LAORATORIUM ELEKTRONIKI ĆWIZENIE 2 ELEMENTARNE UKŁADY ELEKTRONIZNE (Wzmacniacz i inwerter na tranzystorze bipolarnym) K A T E D R A S Y S T E M Ó W M I K R O E L E K T R O N I Z N Y H
EL ĆWIZENIA elem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z elementarnymi układami elektronicznymi z tranzystorami bipolarnymi wzmacniaczem i inwerterem. W ćwiczeniu badane są właściwości wymienionych układów oraz praca tranzystora w tych układach. 1. WPROWADZENIE 1.1 Tranzystor bipolarny Tranzystor bipolarny to monokrystaliczna, półprzewodnikowa (z reguły krzem) struktura trójwarstwowa przemiennie domieszkowana, a więc dwuzłączowa. Możliwe są dwie realizacje: tranzystor NPN i PNP (N przewodnictwo elektronowe, P dziurowe odpowiednich obszarów). Obecnie dominującym typem tranzystora bipolarnego jest tranzystor NPN i taki tranzystor badany jest w niniejszym ćwiczeniu. Z tego powodu, w dalszej części instrukcji, omawiany będzie tylko ten typ tranzystora (określany krótko terminem tranzystor, a w domyśle tranzystor bipolarny NPN). Przekrój poprzeczny (schematycznie) indywidualnego tranzystora przedstawia Rys.1a, symbol graficzny (z oznaczeniami prądów i napięć) zamieszczono na Rys.1b, natomiast Rys.1c przedstawia układową reprezentację stałoprądowego modelu tranzystora. Rys.1. ipolarny tranzystor NPN: a) przekrój poprzeczny, b) symbol graficzny, c) układowy, stałoprądowy model tranzystora Na Rys.1 przyjęto następujące oznaczenia: a. baza, E emiter, kolektor (zaciski tranzystora), b. I, I E, I odpowiednio: prąd bazy, prąd emitera oraz prąd kolektora, c. V E, V, V E zaciskowe tranzystora, przy czym V E oznacza napięcia złącza aza Emiter (lub krótko emiterowego) oraz V E oznacza napięcia złącza aza Kolektor (kolektorowego), natomiast napięcie VE = VE V (1) to geometryczna (z uwzględnieniem znaków) suma napięć złączowych. 2
Zaznaczone na Rys.1 zwroty napięć złączowych są zgodne z ogólnie przyjętą konwencją przy dodatnim napięciu na złączu jest ono spolaryzowane w kierunku przewodzenia, ujemne zaporowa polaryzacja złącza. Stałoprądowy model tranzystora z Rys. 1c. zostanie omówiony dalej. W zależności od polaryzacji złącz rozróżnia się cztery zakresy/obszary pracy tranzystora: a. aktywny normalny złącze emiterowe przewodząco, kolektorowe zaporowo, b. nasycenia oba złącza w kierunku przewodzenia, c. odcięcia lub zatkania oba złącza w kierunku zaporowym, d. aktywny inwersyjny złącze emiterowe zaporowo, kolektorowe przewodząco. Tranzystory dowolnego typu (bipolarne, unipolarne) są elementami aktywnymi w odróżnieniu np. od diod. Oznacza to, że umożliwiają one sterowanie większej mocy (w obwodzie wyjściowym) mniejszą mocą (w obwodzie wejściowym). Tranzystory często opisywane są jako czwórniki. Tranzystor (element trójzaciskowy) traktowany jako czwórnik, musi mieć jeden z trzech zacisków wspólny dla wejścia i wyjścia. Jeżeli uznać, że obwody wejściowy i wyjściowy mogą stanowić dowolne kombinacje dwóch zacisków tranzystora, to wszystkich możliwych kombinacji jest 3=! 6. Jednak dla uzyskania wzmocnienia mocy wymagane jest, aby baza była jedną z końcówek wejściowych, a kolektor jedną z końcówek wyjściowych, co ogranicza liczbę racjonalnych konfiguracji tranzystora do trzech. Są to konfiguracje: W wspólna baza, wspólny emiter i W wspólny kolektor Rys. 2. Rys. 2. Konfiguracje tranzystora Przedstawiony na Rys.1c układowy, stałoprądowy model tranzystora dotyczy konfiguracji W dla wszystkich czterech zakresów pracy. Jak z tego rysunku wynika, prąd dowolnego złącza tranzystora ma dwie składowe: a. prąd własny złącza prądy diod D E i D, b. prądy zbierane prądy źródeł sterowanych α I i α I. N DE N D Prądy własne złącz są opisane zależnością typu I I ( V V ) = exp / 1, gdzie I, D V D V potencjał termiczny (dla D S D T prąd i napięcie złącza, I S prąd nasycenia złącza (parametr), T temperatury pokojowej około 300K, V ~ 25mV T ). Prądy zbierane źródła sterowane, opisują wzajemne oddziaływania złącz tranzystora, a ich współczynniki sterowania α N, α I noszą nazwę zwarciowych współczynników wzmocnienia prądowego, odpowiednio dla kierunku normalnego i inwersyjnego. Należy odnotować, że ze względu na eksponencjalną zależność prądu złącza od jego napięcia, stałoprądowy model tranzystora jest silnie nieliniowy. Ze stałoprądowego modelu tranzystora można wyprowadzić charakterystyki statyczne tranzystora dla jego dowolnej konfiguracji. W ćwiczeniu harakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego były one badane dla konfiguracji wspólnego emitera. 3
Główne zastosowanie tranzystorów (bipolarnych, unipolarnych) to wzmacnianie sygnałów (wzmacniacz) i przełączanie układów (inwerter, który można traktować jako najprostszy układ cyfrowy). Najprostszą wersję obu układów można opisać jednym układem przedstawionym na Rys.3a> Natomiast Rys.3b przedstawia stałoprądowy model tranzystora w układzie, ale tylko dla zakresu aktywnego normalnego (w odróżnieniu od modelu dla W z Rys.1c, opisującego właściwości tranzystora dla dowolnego obszaru/zakresu pracy). Wykorzystując ten model można przeprowadzić analizę wzmacniacza z Rys.3a. Rys.3. Najprostsza wersja układu wzmacniacza i inwertera. a), stałoprądowy model tranzystora w dla zakresu aktywnego normalnego b) W zależności od typu układu (wzmacniacz lub inwerter) należy odpowiednio dobrać v t. W przypadku wzmacniacza musi ono zawierać składową źródło sterujące układ ( ) stałą i sygnałową w postaci ( ) sin( ω t) v = v t = V + V. (2) bb Powyższą zależność zapisano w ogólnie przyjętej konwencji mała litera określająca wielkość (w tym przypadku napięcie) z dużym indeksem oznacza wartość chwilową v t. Mała litera t w nawiasie okrągłym (oznaczająca zależność wielkości od wielkości ( ) czasu) jest opcjonalna może jej nie być. Wielkość V oznacza składową stałą (duża litera określająca wielkość z indeksem w postaci dużej litery). Natomiast symbol V bb oznacza amplitudę sygnału. W przypadku układu inwertera źródło sterujące układ powinno mieć charakter fali prostokątnej o odpowiedniej amplitudzie włączającej i wyłączającej tranzystor. Oczywiście dla każdego przypadku wzmacniacz/inwerter należy dobrać wartości rezystorów w bazie oraz emiterze według innych kryteriów. 1.2 Wzmacniacz Tranzystor pełniący funkcję elementu wzmacniającego (w układzie wzmacniacza) bezwzględnie musi pracować w zakresie aktywnym normalnym przewodząca polaryzacja złącza E i zaporowa złącza. Tylko ten zakres pracy tranzystora umożliwia wzmacnianie sygnałów. Dla prawidłowej pracy wzmacniacza ważne jest także ustawienie tak zwanego spoczynkowego punktu pracy odpowiednie wartości prądów i napięć stałych. Punkt pracy tranzystora (oraz wartości rezystorów) dobierany jest w zależności od przeznaczenia układu (np. największe wzmocnienie, najmniejsze zniekształcenia sygnału wyjściowego itp.). Zasadę pracy wzmacniacza z tranzystorem w konfiguracji wyjaśnia Rys.4. Pokazano tam przebiegi prądów i napięć tranzystora (ze składową stałą i sygnałową fala trójkątna) na tle charakterystyk statycznych tranzystora dla : wejściowa ( ) E wyjściowa I( V E) przy I = const. I V i 4
Rys.4. Zasada działania wzmacniacza z Rys.3a Pokazane na Rys.4. czasowe przebiegi prądów i napięć tranzystora dostarczają wielu ważnych informacji o pracy tranzystora i całego układu np. liniowość, dopuszczalny przedział zmian amplitudy sygnału sterującego, wydzielana w nim moc itp. W układach wzmacniających ważna jest także znajomość tzw. charakterystyk częstotliwościowych głównie zależność modułu amplitudy sygnału wyjściowego układu w funkcji częstotliwości. Każdy element półprzewodnikowy (dioda, tranzystor) jest elementem inercyjnym ma wbudowane pojemności. Tak więc właściwości elementu półprzewodnikowego, a więc i całego układu, zależą od częstotliwości przy jakiej on pracuje. Oczywiście dla małych częstotliwości pojemności należy traktować jako rozwarcie i wtedy tranzystor w przybliżeniu jest elementem bezinercyjnym. W miarę wzrostu częstotliwości sygnału wejściowego układu coraz bardziej ujawniają się pojemności układu prowadzące do zmniejszania się amplitudy sygnału wyjściowego, a więc spadku wzmocnienia układu. W analizie częstotliwościowej układu wzmacniacza, zwanej także analizą małosygnałową, należy stosować małosygnałowy model tranzystora. Taki model wyprowadza się z stałoprądowego modelu tranzystora dla zakresu aktywnego, gdyż jak wspomniano tylko ten zakres pracy tranzystora umożliwia wzmacnianie sygnałów. Rys.5 przedstawia małosygnałowy model wzmacniacza z Rys.3a z małosygnałowym modelem tranzystora zacieniowany prostokąt. Usuwając pojemności e złącza emiterowego i c kolektorowego, z przedstawionego na Rys.5 małosygnałowego modelu tranzystora otrzymuje się model tranzystora dla tzw. małych częstotliwości m.cz. Dla m.cz. małosygnałowy model tranzystora jest modelem o dwóch parametrach r be i g m, a wartości tych parametrów zależą od spoczynkowego punktu pracy tranzystora w sposób następujący r V T be =, (3) I g I m =. (4) VT 5
Rys.5 Małosygnałowy model wzmacniacza z Rys.3a Należy odnotować, że małosygnałowy model tranzystora jest modelem liniowym (w odróżnieniu od stałoprądowego modelu tranzystora). W przypadku m.cz. (bez pojemności) małosygnałowy model tranzystora opisują zależności V V = r I, (5) be be b = β I R = ig R V, (6) ce N b m be z kórych można wyznaczyć wzmocnienie napięciowe K u Vce Ku = = gm R. (7) V be Powtarzający się w powyższych zależnościach znak to konsekwencja przyjętych zwrotów prądu kolektora i napięcia kolektor emiter. Fizycznie oznacza to, że wzmacniacz z tranzystorem pracującym w dla m.cz. odwraca fazę o 180 przy wzroście napięcia wejściowego maleje napięcie wyjściowe. Jak już wspomniano, w miarę wzrostu częstotliwości sygnału wejściowego ujawniają się pojemności układu prowadzące do spadku wzmocnienia napięciowego. Przykładową tzw. charakterystykę amplitudowo fazową wzmocnienia napięciowego wzmacniacza zależność modułu wzmocnienia i przesunięcia fazy w funkcji częstotliwości przedstawiono na Rys.6. Rys.6. Przykładowa charakterystyka amplitudowo fazowa wzmacniacza, MK u i FK u moduł i faza wzmocnienia napięciowego 6
1.3 Inwerter Zasadę pracy inwertera najprościej wyjaśnić na przykładzie jego uproszczonej realizacji Rys.6a. Przy wyłączonym (rozwartym) kluczu (odpowiednia wartość napięcia wejściowego v ) przez rezystor obciążenia R L prąd nie płynie ( i L = 0), a więc nie ma na nim spadku napięcia, w związku z czym vwy = VZAS. Przy włączonym (zwartym) kluczu i > 0 (jeżeli rzeczywiście klucz charakteryzuje się zerową rezystancją w stanie włączenia) L nie ma na nim spadku napięcia, przez co v WY = 0. Konfrontując powyższe uwagi z definicjami zakresów pracy tranzystora (i wynikającymi z nich właściwościami elementu) wynika, że na tranzystorze bipolarnym można zbudować inwerter. W zakresie odcięcia (przy zaporowej polaryzacji obu złącz) zapewnione jest rozwarcie pomiędzy zaciskami tranzystora. Natomiast przy przewodzącej polaryzacji obu złącz, przyjmując dodatkowo VE = VE, następuje zwarcie kolektora z emiterem V = V V 0. E E Rys.7. Inwerter: a) uproszczony schemat układu; uproszczone modele tranzystora w, dla zakresu: odcięcia b), aktywnego normalnego c) nasycenia d); charakterystyki wynikające z uproszczonych modeli tranzystora: wejściowa e) wyjściowa f) Najprościej analizę pracy inwertera przeprowadza się wykorzystując uproszczone modele tranzystora dla Rys.7b dla zakresu odcięcia, Rys.7c dla zakresu aktywnego normalnego i Rys.6.d dla zakresu nasycenia. Wynikające z tych uproszczonych modeli tranzystora charakterystyki: wejściową ( ) E I V i wyjściową ( ) I V przedstawiono na E Rys.7e i 7f. Porównanie tych charakterystyk z odpowiednimi charakterystykami z Rys.4 pokazuje ich zgodność, która w wielu przypadkach jest wystarczająca dla analiz prostych układów, w tym inwertera. Właściwości inwertera najlepiej opisuje tzw. jego napięciowa charakterystyka przenoszenia ( ) WY v v. Poniżej zostanie przeprowadzona analiza tej charakterystyki. 7
Założenia wejściowe: a. schemat układu przedstawiony został na Rys.3a, w dalszych rozważaniach źródło sterujące bazę tranzystora nosi nazwę v, b. napięcie zasilania układu V = 5V, rezystancja R = 5kΩ, a R = 1kΩ, c. tranzystor: β N = 100, V = 0.5V, V = 0.2V. Właściwa analiza: Dla napięć wejściowych I, I, I E = 0, a więc vwy = V. Dla napięć wejściowych E P EP E sat v < V tranzystor znajduje się w stanie odcięcia, przez co v > V zaczyna płynąć prąd bazy i wtedy obwód EP wejściowy (źródło napięciowe v, rezystor R i złącze E tranzystora (modelowane jako źródło napięciowe o stałym napięciu V E ) opisuje zależność P v = V + R I, (8) EP z której przy znanym v można wyznaczyć prąd bazy I. Należy podkreślić, że powyższa zależność obowiązuje zarówno dla zakresu aktywnego normalnego, jak i nasycenia, gdyż model złącza E w obu zakresach jest taki sam. Gdy v przekroczy wartość VE tranzystor wchodzi w zakres aktywny normalny, a p obwód wyjściowy opisuje zależność v = v = V R I = V R β I. (9) WY E N Jak wynika z powyższej zależności, w miarę wzrostu prądu kolektora czy bazy I, I (a więc i napięcia wejściowego układu v ) napięcie wyjściowe v WY (równe napięciu kolektor emiter tranzystora v E ) maleje. Górną granicę zakresu aktywnego normalnego wyznacza warunek v = V (parametr modelu tranzystora dla zakresu nasycenia). Zatem dla WY Esat wyznaczenia kolejnego punktu załamania napięciowej charakterystyki przenoszenia inwertera należy z zależności (9), przy warunku v = V, wyznaczyć graniczną wartość prądu bazy WY Esat I. Następnie z zależności (8) należy wyznaczyć ( ) gr gr gr v I. Rys.8. Napięciowa charakterystyka przenoszenia inwertera 8
Po wejściu tranzystora w zakres nasycenia, a więc dla napięć bazy v > v, nadal narasta prąd I (zgodnie z zależnością (8)). Natomiast stały pozostaje prąd kolektora V VE I sat = I = oraz napięcie wyjściowe układu v max WY = VE. Przy podanych w sat R założeniach wejściowych danych liczbowych I gr = 48µ A, v gr = 0.74V, I = 4.8mA. max Tak wyznaczoną napięciową charakterystykę przenoszenia inwertera przedstawia Rys.8. 2. ZADANIA gr 2.1. Pomiar charakterystyk wzmacniacza Ustawienie punktu pracy 1. Na płytce TM1 zmontować układ z R = 91kΩ i R = 1kΩ. Rys.9. Układ wzmacniacza, wersja stałoprądowa 1. Tranzystor zamontować na węzłach 24, 22, E 21, natomiast rezystory R = 91kΩ na węzłach (14, 13), a R = 1kΩ na (16,17). 2. Podłączyć woltomierze (METEX y) w celu pomiaru: napięcia wejściowego V 1 (węzły 2,1), napięcia baza-emiter V2 = VE (węzły 19,20) oraz napięcia kolektor-emiter V3 = VE (29,30). 3. Włączyć napięcie zasilania +15V, zmierzyć METEX em jego wartość, zanotować V zas. 4. Wyregulować potencjometrem RZN, żeby napięcie węzła 3 względem masy wyniosło V = 7.5V, po regulacji nie dotykać potencjometru!!! E 5. Zanotować wskazania wszystkich trzech mierników V 1, V 2, V 3 6. Wyłączyć METEX y. Dołączenie składowej zmiennej 7. Do gniazda N (połączonego na płytce z węzłami 9,12) podłączyć generator funkcyjny G432. Wybrać sygnał sinusoidalny generatora, częstotliwość sygnału ustawić na 1kHz. W generatorze wybrać wyjście z regulowaną amplitudą (wyjście N). Skokową regulację amplitudy ustawić w pozycji 0.01, a płynną na MAX. Tak ustawiony generator ma na swoim wyjściu sygnał sinusoidalny 1kHz o amplitudzie 50mV. 9
8. Zamontować elektrolityczny kondensator 22µF: + do węzła 7, do węzła 14. Pomiar składowej stałej i zmiennej 9. Do węzłów 2 = aza i 3 = Kolektor tranzystora podłączyć oscyloskop odpowiednie gniazda N związane z tymi węzłami. Pomierzyć oscyloskopem składową stałą i zmienną napięć v E i v E tranzystora. Przy pomiarach tych napięć korzystać z wejść oscyloskopu dla składowej stałej (D) i zmiennej (A), odpowiednio do mierzonej wielkości. Oszacowanie zniekształceń 10. Zmienić sygnał generatora z sinusoidy na falę trójkątną. Zwiększać amplitudę sygnału aż do wystąpienia zniekształceń przebiegu v E, zanotować wynik pomiaru. Zmierzyć i zanotować największą wartość amplitudy napięcia z generatora, dla której jeszcze nie występują zniekształcenia U max. Pomiar charakterystyki amplitudowej wzmacniacza 11. Wrócić na sinusoidalny sygnał generatora. Dla amplitudy napięcia generatora U max pomierzyć wzmocnienie napięciowe wzmacniacza K = V / V. u ce be 12. Zmierzyć amplitudową charakterystykę przenoszenia wzmacniacza ( ) ce 2.2. Pomiar charakterystyk inwertera V f. 1. Odłączyć zasilanie od płytki TM1. Usunąć z układu elementy związane z generatorem (kondensator, kable koncentryczne) i zamienić rezystor w bazie z R = 91kΩ na R = 5kΩ, rezystor kolektorowy pozostaje bez zmian tj. R = 1kΩ. Podłączyć napięcie zasilania układu na +5V. Pomiar charakterystyki przenoszenia inwertera 2. W tak zmodyfikowanym układzie zmierzyć napięciową charakterystykę przenoszenia inwertera rejestrować napięcia węzłów 1, 2 i 3 V 1, V 2 i V 3. Napięcie V 1 to napięcie wejściowe inwertera, a V 3 wyjściowe. Pomiary przeprowadzić dla napięć wejściowych w przedziale: 0 Vzas. W trakcie pomiarów zidentyfikować wartość napięcia V2 = VE, dla której nastąpi zauważalny spadek napięcia wyjściowego inwertera VWY = VE. Pomiar czasów włączenia i wyłączenia inwertera 3. Zmienić na płytce TM1 pozycję rezystora R węzły (8, 13). Do węzłów 1 i 3 podłączyć oscyloskop. Do gniazda N (połączonego na płytce z węzłami 9,12) ponownie podłączyć generator funkcyjny G432. Tym razem wybrać sygnał z generatora w postaci fali prostokątnej o maksymalnej amplitudzie skokowe i płynne regulacje ustawić na Max. Składową stałą fali prostokątnej również ustawić na Max w tych warunkach generator daje falę prostokątną o amplitudzie 5V sprawdzić to oscyloskopem. Dla małej częstotliwości rzędu 1kHZ (lub innej podanej przez prowadzącego) odszkicować napięcie wejściowe i wyjściowe inwertera i pomierzyć czas włączenia i wyłączenia inwertera. 4. Zbadać właściwości układu w funkcji częstotliwości. 10