POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY KATEDRA AUTOMATYKI I ELEKTRONIKI 3. Podstawowe układy wzmacniaczy tranzystorowych Materiały pomocnicze do pracowni specjalistycznej z przedmiotu: Systemy CAD w elektronice TS1C Opracował: dr inż. Andrzej Karpiuk Białystok 2013

2 1. Wyznaczyć, wyświetlić na ekranie i zapisać punkt pracy tranzystora (Bias Point Detail): U CE = I C = I B = Dodatkowo: zapisać wartość napięcia na kolektorze U C = Porównać wartość prądu bazy z prądem dzielnika R1 R2 Czy punkt pracy tranzystora jest dobrany prawidłowo, jeżeli tranzystor ma pracować w układzie wzmacniacza? 2. Na wejście wzmacniacza podać przebieg sinusoidalny o amplitudzie 15mV i częstotliwości 10kHz. Na osobnych wykresach przedstawić przebiegi wejściowy i wyjściowy (Transient). Zaobserwować przesunięcie fazowe przebiegów. Zwrócić uwagę na składową stałą przebiegu wyjściowego (z czym jest związana?) Obliczyć wzmocnienie napięciowe wzmacniacza jako stosunek przyrostu napięcia wyjściowego do przyrostu napięcia wejściowego (najłatwiej zmierzyć wartości międzyszczytowe). 3. Charakterystyki amplitudowe i fazowe wzmacniacza - analiza zmiennoprądowa (AC Sweep). 3.1 W źródle VSIN (poprzedni układ) ustawić wartość napięcia źródła dla analizy zmiennoprądowej (AC = 10 mv). Uruchomić analizę zmiennoprądową (AC Sweep) częstotliwość zmieniamy dekadowo: od 1Hz do 1GHz, 101pkt/dek.. Co zostało wykreślone? 3.2 Powtórzyć eksperyment z punktu 3.2 dla AC = 1000V. Wnioski? 3.3 Ustawić ponownie AC = 10 mv. Wykreślić: V(wy)/V(we). Charakterystyka przedstawia zależność modułu wzmocnienia napięciowego od częstotliwości. Zmierzyć kursorem wartość modułu wzmocnienia w pasmie przenoszenia (np. A V/V) i dodać linię 0.707*A. Punkty przecięcia charakterystyki wzmacniacza z dodaną linią wyznaczą częstotliwości graniczne (dolną i górną) wzmacniacza. Odczytać i zapisać wartości częstotliwości granicznych. 3.4 Wykreślić charakterystykę amplitudową: DB(V(wy)/V(we)) i fazową: P(V(wy)/V(we)). Wyznaczyć częstotliwości graniczne (-3dB). Zwrócić uwagę na wartości przesunięć fazowych: w środku pasma przenoszenia oraz przy częstotliwościach granicznych. 3.5 Wyznaczanie szerokości pasma przenoszenia (Bandwidth) za pomocą funkcji celowych (Goal Functions) Wykreślić V(wy)/V(we) Trace Goal Functions Bandwidth Eval Name of trace to serch : V(wy)/V(we) db level down for bandwidth calc : 3 LUB Wykreślić V(wy)/V(we) Trace Eval Goal Functions z prawego okna wybieramy funkcję Bandwidth(1, db_level) w miejsce 1 wstawiamy V(wy)/V(we), zaś zamiast db_level wstawiamy 3 2

3 3.6 Wyznaczanie częstotliwości granicznych za pomocą funkcji celowych (Goal Functions). Postępujemy analogicznie jak w punkcie 3.5. Funkcje: HPBW wyznacza dolną częstotliwość graniczną LPBW wyznacza górną częstotliwość graniczną 3.7 Badanie wpływu wartości C1 na charakterystyki amplitudowe (AC Sweep + Parametric). Ustawić zmianę wartości C1 od 0.1µF do 1 µf z krokiem 0.1µF. Wykreślić rodzinę charakterystyk amplitudowych (V(wy)/V(we)). Wykreślić zależność dolnej częstotliwości granicznej wzmacniacza od wartości C1: Trace Performance Analysis OK Trace Add z prawego okna HPBW(1, db_level). Jak wpływa zwiększanie wartości C1 na dolną częstotliwość graniczną wzmacniacza? 3.8 Wykreślić zależność modułu impedancji wejściowej wzmacniacza (stosunek napięcia wejściowego do prądu wejściowego, np. V(we)/I(C1)) od częstotliwości analiza zmiennoprądowa (AC Sweep). Wyjaśnić kształt charakterystyki w zakresie niskich częstotliwości. Wyznaczyć i zanotować wartość rezystancji wejściowej wzmacniacza w pasmie przenoszenia. Jak można oszacować wartość modułu impedancji wejściowej w pasmie przenoszenia? Wykreślić zależność części rzeczywistej impedancji wejściowej: R(V(we)/I(C1)) oraz części urojonej impedancji wejściowej: IMG(V(we)/I(C1)) od częstotliwości. 4. Porównanie pasma przenoszenia wzmacniacza dla wzmocnienia napięciowego, wzmocnienia napięciowego skutecznego oraz wzmocnienia prądowego. k k k u us i V(wy) V(we) = wzmocnienie napięciowe = = V(wy) V(Eg) I(Ro) I(C1) wzmocnienie napięciowe skuteczne wzmocnienie prądowe Określić i porównać wartości modułów wzmocnień. Wyznaczyć szerokość pasma przenoszenia dla każdego rodzaju wzmocnienia. 5. Wpływ rezystancji wewnętrznej źródła sygnału na charakterystyki wzmacniacza 5.1 Zbadać wpływ rezystancji wewnętrznej źródła sygnału (Rg) na wzmocnienie napięciowe i wzmocnienie napięciowe skuteczne. Przedstawić (na osobnych wykresach) moduły wartości obu wzmocnień w funkcji częstotliwości analiza zmiennoprądowa i parametryczna (AC Sweep + Parametric). Wartość Rg zmieniać od 100Ω do 2kΩ z krokiem 100Ω. 5.2 Przedstawić zależność modułu wzmocnienia napięciowego skutecznego od wartości Rg. - wykreślić: V(wy)/V(Eg) - Trace Performance Analysis OK Trace Add z prawego okna MAX(1) w miejsce jedynki wstawiamy: V(wy)/V(Eg) - zapisać wnioski 3

4 5.3 Przedstawić zależności dolnej i górnej częstotliwości granicznej wzmacniacza od wartości Rg. Zapisać zakres zmian wartości obu częstotliwości granicznych. 6. Wtórnik emiterowy (wzmacniacz w układzie WK). Szereg E24: Dobrać wartości rezystancji tak, aby zapewnić punkt pracy tranzystora: U CE = 7.5V (±0.2V) oraz I C = 1mA (±0.2mA). (Bias Point Detail) Prąd dzielnika R1-R2 powinien być znacznie większy od prądu bazy tranzystora. Wartości rezystancji dobierać z szeregu E Dobrać wartość pojemności C1 w taki sposób, aby dolna częstotliwość graniczna wzmacniacza dla wzmocnienia napięciowego i wzmocnienia napięciowego skutecznego była mniejsza od 1Hz. Analiza zmiennoprądowa i parametryczna (AC Sweep + Parametric). 6.3 Dołączyć pojemność C2 oraz obciążenie R0 = 10k. Dobrać wartość pojemności C2 w taki sposób, aby dolna częstotliwość graniczna wzmacniacza dla wzmocnienia napięciowego i wzmocnienia napięciowego skutecznego była mniejsza od 20Hz (sygnał wyjściowy mierzymy na obciążeniu). 6.4 Wykreślić charakterystyki amplitudowe i fazowe dla wzmocnienia napięciowego, wzmocnienia napięciowego skutecznego i wzmocnienia prądowego. Wyznaczyć częstotliwości graniczne. 6.5 Wykreślić moduł impedancji wejściowej wtórnika emiterowego w funkcji częstotliwości. Wyznaczyć i zanotować wartość rezystancji wejściowej wzmacniacza w pasmie przenoszenia. 4

5 7. Układ Darlingtona (wtórnik napięciowy). Podstawowe układy wzmacniaczy tranzystorowych Na rysunkach poniżej przedstawiono dwa sposoby zasilania bazy w układzie Darlingtona: a) sprawdzić i porównać punkty pracy tranzystorów w obu układach b) określić wartości: k u, k us, k i oraz R we w pasmie przenoszenia wzmacniaczy c) porównać wartości R we z wartościami rezystorów zastosowanych w obu układach d) wyjaśnić rolę kondensatora C3 e) dobrać wartości R1 i R2 w układzie po lewej w taki sposób, aby punkty pracy tranzystorów nie zmieniły się w sposób istotny, a R we w pasmie przenoszenia była zbliżona do R we układu po prawej; 8. Przykład wzmacniacza trzystopniowego. a) z jakich elementarnych stopni zbudowany jest wzmacniacz? b) jaka jest rola poszczególnych stopni? c) sprawdzić punkty pracy poszczególnych tranzystorów d) wykreślić charakterystyki amplitudowe i fazowe wzmacniacza Szacunkowe obliczenia najważniejszych parametrów tego wzmacniacza można znaleźć w [4]. Zachęcam do przeanalizowania rozwiązania Literatura: 1. Zachara Z., Wojtuszkiewicz K.: PSpice: przykłady praktyczne, MIKOM,

6 2. Zachara Z., Wojtuszkiewicz K.: PSpice: symulacje wzmacniaczy dyskretnych, MIKOM, Walczak J., Pasko M.: Zastosowanie programu SPICE w analizie obwodów elektrycznych i elektronicznych, Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Antoszkiewicz k., Nosal Z.: Zbiór zadań z układów elektronicznych liniowych, WNT, 1998 Materiały dydaktyczne przeznaczone dla studentów Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej. Do użytku wewnętrznego. 6