Wydział Fizyki UW (wer. 04-2017, opracował T. Słupiński z wykorzystaniem materiałów z Pracowni Elektronicznej WF UW) Pracownia fizyczna i elektroniczna dla Inżynierii Nanostruktur oraz Energetyki i Chemii Jądrowej C7n PFiE IN-EChJ Cel Ćwiczenie 7 Wzmacniacz tranzystorowy Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych własności tranzystora bipolarnego (typu npn), w tym wyznaczenie współczynnika wzmocnienia prądowego, wyznaczenie charakterystyk wyjściowych tranzystora I C (U CE ) - czyli zależności prądu kolektora I C od napięcia kolektor-emiter U CE dla różnych prądów bazy I (napięcia baza-emiter U E ), oraz dobór optymalnego punktu pracy dla wzmacniacza tranzystorowego o wspólnym emiterze. Charakterystyki I C (U CE ) w zależności od prądu bazy I (i napięcia baza-emiter U E ) będą rysowane na ekranie oscyloskopu w modzie wyświetlania XY. Na ich podstawie zostaną wyznaczone warunki optymalnej pracy wzmacniacza tranzystorowego (optymalny punkt pracy wzmacniacza), czyli optymalny prąd kolektora dla wzmacniacza. Następnie zostanie zbudowany wzmacniacz tranzystorowy oraz zostaną wyznaczone jego wzmocnienie napięciowe i wzmocnienie mocy. Wprowadzenie Tranzystor to trójelektrodowy element elektroniczny umożliwiający wzmacnianie lub przełączanie sygnałów elektrycznych. Od jego wynalezienia w roku 1948 rozpoczęła się era elektroniki półprzewodnikowej, w tym masowego przetwarzania informacji z wykorzystaniem układów scalonych, projektowanych do realizacji złożonych funkcji w obwodach elektronicznych i budowanych w oparciu o tranzystory (obecnie np. setki milionów tranzystorów w mikroprocesorze). Działanie tranzystora będziemy badać na przykładzie tranzystora bipolarnego npn typu C141. Jest to tranzystor średniej mocy (dopuszczalna moc U CE *I C 0.65W) o dopuszczalnym prądzie kolektora I Cmax = 1A oraz o dopuszczalnym napięciu kolektor-emiter U CEmax = 60V i granicznej częstotliwości pracy 50 MHz. 3 - EMITER (E) 1 - AZA () 2 - KOLEKTOR (C) Rys. 1. Schemat elektryczny tranzystora npn oraz widok obudowy tranzystora C141 z oznaczeniem wyprowadzeń. W obudowie tranzystora istnieje znacznik przy elektrodzie E. Działanie tranzystora bipolarnego (omówione tu na przykładzie npn) opiera się na dwu sąsiadujących ze sobą złączach p-n, baza-emiter (-E) i baza-kolektor (-C), przy czym złącze -E jest podłączane w kierunku przewodzenia, a złącze -C w kierunku zaporowym. Zasadniczą cechą budowy
tranzystora bipolarnego, która umożliwia działanie wzmacniające i przełączające tranzystora, jest niewielka grubość obszaru bazy (typu p w tranzystorze npn), na tyle mała, aby strumień elektronów, który będzie płynąć w złączu -E wywołany napięciem -E przekraczającym napięcie przewodzenia złącza p-n, zdołał być wstrzykiwany do obszaru kolektora typu n, czyli aby elektrony wstrzykiwane z obszaru emitera do obszaru bazy nie rekombinowały z dziurami w bazie, a płynęły dalej do obszaru kolektora. W ten sposób niewielkie zmiany napięcia baza-emiter -E wywołają duże zmiany prądu kolektor-emiter C-E. W obszarze bazy elektrony wstrzykiwane z emitera są nośnikami mniejszościowymi, zatem mogą żyć w obszarze bazy przez czasy rzędu dziesiątek lub setek nsek. aza geometrycznie musi być na tyle cienka, aby większość elektronów wstrzykiwanych z emitera docierała do kolektora. Jedynie niewielka część elektronów wstrzykiwanych z emitera (czyli tworzących prąd emitera I E ) rekombinuje w bazie i tworzy prąd bazy I, pozostała część dociera do obszaru kolektora i tworzy prąd kolektora I C. Dla tranzystora spełnione są relacje: I E I IC oraz IC I (1) gdzie nosi nazwę współczynnika wzmocnienia prądowego tranzystora, który jest zdefiniowany jako I / I, i określa jaka część prądu kolektora (i w przybliżeniu emitera) tworzy prąd bazy. Zwykle C wartość 10 1000, jest to w przybliżeniu stały dla danego tranzystora współczynnik (ale spada przy wzroście częstotliwości oraz przy dużych dla danego typu tranzystora prądach kolektora). W badanym przez nas przypadku tranzystora C141 współczynnik będzie wynosił około 100-200. Zgodnie z zasadami działania złącza p-n (np. Rys. 1 instrukcji ćwiczenia C6n dot. diody), w tranzystorze prąd emitera I E, równy w przybliżeniu prądowi kolektora I C, jest wyznaczony przez napięcie U E przyłożone do złącza -E. Obrazuje to Rys. 2 pochodzący z danych katalogowych przykładowego tranzystora npn typu C635. Rys. 2. Zależność prądu kolektora I C od napięcia złącza pn baza-emiter V E dla przykładowego tranzystora npn typu C635. Rys. 3. Zależność prądu kolektora I C od napięcia kolektor-emiter V E dla różnych wartości prądu bazy dla tranzystora npn C635. Zwiększając napięcie U E, czyli także prąd bazy I, prąd kolektora I C wzrasta proporcjonalnie do prądu bazy I - wzór (1). Tranzystor działa w taki sposób, że prąd kolektora jest proporcjonalny do prądu bazy, czyli zmieniając niewielki prąd bazy proporcjonalnie zmienia się znacznie większy prąd kolektora. W tym sposobie opisu tranzystor wzmacnia prąd. Wykorzystując tę cechę buduje się układy wzmacniaczy z tranzystorem, w których uzyskuje się również wzmocnienie napięcia, czyli w efekcie taki układ wzmacniacza daje wzmocnienie mocy - małe zmiany mocy w obwodzie wejściowym bazy wywołują duże zmiany mocy w obwodzie wyjściowym kolektora (opis ten dotyczy wzmacniacza ze wspólnym emiterem - wykład W2). Taki układ wzmacniacza będziemy budować i badać w niniejszym ćwiczeniu.
Dla ustalonego prądu bazy (także napięcia U E - Rys. 2), prąd kolektora I C, czyli prąd płynący między emiterem i kolektorem, jest w szerokim zakresie napięć kolektor-emiter U CE w przybliżeniu niezależny (dla niewielkich prądów kolektora) od napięcia U CE - Rys. 3. Tranzystor może więc działać jak źródło prądowe - prąd kolektora I C nie zależy (w przybliżeniu małych prądów I C ) od napięcia U CE > ~ 1V. Wykresy przedstawione na Rys. 3, czyli zależności I C od U CE dla ustalonego I (a więc i ustalonego U E ), noszą nazwę charakterystyk wyjściowych tranzystora. adanie tranzystora w tym ćwiczeniu zaczniemy od wyznaczenia podobnych charakterystyk do pokazanych na Rys. 2 i 3 oraz wyznaczenia współczynnika wzmocnienia prądowego dla tranzystora C141. Taki tranzystor będzie następnie użyty do zbudowania wzmacniacza. Złącze p-n posiada pojemność elektryczną (wykład W2 oraz Tabela 1 instrukcji do ćwiczenia C6n dot. diody). Powoduje to, że tranzystor traci swoje własności sterowania i wzmacniania sygnałów dla wysokich częstotliwości - złącze p-n zaczyna być przewodzące dla wysokich częstotliwości (jego impedancja maleje przy wzroście częstotliwości prądu). Dla zbudowania tranzystora o wysokich częstotliwościach pracy konieczne jest więc zmniejszenie pojemności złącz p-n tranzystora, co najprościej jest uzyskać zmniejszając geometryczne rozmiary tranzystora. Tendencja pracy z coraz większymi częstotliwościami sygnałów napędza więc miniaturyzację tranzystorów używanych np. w układach scalonych działających przy wysokich częstotliwościach (np. mikroprocesory - w których jednakże stosuje się tranzystory unipolarne CMOS, a nie bipolarne badane w tym ćwiczeniu - ale powód postępującej od lat miniaturyzacji jest podobny). adaniami zależności pracy tranzystora w funkcji częstości sygnałów nie będziemy się zajmować w tym ćwiczeniu. Wzmacniacz tranzystorowy (o wspólnym emiterze) dla prądów zmiennych uzyskuje się przykładając do bazy napięcie zmienne, dodatkowo oprócz napięcia stałego. Napięcia stałe stosuje się dla ustawienia wstępnych warunków pracy tranzystora, czyli w szczególności wartości prądu stałego kolektora oraz napięcia stałego na kolektorze. Ustalenie tych warunków napięć i prądów stałych nosi nazwę wyboru optymalnego punktu pracy wzmacniacza tranzystorowego. We wzmacniaczach w obwodzie kolektora stosowany jest opornik ograniczający prąd kolektora do wartości bezpiecznych dla tranzystora (ograniczający też moc pracy tranzystora poniżej dopuszczalnej dla danego typu tranzystora). Optymalny punkt pracy tranzystora we wzmacniaczu jest wyznaczony przez taki prąd kolektora, przy którym na kolektorze panuje napięcie równe połowie napięcia zasilania. Wtedy napięcie zmienne na kolektorze może wahać się od napięcia bliskiego 0, do napięcia bliskiego napięcia zasilania przy zachowaniu kształtu napięcia zmiennego podawanego do bazy. Można wtedy uzyskać największe wzmocnienie mocy sygnału (przy zachowaniu niezmienionego kształtu sygnału wyjściowego takiego jak sygnał wejściowy np. sinusoidalny, czyli bez wprowadzania zniekształceń sygnału wzmacnianego). Aparatura do wykonania ćwiczenia Płytka drukowana z dwoma gniazdami NC, tranzystor C141, oporniki 330kΩ, 200kΩ, 1.5kΩ, 20Ω, potencjometr 1MΩ, kondensatory 47nF i 1μF. Dwa mierniki uniwersalne (rymen 805), generator funkcyjny, oscyloskop 2 kanałowy (Tektronix TDS1002) lub 4 kanałowy, akcesoria pomocnicze (lutownica elektroniczna, kable łączeniowe, chwytaki pomiarowe, trójnik rozgałęziający NC). Wykonanie ćwiczenia Część pierwsza - zmierzenie charakterystyk tranzystora i wyznaczenie optymalnego punktu pracy 1) Zbudować układ pomiarowy według schematu z Rys. 4 poniżej. Do zasilania układu (kolektor tranzystora) wykorzystamy generator sygnałowy, podłączony jednocześnie do kanału CH1 oscyloskopu.
Do zasilenia bazy tranzystora napięciem U b (czyli uzyskania polaryzacji złącza -E w kierunku przewodzenia) wykorzystamy zasilacz regulowany napięcia stałego 0-20V. Jako mikroamperomierz stosujemy miernik uniwersalny ustawiony na odpowiedni zakres. Rys. 4. Schemat układu pomiarowego z tranzystorem C141. Opornik R2 w obwodzie emitera pełni rolę czujnika prądu emitera (mierzone napięcie na R2 jest proporcjonalne do prądu I E I C ). Jako amperomierz prądu stałego w obwodzie bazy wykorzystać miernik rymen. Miedzy bazą i emiterem tranzystora T1 podłączyć z użyciem chwytaków woltomierz napięcia stałego (drugi miernik rymen) dla pomiaru napięcia złącza E. 2) Generator skonfigurować tak, by generował przebieg piłokształtny o częstotliwości około 100 Hz i o napięciu zmieniającym się od 0 do 10 V. 3) Oscyloskop skonfigurować do pracy w trybie XY (przycisk Display --> XY). Wzmocnienie kanału CH1 i położenie wykresu w poziomie ustawić tak, aby na ekranie mieścił się cały zakres napięcia piłokształtnego 0-10V. Czułość w kanale CH2 (oś pionowa) najwygodniej jest ustawić na 20mV (lub 50mV) na działkę, wtedy dla opornika w obwodzie emitera o wartości 20Ω jedna działka skali ekranu odpowiada prądowi emitera o wartości 1 ma (lub 2.5 ma). Przesunąć wykres w pionie tak, by dla prądu I C = 0 ma wykres pokrywał się z najniższą kratką podziałki ekranu oscyloskopu. Zaobserwować rysowane na ekranie charakterystyki tranzystora (zależności prądu kolektor-emiter I C od napięcia kolektor-emiter U CE ) dla różnych wartości prądu bazy w zakresie I = 0-70μA. Taki zakres prądów bazy I uzyskuje się dla napięć stałych U b z zasilacza z zakresu ok. 0-20V. Uzyskane wykresy dla różnych wartości I powinny być podobne do przedstawionych na Rys. 3 powyżej. 4) Zmieniając napięcie zasilacza polaryzującego bazę tranzystora w zakresie U b = 0-20 V zebrać dane umożliwiające wykreślenie zależności prądu kolektora I C w obszarze płaskim (jak na Rys. 3 dla U CE > ~1-2 V) od prądu bazy I. Ze względu na duże wzmocnienie tranzystora można przyjąć, że prąd kolektora I C jest równy prądowi w obwodzie emitera I E U R2 / R2 (pominąć prąd bazy). Wartości prądów bazy I odczytywać z mikroamperomierza. Zmierzyć także wartość napięcia stałego baza-emiter U E dla każdej użytej wartości U b. 5) Pomiary najwygodniej jest robić ustawiając takie wartości U b, przy których obszar płaski charakterystyki I C (U CE ) pokrywa się z kolejnymi działkami na ekranie oscyloskopu w ten sposób można łatwo zebrać dane co np. 1 ma (lub 2.5 ma) prądu kolektora I C. 6) Wyznaczyć współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora rysując zależność odczytanych z oscyloskopu wartości prądu kolektora (z obszaru płaskiego I C (U CE ) ) w funkcji prądu bazy I - wykres zależności I C = f(i ) z dopasowaną linią prostą. Wykonać także wykres prądu kolektora I C w funkcji napięcia stałego U E, wykreślając prąd I C w skali logarytmicznej. Czy otrzymany wykres I C (U E ) pokazuje zależność jak z Rys. 1 oraz jak dla diody z ćwiczenia C6n?
7) W układzie z Rys. 4 dobrać doświadczalnie, zmieniając napięcie U b, taką wartość prądu bazy I, przy E której prąd kolektora I C będzie miał wartość równą, gdzie E = 10 V oraz R L = 1.5kΩ. 2 R L Odpowiada to sytuacji, w której do kolektora w układzie z Rys. 4 dołączylibyśmy opornik R L = 1.5kΩ i podłączyli go do napięcia zasilania E = 10V (jak na Rys. 5 poniżej) oraz chcielibyśmy, aby napięcie na kolektorze było równe połowie napięcia zasilania E/2 = 5V. Takie warunki wstępnej polaryzacji tranzystora napięciami stałymi będą stosowane w układzie wzmacniacza, który wykonamy w drugiej części ćwiczenia. Czyli w układzie z Rys. 4 chcemy znaleźć optymalny punkt pracy tranzystora dla obwodu wzmacniacza o wspólnym emiterze, zasilanego napięciem E = 10 V o wartości oporu w obwodzie kolektora R L = 1.5 kω. W optymalnym punkcie pracy napięcie kolektora tranzystora U CE jest równe połowie napięcia zasilania E (U CE = E/2 = 5V). Czyli z zależności U E R I (prawo Kirchoffa dla obwodu kolektora na Rys. 5 poniżej, czyli dla oczka: źródło CE L C zasilania E - opornik R L - końcówki C i E tranzystora T1 - masa) należy obliczyć taką wartość prądu kolektora I C, przy której będzie U CE = E/2. Dla wyznaczonej doświadczalnie wartości prądu bazy I dającego prąd kolektora IC E dla E = 2 RL 10V i R L = 1.5kΩ zmierzyć woltomierzem wartość napięcia U E. 8) Z pomiarów optymalnego I w punkcie 7 wyznaczyć przewidywaną wartość oporu R w układzie zasilania (polaryzacji) bazy tranzystora dla wzmacniacza z Rys. 5 poniżej, która da optymalną dla wzmacniacza wartość prądu stałego bazy. Opornik R polaryzujący bazę będzie podłączony bezpośrednio do napięcia zasilania wzmacniacza E, jak na schemacie z Rys 5 poniżej. Skorzystać z zależności: I ( E 0.65V ) / R, gdzie 0.65V to przybliżona wartość napięcia na złączu baza-emiter (dokładna wartość U E dla optymalnego punktu pracy została zmierzona w punkcie 7 ). Część druga - badanie własności wzmacniacza 9) Zbudować wzmacniacz o wspólnym emiterze z Rys. 5. Zasilanie wzmacniacza (napięcie stałe E = 10V) należy podłączyć poprzez gniazda radiowe płytki montażowej i przewody z wtyczkami bananowymi. Wejście i wyjście układu łączymy poprzez gniazda NC z kanałami CH1 i CH2 oscyloskopu. Na płytce montażowej wyjście z kondensatora C2 podłączyć do gniazda NC za pomocą lutowanego giętkiego przewodu, aby w punkcie 13 poniżej można było łatwo przelutować ten przewód do wejścia wzmacniacza lub do bazy tranzystora. Rys. 5. Schemat wzmacniacza o wspólnym emiterze. Wzmacniacz jest zasilany napięciem stałym E=10V. Do wejścia podłączymy sygnał sinusoidalnie zmienny z generatora o napięciu rządu mv, zmienny sygnał wyjściowy będziemy obserwować oscyloskopem w modzie YT. 10) Po zasileniu układu napięciem stałym E = 10 V zmierzyć za pomocą woltomierza napięcie kolektora tranzystora. Dobrać tak wartość oporności potencjometru (opornika regulowanego) R 1, aby napięcie to wynosiło U CE = E/2 = 5 V. W ten sposób osiąga się optymalny punkt pracy tranzystora w tym
wzmacniaczu. Na chwilę odlutować jedną nóżkę opornika R od bazy tranzystora i zmierzyć omomierzem ustawioną wartość oporu w układzie polaryzacji bazy (sumaryczną wartość oporności R +R 1 ). Porównać ją z wartością wyznaczoną w części pierwszej ćwiczenia (punkt 8). Przylutować nóżkę opornika z powrotem. 11) Podać na wejście układu wzmacniacza sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1 khz i amplitudzie (pik-pik) około 50 mv. Porównać przebiegi sygnału wejściowego i wyjściowego. Jeśli przebieg wyjściowy jest zniekształconą sinusoidą, zmniejszyć amplitudę sygnału wejściowego. Zmieniając położenie suwaka potencjometru R 1 zaobserwować wpływ zmian punktu pracy tranzystora na kształt przebiegu wyjściowego. 12) Ponownie ustawić potencjometrem R 1 napięcie stałe kolektora bliskie 5V (bez sygnału zmiennego na wejściu wzmacniacza). Podać na wejście układu sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1 khz. Wyznaczyć charakterystykę amplitudową wzmacniacza U WY (U WE ) w całym zakresie amplitud wejściowych dających niezniekształcony sygnał wyjściowy. U WE oraz U WY oznaczają tutaj odpowiednio amplitudy (pik-pik) zmiennej składowej sygnału wejściowego i wyjściowego. Określić przedział amplitud U WE, dla których wzmacniacz pracuje liniowo (nie zniekształca sygnału sinusoidalnego). Dla tego przedziału wyznaczyć wzmocnienie wzmacniacza K U, dopasowując do danych doświadczalnych prostą typu U WY = K U U WE. 13) Ostatnim zadaniem ćwiczenia jest wyznaczenie wzmocnienia mocy takiego wzmacniacza. W tym celu na wyjściu wzmacniacza (między kondensatorem C2 i masą) dolutujemy opornik obciążenia R WY = 20Ω symulujący np. głośnik. Wyznaczymy moc wyjściową P WY prądu zmiennego na tym oporniku 2 UWY WY 2 RWY P mierząc oscyloskopem (w modzie sprzężenia AC) amplitudę napięcia zmiennego U WY (połowę napięcia pik-pik) na oporniku R WY. Aby wyznaczyć moc wejściową P WE prądu zmiennego z generatora należy wyznaczyć natężenie prądu zmiennego płynącego z generatora przez kondensator C1. W tym celu zmierzymy amplitudy napięcia zmiennego po obu stronach kondensatora C1. Aby to zmierzyć odlutujemy giętki przewód gniazda wyjściowego NC i podłączymy ten przewód kolejno po obu stronach kondensatora wejściowego C1. W ten sposób wyznaczyć różnicę U C 1 amplitud napięć (połowy napięć pik-pik) zmiennych o częstości f = ω/2π = 1kHz na kondensatorze C1. Natężenie prądu zmiennego płynącego przez kondensator C1 wyznaczamy ze wzoru: I / WE U C1 ZC1 gdzie Z C 1 1/( C1) jest zawadą (modułem impedancji) kondensatora. Moc wejściową P WE prądu zmiennego z generatora wyznaczamy ze wzoru (dla prądu sinusoidalnie zmiennego, zaniedbując przesunięcie fazowe napięcie - prąd): 1 P 2 U I, gdzie U GEN jest amplitudą napięcia zmiennego (połową napięcia pik-pik) z WE GEN WE generatora. Poszukiwane wzmocnienie mocy K P wyznaczamy z relacji: K P PWY / PWE. Wyznaczone tak wzmocnienie mocy, znacznie większe od 1, udowodni, że tranzystor umożliwia wzmacnianie sygnałów zmiennych. Fakt ten stanowi podstawę użyteczności tranzystora.