Wzmacniacz tranzystorowy

Transkrypt

1 Wydział Elktroniki Mikrosystmów i Fotoniki Opracował zspół: Mark Pank, Waldmar Olszkiwicz, yszard Korbutowicz, wona Zborowska-Lindrt, Bogdan Paszkiwicz, Małgorzata Kramkowska, Zdzisław Synowic, Bata Ściana, rna Zubl, Tomasz Ohly, Bogusław Boratyński Ćwiczni nr 6 Wzmacniacz tranzystorowy. Zagadninia do samodzilngo przygotowania - haraktrystyki i paramtry tranzystora bipolarngo, - kłady polaryzacji tranzystora, - Podstawowy układ wzmacniacza WE, - Prosta pracy i wybór punktu pracy tranzystora, - Modl zastępczy i paramtry h ij tranzystora. - Wzmocnini i pasmo prznosznia wzmacniacza,. Program zajęć - Projkt układu polaryzacji stałoprądowj wzmacniacza m.cz. WE. - Montaż wzmacniacza i pomiar paramtrów punktu pracy. - Pomiar wzmocninia napięciowgo w paśmi częstotliwości.. Litratura. Notatki z WYKŁAD 2. W. Marciniak - Przyrządy półprzwodnikow i układy scalon 3. A. Guziński - Liniow lktroniczn układy analogow, Wykonując pomiary PZESTZEGAJ przpisów BHP związanych z obsługą urządzń lktrycznych.

2 . Wiadomości wstępn. Wzmacniacz napięciowy m.cz., WE kład wzmacniacza tranzystorowgo m.cz. w układzi wspólngo mitra (WE) z stałoprądowym sprzężnim zwrotnym zapwniającym stabilizację punktu pracy przdstawiony jst na rysunku. ys. Schmat układu wzmacniacza m.cz. w układzi WE. Jst to wzmacniacz z pojmnościowym sprzężnim sygnału (kondnsator łączy źródło sygnału z wjścim wzmacniacza) oraz stabilizacją punktu pracy na rzystorz. Dzilnik 2 napięciowy / 2 zapwnia stałą polaryzację bazy napięcim B. + 2 Napięci B wynikając z dzilnika rzystorowgo jst stał, o il prąd dzilnika D jst dużo większy od prądu bazy B, np. D 0 B (wówczas można zanidbać istnijący rozpływ prądów w węźl bazy). Ewntualn zmiany napięcia na rzystorz mitrowym (np. wzrost wartości prądu E ) powodują zmianę (wzrost) potncjału mitra ( E E ) i w fkci zmnijszni napięcia BE, ( BE B E ) co skutkuj powstanim ujmngo sprzężnia zwrotngo dla prądu stałgo E w obwodzi wyjściowym tranzystora. Przykładowo, jżli prąd mitra wzrasta (np. na skutk wzrostu tmpratury) o wartość E to fkt ujmngo sprzężnia można zobrazować następująco: dla ustalongo prądu B const. E E E BE E Kondnsator, o małym modul impdancji w stosunku do wartości rzystora, powoduj praktyczni zwarci rzystora dla sygnałów zminnych. Tak więc układ dla wzmacniania sygnałów małych częstotliwości jst układm z wspólnym mitrm, WE (bz rzystora mitrowgo). naczj mówiąc, dzięki kondnsatorowi ni istnij sprzężni zwrotn dla sygnałów zminnych na rzystorz. 2

3 Wzmacniani sygnałów wygodni jst omawiać posługując się charaktrystykami wyjściowymi tranzystora, na których nanosimy prostą pracy (rys.2). Prosta pracy wynika z zadanj wartości rzystora c, oraz napięcia zasilania. zystor c nazywany jst takż obciążnim (ang. load) L Zauważ, ż maksymaln napięci w układzi wzmacniacza (przy wyjętym tranzystorz) wynosi, a maksymalny prąd płynący w układzi (przy zwartym tranzystorz) wynosi: MAX. Prosta łącząca t punkty w układzi współrzędnych c + f( E ) to tzw. statyczna prosta pracy, czyli obliczona dla prądu stałgo. Dla omawiango wzmacniacza statyczna prosta pracy (dla prądu stałgo nalży uwzględnić rzystor ) dana jst równanim: E c Natomiast dla sygnałów zminnych równani dynamicznj prostj pracy wygląda następująco (ni uwzględniamy traz rzystora ): E E + c Prost pracy powinny lżć w obszarz dopuszczalnych napięć i prądów tranzystora, tak jak to przdstawiono na rysunku 2. Prosta pracy dla prądu stałgo oznaczona jst linią przrywaną, prosta pracy dla prądu zminngo linią ciągłą. Tą ostatnią wykorzystujmy do analizy wzmocninia układu. c c - E MAX max + > max Q P max B paramtr obszar nasycnia E>E max obszar odcięcia E (- E ) E max E ys. 2. haraktrystyki wyjściow z nanisionymi prostymi pracy: statyczną i dynamiczną. Punkt pracy Q(, E ) tranzystora musi znajdować się na prostj pracy w obszarz aktywnj pracy tranzystora. Jżli układ ma wzmacniać sygnał o dużj amplitudzi, to prąd kolktora w punkci pracy powinin wynosić około /2 prądu maksymalngo MAX, wówczas napięci E w punkci pracy będzi wynosiło około /2 napięcia zasilania. 3

4 .2 Przykład obliczania projktowango układu wzmacniacza ) Przyjmujmy napięci zasilania 2) Przyjmujmy, ż spadk napięcia na rzystorz powinin wynosić 0,2. Ważność tgo założnia wyjaśniono w p.8 3) Wybiramy punkt pracy tak aby E ~ c czyli spadk napięcia na tranzystorz jst porównywalny z spadkim napięcia na rzystorz kolktorowym. 4) Zakładając, ż ~ E dla h 2 >50 (dla wygody zakładamy h 2 00) obliczamy wartość prądu w obwodzi wyjściowym tranzystora: 0, 2 Natomiast jśli mamy zaprojktować wzmacniacz dla zadango prądu, możmy obliczyć wartość 0,2 5) Dobiramy wartość obciążnia c z równania prostj pracy: 2 (2.) obliczamy 2 (2.2) Jżli wartość rzystora obciążnia c jst dana, to sprawdzamy czy spłniony jst warunk: E 6) Obliczamy prąd bazy B w punkci pracy. Zakładamy wartość h 2 zgodną z odczytaną w katalogu dla dango tranzystora. Możmy zmirzyć wartość paramtru h 2 ( a takż h ) w założonym punkci pracy, za pomocą dostępngo w laboratorium mirnika paramtrów h. Prąd bazy w punkci pracy: B h 2 (2.3) 7) Obliczmy wartości rzystorów dzilnika napięcia, 2. Prąd dzilnika rzystorowgo polaryzacji bazy powinin być większy od prądu bazy (przynajmnij 0 razy) aby chwilowa zmiana prądu bazy(na skutk zmiany amplitudy sygnału) ni wpływała silni na zmianę prądu dzilnika, a przz to na zmianę potncjału bazy B : D B czyli + 0 (2.4) 2 B 4

5 Potncjał bazy w punkci pracy wynosi B BE + E zakładając BE 0,65 V (tranzystor krzmowy) oraz E otrzymujmy: dla h 2 >> , 65V + poniważ B << zalżność (2.5) można uprościć (2.5) dla 2 << ; 2 + 0, 65V + 2 (2.6) Z zalżności (2.4) i (2.6) obliczamy wartości, 2. W praktyc, jśli dokładni mamy dobrać położni punktu pracy, wygodnij jst obliczyć i wpiąć rzystor, a jako 2 zastosować potncjomtr, który pozwoli na prcyzyjn ustalni potncjału B i prądu B dla indywidualngo tranzystora. 8) Sprawdzni stabilności trmicznj punktu pracy (dobór rzystora ): Poniważ B const. oraz BE + B to zmiany (przyrosty): BE - - BE BE BE (2.7) Zakładając zmiany tmpratury np. w granicach 0-50, T 50 K otrzymujmy BE 50 K (-2 mv/k) -00 mv gdzi: -2 mv/k wsp. tmpraturowy napięcia na złączu p-n jżli żądamy aby, < 0 to V Dla 5 V stanowi to 0,2, dla wyższych odpowidnio mnij. 5

6 .3 haraktrystyka częstotliwościowa wzmacniacza Dfiniuj się 3-dcyblow pasmo prznosznia częstotliwości, f 3dB ograniczon częstotliwościami charaktrystycznymi: dolną f d (lub f L ) i górną f g (lub f H ). W zakrsi tych częstotliwości moduł wzmocninia K u zmnijsza się ni więcj niż o 3 db od wartości ustalonj K 0. Oś rzędnych wygodni jst opisać w dcyblach: K u [db] 20lg K u [V/V]. Jak można wyliczyć, spadk wzmocninia o 3dB oznacza spadk bzwzględnj wartości wzmocninia do wartości 0,7 K 0. Wyjaśnini tych zalżności przdstawiono na rys.3. V [ V [ 00 3dB Ku [db] 40 K f 3dB f[hz] f d ys.3 Typowa charaktrystyka częstotliwościowa modułu wzmocninia wzmacniacza tranzystorowgo z sprzężnim pojmnościowym Dla wzmacniacza z pojdynczym tranzystorm spadk wzmocninia powinin wynosić 20dB na dkadę częstotliwości f. f g.4 Obliczani wzmocninia z analizy układu zastępczgo wzmacniacza Wzmocnini napięciow wzmacniacza dla małych sygnałów moż być wyznaczon analizując, przdstawiony na rys. 4, układ wzmacniacza z dwulmntowym modlm zastępczym tranzystora typu [h], odpowidnim dla sygnałów małych częstotliwości. W tym układzi symbol b, c, w, wy oznaczają napięcia sygnałów zminnych. ys.4 Schmat zastępczy układu wzmacniacza dla małych sygnałów m.cz. 6

7 ωt Wzmocnini napięciow (dokładnij, moduł wzmocninia) to iloraz amplitud sygnałów napięcia wyjściowgo i wjściowgo wzmacniacza: wy K u w Wzmocnini napięciow zalży wprost proporcjonalni od wzmocninia prądowgo tranzystora: h2 c h2 c Ku lub K u dla w h 2 >> h (2.8) gdzi: rzystancja wjściowa wzmacniacza w h 2 (równolgł połączni trzch rzystancji) waga: znak ujmny w wzorz oznacza odwrócni amplitud sygnałów, czyli zmianę fazy sygnału na wyjściu o 80 w stosunku do sygnału wjściowgo..5 Znikształcnia niliniow sygnału matriał uzupłniający. Tranzystor bipolarny jst przyrządm strowanym prądowo. haraktrystyka przjściowa f( B ) w szrokim zakrsi prądów jst liniowa. Jżli źródło sygnału ma charaktr prądowy (tzn.: gn >> w.wzm ) znikształcnia sygnału na wyjściu tranzystora są niwilki, poniważ prąd wyjściowy jst proporcjonalny do prądu wjściowgo i c h 2 i b. Natomiast przy strowaniu napięciowym, w b na skutk silnj niliniowości charaktrystyki wjściowj tranzystora B f( BE ), jak w wzorz Shockly a, powstają znikształcnia amplitudow prznoszongo sygnału, co przdstawiono graficzni na rysunku 5. u b BE ωt B i b B ωt i c ys.5 Graficzn przdstawini znikształcń niliniowych wzmacniango sygnału dla wjścia wzmacniacza strowango napięciowo. 7

8 Znikształcnia sygnału prądu kolktora są prznoszon na analogiczn znikształcnia napięcia wyjściowgo, c i c c. Można to dobrz obsrwować podczas pomiarów wzmocninia napięciowgo za pomocą oscyloskopu zwiększając amplitudę sygnału wjściowgo. 2. Pomiary Na płytc z układm wzmacniacza (ys. 6) moż występować tranzystor typu npn lub pnp. Sprawdź typ tranzystora i wynotuj jgo dan katalogow. Zastanów się, jaki zmiany polaryzacji układu wymusza okrślony typ tranzystora. Zamontowan na płytkach rzystory i c mają okrślon wartości. Można wybrać dowolny z nich lub równolgł połączni każdj z par. zystor polaryzacji bazy ma ustalona wartość. Potncjomtr 2 w dzilniku wjściowym umożliwia płynną rgulację potncjału bazy B i w związku z tym dokładną rgulację położnia punktu pracy tranzystora. 2. Montaż układu. Zadani polga na wybraniu i połączniu rzystorów zgodni z wytycznymi podanymi w rozdzial V, a następni sprawdzniu ustalongo punktu pracy za pomocą pomiarów napięć i prądów. Dla zastosowanych na płytc rzystorów, maksymalny prąd tranzystora ograniczony będzi do wartości kilku miliamprów (dla typowych napięć zasilania 9V-5V). + D Wy W B B E 2 ys.6 Schmat montażowy wzmacniacza WE Algorytm postępowania w clu uzyskania właściwgo punktu pracy: - stalamy napięci zasilania (np. cc 9V, 2V, 5V) Wybiramy rzystory i c (można przyjąć ~ 0,3 c ) i notujmy ich wartości Montujmy układ (ys. 6). Podłączamy woltomirz do zacisku mitra i mirzymy spadk napięcia, względm zacisku masy, na rzystorz. Jst on równy. Aby spłnić krytria doboru punktu pracy, rgulujmy potncjomtrm spadk napięcia ustalając jgo wartość na 0, 0,2. Obliczamy i notujmy ustaloną wartość prądu Mirzymy wartość napięcia E, BE oraz napięci na rzystorz c. Ewntualni korygujmy nastawą potncjomtru ustawini punktu pracy tak, aby spłniony był warunk E ~ (mogą być różnic do 20%). - Ponowni mirzymy i zapisujmy wartości napięć i prądu w pkt. pracy: E, BE, ysujmy schmat (ys.6) z oznacznim wartości rzystorów oraz zmirzonymi wartościami napięć i prądów 8

9 2.2 Pomiar wzmocninia napięciowgo wzmacniacza w ustalonym punkci pracy. Ni zminiając punktu pracy ustalongo poprzdnio podłączamy gnrator sygnałów m.cz. oraz oscyloskop jak pokazano na rys. 7. ys. 7 kład montażowy do pomiaru wzmocninia napięciowgo. Algorytm postępowania w clu pomiaru wzmocninia: stawiamy częstotliwość gnratora tak aby znajdowała się w założonym paśmi prznosznia badango wzmacniacza (np. f 0kHz) stawiamy amplitudę sygnału wjściowgo (kanał A) na takim poziomi aby amplituda sygnału wyjściowgo (kanał B) ni przkraczała 0,2 E, co powinno odpowiadać amplitudzi sygnału na wjściu b ni większj niż 26mV (mał sygnały zminn). Sprawdzamy wartość napięcia stałgo w punkci pracy ( E ) Mirzymy oscyloskopm amplitudy sygnałów wjściowgo i wyjściowgo. Obliczamy wzmocnini napięciow i porównujmy z wartością tortyczną obliczoną z wzoru (2.8). Dodatkowo: Można zaobsrwować znikształcnia sygnału zalżn od położnia punktu pracy (obcinani amplitudy), zminiając nastawini potncjomtru 2. Można zmirzyć wzmocnini po odłączniu z układu kondnsatora. Wtdy układ nosi nazwę ( WE+ ), a moduł wzmocninia jst równy c / i ni zalży od h 2 tranzystora. 2.3 Pomiar pasma prznosznia wzmacniacza. Mirzymy wzmocnini napięciow wzmacniacza dla sygnałów w zakrsi od 00Hz do MHz. Pomiar zaczynamy każdorazowo od częstotliwości 0kHz (w górę i w dół). Praktyczni rzcz biorąc, nalży znalźć częstotliwości, dla których obsrwujmy spadk wzmocninia do wartości 0,7 K u0 (nalży wyjaśnić to stwirdzni). ysujmy charaktrystykę prznosznia wzmacniacza i wyznaczamy 3dB pasmo prznosznia, f 3dB. Wykrs w współrzędnych K u f(f), skala logarytmiczna na obu osiach. 9