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. BC547 3. BF258 4. 2N3055 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.
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 = 0. 2. 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.
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)
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 = 1 2231 45 6 4 # 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)
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 1998 2. U. Tietze, Ch. Schenk, Układy półprzewodnikowe, WNT Warszawa 1996 3. A. Prałat [red.] laboratorium układów elektronicznych. Część II, Oficyna Wydawnicza PWr Wrocław 2001 4. A. Guziński, Liniowe elektroniczne układy analogowe, WNT Warszawa 1993