Tranzystory bipolarne. Właściwości wzmacniaczy w układzie wspólnego kolektora.

Transkrypt

1 I. Cel ćwiczenia ĆWICZENIE 6 Tranzystory bipolarne. Właściwości wzmacniaczy w układzie wspólnego kolektora. Badanie właściwości wzmacniaczy tranzystorowych pracujących w układzie wspólnego kolektora. II. Układ pomiarowy Wszystkie pomiary należy wykonać z wykorzystaniem makiety: Punkt pracy tranzystora bipolarnego przedstawionej na rysunku poniżej. Tranzystory: 1. BD243C 2. BC BF N3055 Rys. 1. Makieta Punkt pracy tranzystora bipolarnego Makieta wymaga zasilania z dwóch zasilaczy AC1 i AC2. Podczas wykonywania pomiarów należy pamiętać o nieprzekraczaniu dopuszczalnych wartości napięć i prądów.

2 III. Przebieg ćwiczenia 1. Wyznaczyć parametry robocze wzmacniacza pracującego w konfiguracji wspólnego kolektora OC, (R C = 0, R E 0, R B ) a) wyznaczyć analitycznie punkt pracy tranzystorów, do obliczeń przyjąć: napięcie zasilania U CC = 15V, napięcie na przewodzącym złączu B-E U BE = 0,7 V, β z charakterystyki przejściowej tranzystorów; R N = 0, obliczenia przeprowadzić dla wszystkich dostępnych wartości R B i R E ; b) na podstawie nachylenia dynamicznej prostej pracy oszacować wartość niezniekształconego napięcia wyjściowego, do obliczeń przyjąć R L = 910 Ω, c) do dalszej analizy wybrać układ o możliwie największej dynamice zmian napięcia wyjściowego, d) korzystając z informacji zawartych w punkcie IV analitycznie wyznaczyć podstawowe parametry robocze wzmacniacza (r we, r wy, k u, k us ), do obliczeń przyjąć: R G = 10 kω, R L = 910 Ω, parametry macierzy h e wyznaczone w ćwiczeniu 3, lub skorzystać z zależności 7 i 8 przedstawionych w instrukcji do ćwiczenia 3, punkt IV, przyjąć r bb = Pomiar podstawowych parametrów roboczych wzmacniacza pracującego w konfiguracji wspólnego kolektora a) ustawić położenie przełączników R C i R E tak, aby otrzymać wzmacniacz w konfiguracji wspólnego kolektora, b) przełącznikiem sterowanie układu wybrać generator zewnętrzy podłączony do bazy tranzystora przez pojemność, podłączyć do wejścia generator przez rezystor dekadowy symulujący rezystancję generatora R G = 10 kω, c) do wyjścia układu dołączyć rezystor obciążający (równolegle do rezystora R E przez pojemność) obciążalnik rezystancyjny R L = 910 Ω, d) wybrać napięcie zasilania wzmacniacza: U CC, rezystor R B, rezystor R E tak aby uzyskać założony w punkcie 1 punkt pracy. e) zmierzyć napięcie U CEQ i I EQ f) włączyć generator, częstotliwość pracy ustalić w paśmie przenoszenia wzmacniacza, g) regulując amplitudę sygnału z generatora określić wartość maksymalnej amplitudy sygnału wyjściowego, h) wyznaczyć wzmocnienie napięciowe wzmacniacza k u (napięcie wejściowe zmierzyć za rezystorem R G patrząc od strony generatora) i) wyznaczyć skuteczne wzmocnienie napięciowe wzmacniacza k us (napięcie wejściowe zmierzyć przed rezystorem R G patrząc od strony generatora), j) na podstawie znajomości k u i k us obliczyć rezystancję wejściową wzmacniacza (punkt IV zależność 13), k) wyznaczyć rezystancję wyjściową wzmacniacza r wy (punkt IV) l) porównać wyniki eksperymentalne z teoretycznymi.

3 IV. Podstawowe wiadomości niezbędne do wykonania ćwiczenia Konfiguracja OE daje najlepsze możliwości budowy wzmacniacza o dużym wzmocnieniu, jednak nie zawsze jest to najważniejszy parametr, czasami ważniejsze są inne szczególne właściwości, jak na przykład szerokie pasmo wzmacniacza, duża impedancja wejściowa, niewielka impedancja wyjściowa [1]. Wzmacniacz z tranzystorem w konfiguracji wspólnego kolektora (rys. 2) nazywany jest wtórnikiem emiterowym, ponieważ napięcie wyjściowe zbliżone jest do napięcia wejściowego (wtóruje mu). Rys. 2. Układ wzmacniacza tranzystorowego pracującego w konfiguracji wspólnego kolektora W zakresie małych i średnich częstotliwości analiza układu może być wykonana podobnie jak dla układu wspólnego emitera (OE), korzystając z macierzowego opisu tranzystora. Możliwe jest użycie macierzy h c, ale wygodniej korzystać z macierzy h e, której wartości są zazwyczaj publikowane w katalogach producentów [1]. Podstawowe parametry robocze wzmacniacza w układzie wspólnego kolektora przedstawiono poniżej: rezystancja wejściowa wzmacniacza: gdzie: rezystancja wyjściowa wzmacniacza: gdzie: =, (1) = h + h + 1, (2) = =, (3), (4) wzmocnienie napięciowe:! = # # $ # # $, (5) wzmocnienie napięciowe skuteczne: % & = h + 1 # '() * +,, (6) % &- = % & * + # * + = % &.. (7)

4 Ze względu na niewielka rezystancję wyjściową i dużą rezystancję wejściową wtórnik emiterowy nazywany jest niekiedy transformatorem impedancji, bo dostarcza praktycznie napięcie biegu jałowego źródła ze znacznie niższą rezystancją wewnętrzną [2]. Wybór punktu pracy jest realizowany podobnie jak w układzie wspólnego emitera z emiterowym sprzężeniem zwrotnym. Analityczne zależności pozwalające wyznaczyć punkt pracy tranzystora: I 0 = # 7, I 80 = 9 0 :, ; 8<0 = ; 88 = 9 80 <. (8-10) Poniżej przedstawiono sposób pomiaru rezystancji wejściowej i wyjściowej wzmacniacza. Pomiar rezystancji wejściowej wzmacniacza 1. Zwieramy rezystor R G (przewodem) modelujący rezystancję generatora, na wejście wzmacniacza podajemy sygnał z generatora o częstotliwości z zakresu częstotliwości średnich (np. 3 khz) i amplitudzie nie powodującej zniekształceń obserwowanego na oscyloskopie napięcia na wyjściu wzmacniacza (rys. 3). Rys. 3. Schemat układ do pomiaru rezystancji wejściowej wzmacniacza Następnie mierzymy wartość napięcia na wyjściu wzmacniacza U wy1. Napięcie wejściowe wzmacniacza, równe w tym przypadku sile elektromotorycznej generatora wyznaczamy z zależności: ; = >?@ >?@ # +ABC D E = F +A G H. (11) 2. Rozwieramy rezystancje R G i nie zmieniając amplitudy generatora ponownie mierzymy wartość napięcia na wyjściu wzmacniacza U wy2 : ; = >?@ >?@ # +ABC # D E = F +A G H. (12) 3. Z zależności 11 i 12 oraz znajomości relacji pomiędzy k u i k us otrzymujemy: = 6 I JH JHK 3 = EL. (13)

5 Pomiar rezystancji wyjściowej wzmacniacza Rezystancję wyjściową wyznaczamy traktując wyjście wzmacniacza, jako źródło napięcia U wy o rezystancji wewnętrznej r wy równej rezystancji wyjściowej wzmacniacza. Wykonujemy następujące pomiary: 1. Podłączamy rezystor obciążenia RL, podajemy na wejście wzmacniacza sygnał z generatora o częstotliwości z zakresu częstotliwości średnich (np. 3 khz) i amplitudzie nie powodującej zniekształceń obserwowanego na oscyloskopie napięcia na wyjściu (rys. 4). Mierzymy wartość napięcia wyjściowego U wy1. Rys. 4. Schemat układ do pomiaru rezystancji wyjściowej wzmacniacza ; = 6 M >?N 6 M ; % &. (14) 2. Odłączamy rezystancję obciążenia. Nie zmieniając amplitudy sygnału wejściowego mierzymy ponownie wartość napięcia na wyjściu wzmacniacza U wy2. 3. Wyznaczamy r wy : ; = ; % &. (15) = O 1?N 1?N =1P Q. (16) V. Pytania kontrolne 1. Parametry robocze wzmacniacza w układzie wspólnego kolektora. 2. Zastosowanie wtórników emiterowych w układach elektronicznych. 3. Wyznaczanie rezystancji wejściowej i wyjściowej wzmacniaczy tranzystorowych. Literatura 1. Z. Nosal, J. Baranowski, Układy elektroniczne cz. I. Układy analogowe liniowe, WNT Warszawa U. Tietze, Ch. Schenk, Układy półprzewodnikowe, WNT Warszawa A. Prałat [red.] laboratorium układów elektronicznych. Część II, Oficyna Wydawnicza PWr Wrocław A. Guziński, Liniowe elektroniczne układy analogowe, WNT Warszawa 1993