpólnego kolektora (CC, tzw. wtórnik emiterowy, D - układ wpólnej bazy (CB. Pozczególne konfiguracje wybiera ię przy pomocy przełącznika obrotowego, który poprzez przekaźniki przełącza układy. Pozczególne układy wykonane ą w ten poób by zapewniały identyczne warunki zailania tranzytorów. óżnice pomiędzy parametrami wzmacniaczy wynikają więc głównie z różnych konfiguracji pracy tranzytora, co umożliwia jakościowe porównanie układów. Dla uniezależnienia ię od parametrów przyrządów pomiarowych oraz jakości połączeń, każdy ze wzmacniaczy ma wbudowany wejściowy i wyjściowy bufor o wzmocnieniu jednotkowym. W ramach ćwiczenia wykonuje ię pomiary: wzmocnienia w środku pama przeputowego, rezytancji wejściowej oraz wyjściowej, dolnej oraz górnej 3dB-owej czętotliwości granicznej a także amplitudowej charakterytyki czętotliwościowej poza pamem przeputowym wzmacniacza. Przed przytąpieniem do ćwiczenia należy zapoznać ię z teorią dotyczącą pracy tranzytora bipolarnego jako wzmacniacza liniowego (zamiezczona jet ona w niniejzym opracowaniu. Prowadzący ma obowiązek prawdzić przygotowanie do ćwiczenia. 2. Pomiary Dla każdego z układów A, B, C i D: a zmierzyć dolną i górną 3-decybelową czętotliwość graniczną natępujący poób: - utawić wartość kuteczną napięcia ygnału wejściowego dla układu: A<.5mV, B<0mV, C<300mV, D<6mV - znalźć czętotliwość generatora, dla której napięcie wyjściowe badanego układu v o oiąga wartość makymalną, - utalić wartość napięcia wejściowego w ten poób, aby na wyjściu badanego układu uzykać 300mV, - zmniejzać (dla pomiaru czętotliwości granicznej dolnej lub zwiękzać (dla pomiaru czętotliwości granicznej ( f L3 db, f H3 db. Pomiar należy wykonać w górnej czętotliwość ygnału wejściowego aż do uzykania napięcia wyjściowego równego 300mV / 2 22mV, uzykana wartość jet odpowiednią czętotliwością graniczną. b Określić czętotliwość środkową f f f i 0 L3dB H3dB zmierzyć wzmocnienie w środku pama vo/v. c Zmierzyć rezytancję wejściową (ygnał wejściowy o czętotliwości ok. 50kHz, amplituda j.w. -patrz opi w części teoretycznej. d zmierzyć rezytancję wyjściową (ygnał wejściowy o czętotliwości ok. 50kHz, amplituda j.w. - patrz opi w części teoretycznej. f zmierzyć amplitudową charakterytykę czętotliwościową w zakreie od 40Hz do f L3 db oraz od f H3 db do 2MHz w ratrze czętotliwości, 2, 4, 7, 0 (tj. np. dla 0Hz, 20Hz, 40Hz, 70Hz, 00Hz,.... Zmierzoną charakterytykę należy nanieść na wykreie. Oś pionowa powinna być wzmocnieniem wyrażonym w mierze logarytmicznej tj. 20log 0 v0 / v in, oś pozioma (czętotliwość ygnału pomiarowego powinna być logarytmiczna. v0/vin [V/V] [kω] [kω] f3dbl [Hz] f3dbh [khz] Przykłady tabel pomiarowych C C- CC CB f [Hz] f L3 db f 0 f L3 db... M 2M vo/vin 3. Opracowanie wyników Dla układów C, C-, CC i CB należy obliczyć teoretycznie: punkty pracy tranzytorów, wzmocnienie małoygnałowe vo/vin, czętotliwości 3-decybelowe górne i dolne, rezytancję wejściową i wyjściową. Wyniki obliczeń należy umieścić w ten poób aby można było łatwo porównać z pomiarami np. we wpólnej tabeli. Dla każdego z układów naryować zmierzone charakterytyki czętotliwościowe modułu wzmocnienia a natępnie nanieść na nie wyniki obliczeń (tj. wzmocnienie w środku pama i czętotliwości graniczne górną i dolną. Zamieścić włane wnioki i potrzeżenia. Porównać układy pomiędzy obą, a także komentować zgodność obliczeń z pomiarami. 4. Teoria W ćwiczeniu wykonane ą cztery wzmacniacze oznaczone literami A-D Wzytkie układy poiadają wbudowane bufory wejściowy i wyjściowy. Bufory te ą identyczne a ich parametry przedtawia poniżza tabela: Parametr Jednotki Wartość Wzmocnienie V/V ezytancja wejściowa BUF MΩ ezytancja wyjściowa 0 BUF Ω 0 Pojemność wejściowa C BUF pf 20 Czętotliwość graniczna MHz 4 Dla każdego tranzytora z układów A-D, punkty pracy należy wyznaczyć przy założeniu, że prąd tały bazy IB jet pomijalnie mały oraz, że napięcie baza-emiter VB jet tałe i wynoi 0.7V C μ B v π r π C π C μ C g m v π i e y.. Małoygnałowe chematy zatępcze typu i typu T tranzytora bipolarnego. B r αi e C e π C

2 4-2 W analizie małoygnałowej należy przyjąć VT25mV. Dane tranzytora BC237: 60, C 4.5pF, ft50mhz. Parametry modelu małoygnałowego: g C m π IC r V T gm 2 π f Układ A: π T β α g m C μ β β + r re π β + Jet to wzmacniacz w konfiguracji wpólnego emitera (C. B B2 r π C v0 gmvπ ( C vπ v + S v 0 v g m( c BUF + in S Czętotliwość graniczna górna wyznaczona jet w oparciu o paożytniczymi tranzytora. Stałe te liczy ię dla danej pojemności paożytniczej przy założeniu, że pozotałe pojemności paożytnicze tanowią rozwarcie. y. 5. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie C z ry. 2 dla wyznaczenia górnej czętotliwości granicznej. y. 2. Schemat wzmacniacza w konfiguracji wpólnego emitera (C. liczony jet przy zaniedbaniu prądu bazy: y. 3. Schemat obwodu do liczenia punktu pracy. B2 V VB VCC IC B+ B2 V V ( + I C CC C C B V czętotliwości (w paśmie przeputowym jet tworzony przy założeniu, że pojemności przęgające i bocznikujące tanowią zwarcie dla ygnałów zmiennych, natomiat pojemności paożytnicze tranzytora ą rozwarciem. B tałe czaowe: korzytając z tw. Millera można zamienić pojemnośc C tranzytora na pojemności CM i CM2. K v 0 g vπ CM Cμ ( K CM 2 Cμ K m C BUF Natępnie wyznaczamy tałe czaowe związane z pozczególnymi pojemnościami: τ ( C + C ( H M π S in τ H 2 ( C M 2+ C BUF ( C BUF Przybliżona wartość górnej czętotliwości granicznej jet ( 2π τ H+ + τ H 2 Nikie czętotliwości: Czętotliwość graniczna dolna wyznaczona jet w oparciu o przęgającymi lub bocznikującymi (licząc tałe czaowe dla każdej z pojemności, pozotałe należy traktować jako zwarcie. Pojemności paożytnicze tranzytora traktuje ię y. 4. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie C z ry. 2 dla zakreu czętotliwości średnich. y. 6. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie C z ry. 2 dla wyznaczenia dolnej czętotliwości granicznej. Korzytając z powyżzego chematu zatępczego pozczególne tałe czaowe ą równe:

3 4-3 τ L C C S + in ( C + gm C ( + C τ L 2 τ L 3 C 2 C BUF Przybliżona wartość dolnej czętotliwości granicznej jet f L 3 db + + 2π τl τl2 τl3 Układ B: Jet to wzmacniacz w konfiguracji wpólnego emitera z niebocznikowaną rezytancją w emiterze (C-. y. 7. Schemat wzmacniacza w konfiguracji wpólnego emitera (C. liczony tak jak dla układu A (we wzrach na I C i V C zamiat jet uma + 2 czętotliwości (w paśmie przeputowym jet tworzony przy założeniu, że pojemności przęgające i bocznikujące tanowią zwarcie dla ygnałów zmiennych, natomiat pojemności paożytnicze tranzytora ą rozwarciem. y. 8. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie C- z ry. 7 dla zakreu czętotliwości średnich. B B2 ( rπ + ( β + C v0 gmvπ ( C rπ vπ v + S rπ + ( β + v0 rπ gm( c v + r + ( β + in S π Czętotliwość graniczna górna wyznaczona jet w oparciu o paożytniczymi tranzytora. Stałe te liczy ię dla danej pojemności paożytniczej przy założeniu, że pozotałe pojemności paożytnicze tanowią rozwarcie. y. 9. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie C- z ry. 7 dla wyznaczenia górnej czętotliwości granicznej. tałe czaowe: korzytając z tw. Millera można zamienić pojemnośc C tranzytora na pojemności CM i CM2. α C K re + CM Cμ ( K CM 2 Cμ K BUF Natępnie wyznaczamy tałe czaowe związane z pozczególnymi pojemnościami: τ H C M ( S in + S B B2 + gm ( C + C ( τ H 2 Cμ rπ τ H 3 M 2 BUF C BUF Przybliżona wartość górnej czętotliwości granicznej jet ( 2π τ H+ + τ H 2+ τ H3 Nikie czętotliwości: Czętotliwość graniczna dolna wyznaczona jet w oparciu o przęgającymi lub bocznikującymi (licząc tałe czaowe dla każdej z pojemności, pozotałe należy traktować jako zwarcie. Pojemności paożytnicze tranzytora traktuje ię Korzytając z powyżzego chematu zatępczego pozczególne tałe czaowe ą równe: τ L C C ( S + in τ rπ + 2 C + β + C ( + L2 C 2 τ L 3 C 2 C BUF B B S y. 0. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie C- z ry. 7 dla wyznaczenia dolnej czętotliwości granicznej. Przybliżona wartość dolnej czętotliwości granicznej jet

4 4-4 f L 3 db + + 2π τl τl2 τl3 Układ C: Jet to wzmacniacz w konfiguracji wpólnego kolektora (CC, czyli tzw. wtórnik emiterowy. y. 3. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie CC z ry. dla wyznaczenia górnej czętotliwości granicznej. W układzie CC nie wytępuje pojemność Millera! y.. Schemat wzmacniacza w konfiguracji wpólnego kolektora (CC. liczony tak jak dla układu A. czętotliwości (w paśmie przeputowym jet tworzony przy założeniu, że pojemności przęgające i bocznikujące tanowią zwarcie dla ygnałów zmiennych, natomiat pojemności paożytnicze tranzytora ą rozwarciem. tałe czaowe: τ H Cμ ( S + τ H 2 Cπ rπ + gm( L τ H 3 C BUF ( BUF out BUF S B B2 Przybliżona wartość górnej czętotliwości granicznej jet ( 2π τ H+ + τ H 2+ τ H3 Nikie czętotliwości: Czętotliwość graniczna dolna wyznaczona jet w oparciu o przęgającymi lub bocznikującymi (licząc tałe czaowe dla każdej z pojemności, pozotałe należy traktować jako zwarcie. Pojemności paożytnicze tranzytora traktuje ię y. 2. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie CC z ry. dla zakreu czętotliwości średnich. ( B B2 rπ + ( β + ( rπ + S B B2 β + ( β + ( v0 vi rπ + ( β + ( vi v + S v0 ( β + ( v + r + ( β + ( in S π BUF Czętotliwość graniczna górna wyznaczona jet w oparciu o paożytniczymi tranzytora. Stałe te liczy ię dla danej pojemności paożytniczej przy założeniu, że pozotałe pojemności paożytnicze tanowią rozwarcie. y. 4. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie CC z ry. dla wyznaczenia dolnej czętotliwości granicznej. Korzytając z powyżzego chematu zatępczego pozczególne tałe czaowe ą równe: τ L C C ( S + in τ L 2 C C 2( out + BUF Przybliżona wartość dolnej czętotliwości granicznej jet f L 3 db + 2π τl τl2 Układ D: Jet to wzmacniacz w konfiguracji wpólnej bazy (CB.

5 4-5 Czętotliwość graniczna dolna wyznaczona jet w oparciu o przęgającymi lub bocznikującymi (licząc tałe czaowe dla każdej z pojemności, pozotałe należy traktować jako zwarcie. Pojemności paożytnicze tranzytora traktuje ię y. 5 Schemat wzmacniacza w konfiguracji wpólnej bazy (CB. liczony tak jak dla układu A. czętotliwości (w paśmie przeputowym jet tworzony przy założeniu, że pojemności przęgające i bocznikujące tanowią zwarcie dla ygnałów zmiennych, natomiat pojemności paożytnicze tranzytora ą rozwarciem. y. 6. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie CB z ry. 5 dla zakreu czętotliwości średnich. re C v0 α ie( C ie v + re v 0 α ( C v + r in e Czętotliwość graniczna górna wyznaczona jet w oparciu o paożytniczymi tranzyto-ra. Stałe te liczy ię dla danej pojemności paożytniczej przy założeniu, że pozotałe pojemności paożytnicze tanowią rozwarcie. y. 7. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie CB z ry. 5 dla wyznaczenia górnej czętotliwości granicznej. Dla w.cz. nie ma efektu multiplikacji pojemności (efekt MIllera tałe czaowe: τ H Cπ ( S re τ H 2 ( Cμ + CBUF ( C Przybliżona wartość górnej czętotliwości granicznej jet ( 2π τ H+ τ H 2 y. 8. Zatępczy chemat małoygnałowy wzmacniacza w układzie CB z ry. 5 dla wyznaczenia dolnej czętotliwości granicznej. Korzytając z powyżzego chematu zatępczego pozczególne tałe czaowe ą równe: τ L C C ( S + in τ L2 CB [ B B2 ( ( re+ S ( β + ] τ L 3 C C 2( C + BUF Przybliżona wartość dolnej czętotliwości granicznej jet f L 3 db + + 2π τl τl2 τl3 Pomiar rezytancji wejściowej wzmacniaczy ezytancję wejściową mierzy ię wykorzytując dodatkowy rezytor S' włączony zeregowo z rezytancją wewnętrzną generatora S. Podcza normalnej pracy jet on zwierany przełącznikiem umiezczonym na płycie czołowej. Po naciśnięciu przyciku oznaczonego in natępuje jego rozwarcie, co powoduje zmniejzenie wzmocnienia. y. 9. Metoda pomiaru rezytancji wejściowej wzmacniacza. Oznaczając jako v o oraz v o' odpowiednio napięcia wyjściowe przy zwartym i rozwartym rezytorze S' otrzymujemy: v0 K v in in + S K v + S + S ' v0 + S + S ' + S S ' S v v 0 0' Pomiar rezytancji wyjściowej wzmacniaczy in Nikie czętotliwości:

6 4-6 ezytancję wyjściową mierzy ię wykorzytując dodatkowy rezytor L' włączany równolegle z rezytancją obciążenia wzmacniacza, którą w badanych układach jet rezytancja wejściowa bufora BUF. Podcza normalnej pracy L' jet odłączony. W czaie pomiaru rezytancji dołącza ię go przełącznikiem umiezczonym na płycie czołowej i oznaczonym out. Po naciśnięciu przyciku natępuje jego zwarcie, co powoduje zmniejzenie wzmocnienia. y. 20. Metoda pomiaru rezytancji wyjściowej wzmacniacza. Oznaczając jako v o oraz v o' odpowiednio napięcia wyjściowe przy rozwartym i zwartym rezytorze L' otrzymujemy: v0 K vin + L' K vin L' + ( L' + v0( + L' L' L' v v 0 0 ' Dane elementów w pozczególnych konfiguracjach układowych. Paramet Jednotki C C- CC CB r β Cμ pf ft MHz S kω 0. S' kω CC nf B kω B2 kω CB μf nie ma nie ma nie ma 47 C 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 C μf CC2 nf MΩ CBUF pf L' kω VCC V Literatura: [] Z. J. Stazak, J. Glinianowicz, D. Czarnecki Materiały pomocnicze do przedmiotu Układy lektroniczne Liniowe. [2] A. Guzińki, Liniowe elektroniczne układy analogowe WNT 992. [3] S. Soclof, Zatoowania analogowych układów calonych, WKŁ 99.