Politechnika Białostocka

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: UKŁADY ELEKTRONICZNE 2 (TS1C ) Tranzystor w układzie wzmacniacza Białystok 2014

2 1. WSTĘP Tematem ćwiczenia są podstawowe właściwości jednostopniowych wzmacniaczy pasmowych z tranzystorem bipolarnym. Ćwiczenie składa się z trzech odrębnych części. Pierwsza z nich, mająca charakter wprowadzenia, jest poświęcona ilustracji zasady wzmacniania za pomocą elementu sterowanego, na przykładzie elementarnego wzmacniacza oporowego z tranzystorem w konfiguracji WE. W części tej dokonuje się obserwacji statycznej napięciowej charakterystyki przejściowej oraz pomiaru stałoprądowego wzmocnienia układu badanego dla różnych punktów pracy tranzystora. Druga część ćwiczenia polega na zmierzeniu wzmocnienia i częstotliwości granicznych jednostopniowego tranzystorowego wzmacniacza pasmowego RC z typowym układem zasilania i stabilizacji punktu pracy tranzystora. Niektóre elementy tego wzmacniacza, decydujące o wzmocnieniu i dolnej częstotliwości granicznej, są projektowane i wmontowywane przez wykonującego ćwiczenie. Trzecia część ćwiczenia polega na zaprojektowaniu i uruchomieniu wzmacniacza w konfiguracji WC lub WB o zadanych przez prowadzącego ćwiczenie parametrach. Celem ćwiczenia jest zilustrowanie jakościowych i ilościowych związków między podstawowymi parametrami roboczymi (wzmocnienie, pasmo) tranzystorowego wzmacniacza małych sygnałów, a wartościami elementów układu, w tym również zależności wzmocnienia od punktu pracy tranzystora oraz ugruntowanie umiejętności praktycznego wykorzystania tych związków. 2. OPIS TECHNICZNY UKŁADÓW BADANYCH 2.1 Elementarny układ wzmacniający z tranzystorem bipolarnym w konfiguracji WE (wkładka DN011A) Układ badany składa się z tranzystora bipolarnego T (element sterowany), opornika kolektorowego R c oraz opornika R g reprezentującego rezystancję wewnętrzną źródła sygnału (rys. l). Rys. 1. Elementarny układ wzmacniający z tranzystorem bipolarnym (DN011A).

3 2.2. Wzmacniacz pasmowy (wkładka DN011B) Schemat jednostopniowego tranzystorowego wzmacniacza pasmowego, badanego w ćwiczeniu, przedstawia rys. 2. Rys. 2. Schemat jednostopniowego wzmacniacza pasmowego (wkładkadn011b) Prąd emitera tranzystora T określony jest przez rezystory R 1, R 2, R C i wynosi około 0,8mA. Element R g reprezentuje rezystancją wewnętrzną źródła sterującego, zaś R 0 rezystancję obciążenia. Elementy R C i C 2 są wmontowywane do układu przez wykonującego ćwiczenie po obliczeniu ich wartości wg podanych w p. 4 założeń projektowych. 3. WYKAZ APARATURY Do wykonania ćwiczenia potrzebne są następujące przyrządy: - generator funkcyjny (przebieg sinusoidalny i trójkątny) - oscyloskop - multimetry 4. OBLICZENIA WSTĘPNE I PROJEKTOWE 1. Obliczyć takie wartości elementów R c i C 2 wzmacniacza przedstawionego na rysunku 2, aby wzmocnienie napięciowe skuteczne k uef0 oraz dolna częstotliwość graniczna f d3db tego układu były zawarte w przedziałach określonych w tablicy 1. Można wybrać dowolną kombinację przedziałów k uef0 oraz f d3db. Do obliczeń przyjąć podane na schemacie nominalne wartości niewymiennych elementów układu. Przyjąć, że współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora BC 147 wynosi Obliczyć dolną częstotliwość graniczną f d3db zaprojektowanego układu.

4 Tablica 1. Założone zakresy wzmocnienia napięciowego skutecznego i dolnej częstotliwości granicznej wzmacniacza k uef0, V/V f d3db, Hz OBSERWACJE I POMIARY 5.1 Badanie elementarnego układu wzmacniającego z tranzystorem bipolarnym (wkładka DN011A) Obejrzeć na ekranie oscyloskopu i zarejestrować charakterystykę przejściową u wy =f(u we1 ) badanego układu. W tym celu na wejście układu (i jednocześnie kanał X oscyloskopu) podać przebieg trójkątny lub sinusoidalny o częstotliwości 100 Hz i amplitudzie 2V. Przebieg wyjściowy obserwować na kanale Y. Po przełączeniu oscyloskopu w tryb X-Y na ekranie powinna pojawić się charakterystyka przejściowa. Zagadnienia: a) dlaczego, poza środkowym zakresem, charakterystyka jest płaska? b) dlaczego w środkowym zakresie charakterystyka przejściowa jest duwy nieliniowa? Co oznacza fizycznie ujemny znak pochodnej? du c) w jaki sposób na podstawie charakterystyki przejściowej wzmacniacza można oszacować jego wzmocnienie napięciowe? d) czy wzmocnienie zależy od spoczynkowego punktu pracy tranzystora? e) czy przebieg charakterystyki przejściowej ma związek z charakterystyką wejściową tranzystora? Czy można powiedzieć, że są to charakterystyki identyczne? f) na podstawie analizy zaobserwowanej charakterystyki przejściowej u wy =f(u we1 ) naszkicować charakterystykę przejściową u wy =f(u we2 ) we1 5.2 Pomiar wzmocnienia i pasma jednostopniowego wzmacniacza tranzystorowego (wkładka DN011B) Po wmontowaniu elementów o obliczonych wartościach (zgodnie z założeniami przedstawionymi w punkcie 4) należy dokonać pomiaru wzmocnienia napięciowego skutecznego k uef0 oraz wzmocnienia napięciowego k u badanego wzmacniacza w konwencjonalny sposób, tzn. mierząc wartości składowych zmiennych napięcia na wejściu i wyjściu wzmacniacza, zgodnie z zależnościami: k uef 0 = wy we1 k u = W tym celu na wejście wzmacniacza należy podać przebieg sinusoidalny o częstotliwości około 100 razy wyższej od założonej dolnej częstotliwości wy we2 (1)

5 granicznej oraz tak dobranej amplitudzie, aby spełniony był warunek małosygnałowej pracy wzmacniacza. Za pomocą oscyloskopu zmierzyć wartości międzyszczytowe przebiegu wyjściowego oraz przebiegów wejściowych (WE 1 oraz WE 2 ). Przebiegi zarejestrować. Korzystając z zależności (1) obliczyć wzmocnienie napięciowe oraz wzmocnienie napięciowe skuteczne. Zaobserwować na oscyloskopie zniekształcenia sygnału wyjściowego, wynikające z przesterowania wzmacniacza, powstające wskutek podania na jego wejście sygnału o zbyt dużej amplitudzie. Obserwowany przebieg napięcia zarejestrować. Aby wyznaczyć pasmo przenoszenia wzmacniacza należy dokonać pomiaru dolnej i górnej częstotliwości granicznej. W tym celu na wejście wzmacniacza należy podać przebieg sinusoidalny o częstotliwości około 100 razy wyższej od założonej dolnej częstotliwości granicznej oraz tak dobranej amplitudzie, aby spełniony był warunek małosygnałowej pracy wzmacniacza. Za pomocą kursorów na ekranie oscyloskopu zmierzyć wartość międzyszczytową napięcia wyjściowego U wy_s. Przy stałej wartości amplitudy sygnału wejściowego zmniejszać częstotliwość przebiegu wejściowego do momentu, gdy wartość międzyszczytowa napięcia wyjściowego zmaleje do poziomu 0,707U wy_s (odpowiada to zmniejszeniu modułu wzmocnienia o 3dB). Częstotliwość, przy której spełniony jest ten warunek jest dolną częstotliwością graniczną. W analogiczny sposób (zwiększając częstotliwość) wyznaczyć górną częstotliwość graniczną. 5.3 Pomiar parametrów wzmacniacza w konfiguracji WC lub WB Zaprojektować wzmacniacz w konfiguracji WC/WB, spełniający wymogi, podane przez prowadzącego (podany będzie jeden z następujących parametrów: spoczynkowy punkt pracy tranzystora, wzmocnienie napięciowe, rezystancja wejściowa, dolna częstotliwość graniczna). Układ zbudować i uruchomić na uniwersalnej płytce łączeniowej GL-24 (rys. 3) lub GL-12F. Rys. 3 Widok uniwersalnej płytki łączeniowej GL-24

6 Dokonać pomiaru wzmocnienia napięciowego oraz pasma przenoszenia wzmacniacza. 6. WYKAZ LITERATURY [1] Z. Nosal, J. Baranowski: Układy elektroniczne, cz. I. Układy analogowe liniowe WNT, Warszawa [2] Filipkowski: Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. WNT, Warszawa [3] P.Horowitz, W.Hill: Sztuka elektroniki. Część 1 i 2. WKŁ, Warszawa [4] W. Stepowicz: Elementy półprzewodnikowe i układy scalone. Gdańsk1999. [5] U.Tietze, Ch. Schenk: Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa [6] A.S. Sedra, K.C Smith: Microelectronics Circuits, Oxford University Press, 2004.