Cel wiczenia WZMACNIACZ NAPI CIOWY Z TRANZYSTOREM BIPOLARNYM praktyczne wykorzystanie wiadomo±ci do zaprojektowania wzmacniacza jednotranzystorowego dla danych warto±ci: skutecznego wzmocnienia napi ciowego i amplitudy sygnaªu wyj±ciowego, nabycie umiej tno±ci montowania wzmacniacza jednotranzystorowego, do±wiadczalne wyznaczanie warto±ci skutecznego wzmocnienia napi ciowego i charakterystyki przej±ciowej wzmacniacza, do±wiadczalne wyznaczanie charakterystyki amplitudowej wzmacniacza napi ciowego maªych sygnaªów, badanie zale»no±ci parametrów wzmacniacza od parametrów jego elementów. 1 Opis badanego ukªadu Schemat wzmacniacza napi ciowego z tranzystorem bipolarnym typu NPN, który mo»e by zmontowany i zbadany w laboratorium przedstawiono na rys. 1 Jego elementy peªni nast puj ce funkcje. Rysunek 1: Schemat ideowy wzmacniacza napi ciowego z tranzystorem bipolarnym. 1
T tranzystor bipolarny typu NPN. Jest to element aktywny, którego wªa±ciwo±ci jest prawie liniowa zale»no± mi dzy pr dem kolektora a pr dem bazy (wspóªczynnik proporcjonalno±ci β 0 ma warto± du»o wi ksz od 1) oraz wykªadnicza zale»no± mi dzy pr dem kolektora a napi ciem baza-emiter. Dla niewielkich zmian warto±ci napi cia u BE wokóª ustalonego punktu pracy mo»na przyj,»e zale»no± i C = f(u BE ) jest liniowa. To przybli»enie jest podstaw zastosowania tranzystora do liniowego wzmacniania sygnaªów elektrycznych. Dla ustalonej warto±ci napi cia U BE zmiana warto±ci napi cia u CE (lub u CB ) bardzo maªo wpªywa na warto± pr du kolektora (uwaga ta odnosi si oczywi±cie do normalnej, aktywnej pracy tranzystora w ukªadzie wzmacniacza). Dlatego dla umiarkowanych warto±ci rezystancji rezystora R C, rz du pojedynczych kω lub mniejszych, obwód kolektorowy tranzystora mo»e by traktowany jako idealne ¹ródªo pr dowe. Dla wi kszych warto±ci R C jest wskazane uwzgl dnienie istniej cej jednak zale»no- ±ci i C od u CE, na przykªad, przez wprowadzenie do modelu tranzystora rezystancji bocznikuj cej wspomniane idealne ¹ródªo pr dowe. Tranzystor pracuj cy w ukªadzie wzmacniacza liniowego musi mie wªa±ciwie ustalony punkt pracy. Pod poj ciem punktu pracy tranzystora bipolarnego rozumie si warto±ci jego pr du kolektora i napi cia kolektor-emiter w stanie statycznym (brak sterowania zmiennopr dowego). Warto±ci pozostaªych pr dów i napi wynikaj z charakterystyk statycznych tranzystora. R B1,R B2 rezystorowy dzielnik napi cia ustalaj cy potencjaª bazy tranzystora T. Na ogóª przyjmuje si zaªo»enie,»e warto± pr du pªyn cego przez rezystory nie obci»onego dzielnika jest znacznie wi ksza od warto±ci pr du bazy tranzystora T w ustalonym punkcie pracy. Wtedy mówi si,»e dzielnik jest sztywny, gdy» temperaturowe zmiany pr du bazy nie s w stanie w znacz cy sposób zmieni warto±ci napi cia wyj±ciowego dzielnika. Z punktu widzenia staªo±ci punktu pracy tranzystora dzielnik powinien by jak najbardziej sztywny, czyli powinien skªada si z rezystorów o mo»liwie maªych warto±ciach rezystancji. Lecz z drugiej strony, dzielnik o maªych warto±ciach rezystancji b dzie znacz co obci»aª ¹ródªo sygnaªu wzmacnianego, zmniejszaj c tym samym warto± wzmocnienia skutecznego wzmacniacza. Wybór rezystorów R B1, R B2 musi by wynikiem kompromisu mi dzy wspomnianymi przeciwstawnymi wymaganiami: du»ej staªo±ci punktu pracy i du»ego wzmocnienia ukªadu. R E rezystor emiterowy ustalaj cy (ª cznie z U ZAS( ) ) warto± pr du emitera (czyli warto± pr du kolektora) tranzystora T. Dla zaªo»onych warto±ci: pr du kolektora I C, potencjaªu bazy V B, napi cia baza-emiter U BEP i napi cia zasilania U ZAS( ) warto± jego rezystancji wyznacza si z zale»no±ci (1): R E V B U BEP U ZAS( ) I C (1) Rezystor ten wprowadza ujemne sprz»enie zwrotne dla pr du staªego. Ka»da bardzo powolna zmiana potencjaªu bazy tranzystora T powoduje prawie tak sam zmian potencjaªu jego emitera (gdy» warto± U BE zmienia si niezauwa»alnie nawet przy du»ych zmianach potencjaªu bazy). Napi cie efektywnie steruj ce tranzystorem jest ró»nic potencjaªu bazy i potencjaªu emitera, a potencjaª emitera jest 2
liniow funkcj pr du kolektora, czyli wielko±ci wyj±ciowej wzmacniacza. Tak wi c sygnaª proporcjonalny do sygnaªu wyj±ciowego pojawia si na wej±ciu wzmacniacza, co ±wiadczy o zaistnieniu sprz»enia zwrotnego. Dziaªanie sprz»enia zwrotnego jest w tym przypadku bardzo korzystne, gdy» przyczynia si do zmniejszenia temperaturowej niestaªo±ci punktu pracy tranzystora T. Dla danej warto±ci pojemno±ci kondensatora C E i dla cz stotliwo±ci f sygnaªu wej±ciowego takich,»e: 2πfC E max( 1 R E, I E 25 ), gdzie I E jest skªadow staª pr du emitera wyra»on w ma, kondensator C E mo»e by traktowany jako zwarcie dla skªadowej zmiennej pr du emitera. Je±li R e = 0, skªadowa zmienna pr du emitera pªynie przez kondensator C E do masy nie wytwarzaj c na nim»adnego znacz cego spadku napi cia, wi c rezystor R E nie wpªywa na warto± wzmocnienia ukªadu dla napi zmiennych. Dla bardzo maªych cz stotliwo±ci sygnaªu doprowadzanego do wej±cia uwidacznia si wpªyw kondensatora C E. Pojawia si skªadowa zmienna napi cia w w ¹le emiterowym, czyli przez rezystor R E pªynie skªadowa zmienna pr du o cz stotliwo±ci sygnaªu steruj cego. Mówimy,»e w ukªadzie pojawiª si sygnaª ujemnego sprz»enia zwrotnego. Wynikiem jego dziaªania jest zmniejszenie wzmocnienia napi ciowego ukªadu. Jest to na ogóª efekt szkodliwy, z którym walczy si metod zwi kszania warto±ci pojemno±ci kondensatora C E. Oczywi±cie usuni cie sygnaªu ujemnego sprz»enia zwrotnego przez zwi kszenie warto±ci pojemno±ci C E mo»e by skuteczne jedynie w przypadku wzmacniaczy o niezerowej warto±ci dolnej cz stotliwo±ci granicznej pasma przepustowego. Je±li w ukªadzie nie zastosowano w ogóle dwójnika R e, C E, na rezystorze R E pojawia si napi cie zmienne o warto±ci zbli»onej do warto±ci napi cia zmiennego doprowadzonego do bazy tranzystora T. Efektywna warto± napi cia zmiennego steruj cego zª czem baza-emiter jest wtedy wielokrotnie mniejsza od warto±ci napi cia wej±ciowego. Mówimy,»e rezystor R E wprowadza ujemne sprz»enie zwrotne dla sygnaªów zmiennych. Wzmocnienie napi ciowe ukªadu nie mo»e przekroczy warto±ci okre- ±lonej stosunkiem R C /R E. Uwaga praktyczna! Aby nie ogranicza znacz co dynamiki sygnaªu wyj±ciowego wzmacniacza, przy jego projektowaniu przyjmuje si zwykle (je±li ma to sens) R E 0, 1 R C. C E R e kondensator (na ogóª polaryzowany, elektrolityczny o du»ej warto±ci pojemno±ci) zwieraj cy skªadow zmienn pr du emitera. Wpªywa na przebieg charakterystyk cz stotliwo±ciowych wzmacniacza w zakresie maªych cz stotliwo±ci. rezystor emiterowy realizuj cy obwód lokalnego ujemnego sprz»enia zwrotnego. Zastosowanie tego rezystora powoduje zmniejszenie warto±ci wzmocnienia napi ciowego ukªadu, zwi kszenie staªo±ci tego wzmocnienia (mniejsza wra»liwo± warto±ci wzmocnienia na wymian tranzystora, wahania temperatury, napi zasilaj cych) oraz zwi kszenie warto±ci rezystancji wej±ciowej wzmacniacza. Zwykle stosuje si rezystory o warto±ciach rezystancji rz du setek Ω. Warto± wzmocnienia napi ciowego ukªadu z rezystorem R e R E nie mo»e by wi ksza ni» [V/V ], gdzie (R e + 25/I E ) I E skªadowa staªa pr du emitera wyra»ona w ma. Przy projektowaniu wzmacniacza badanego w laboratorium zaleca si przyj, w celu uproszczenia projektu, R e = 0. R C 3
R C C 1 C 2 R O R G rezystor kolektorowy. Warto± jego rezystancji wpªywa na warto± napi cia U CE (punkt pracy tranzystora) oraz na warto± wzmocnienia zmiennopr dowego wzmacniacza. Po±rednio, poprzez warto± wzmocnienia napi ciowego, wpªywa równie» na warto± górnej cz stotliwo±ci granicznej pasma przepustowego wzmacniacza (efekt Millera). Nale»y zwróci uwag,»e dla ustalonych warto±ci: pr du kolektora, napi zasilaj cych i potencjaªu bazy zwi kszanie warto±ci R C powoduje zwi kszanie wzmocnienia napi ciowego, zmniejszanie górnej cz stotliwo±ci granicznej oraz, pocz wszy od pewnej warto±ci, zmniejszanie dynamiki sygnaªu wyj±ciowego ( tzn. zmniejszanie u»ytecznej amplitudy sygnaªu wyj±ciowego). kondensator sprz gaj cy, sªu» cy do transmisji skªadowej zmiennej sygnaªu z generatora lub stopnia poprzedzaj cego dany wzmacniacz z równoczesn separacj staªopr dow wspóªpracuj cych ukªadów. Warto± pojemno±ci tego kondensatora w sposób znacz cy wpªywa na warto± dolnej cz stotliwo±ci granicznej ukªadu. kondensator sprz gaj cy, sªu» cy do transmisji skªadowej zmiennej sygnaªu z danego wzmacniacza do ukªadu obci»aj cego, symbolicznie reprezentowanego rezystorem R O, z równoczesn separacj staªopr dow wspóªpracuj cych ukªadów. Warto± pojemno±ci tego kondensatora wpªywa na warto± dolnej cz stotliwo±ci granicznej ukªadu. rezystor (lub ukªad) stanowi cy obci»enie wzmacniacza. Je±li warto± rezystancji R O jest porównywalna z warto±ci rezystancji R C, wpªywa ona na warto± wzmocnienia ukªadu, warto±ci jego górnej i dolnej cz stotliwo±ci granicznej. rezystor symuluj cy rezystancj ¹ródªa steruj cego, którym mo»e by generator sygnaªowy lub poprzedni stopie«wzmacniaj cy. Nie jest to element wzmacniacza, lecz przy obliczaniu skutecznego wzmocnienia napi ciowego projektowanego ukªadu niezb dna jest znajomo± jego warto±ci. Mo»e by równie» przydatny do eksperymentalnego wyznaczania warto±ci rezystancji wej±ciowej wzmacniacza. U ZAS(+) ¹ródªo dodatniego napi cia zasilaj cego. Cz sto oznacza si je symbolem U CC. U ZAS( ) ¹ródªo ujemnego napi cia zasilaj cego. Cz sto oznacza si je symbolem U EE. 1.1 Schemat zast pczy wzmacniacza Aby narysowa schemat zast pczy wzmacniacza dla skªadowych zmiennych potrzebne s modele wszystkich jego elementów. Zwykle rezystory i kondensatory traktuje si jako elementy zbli»one do idealnych, co w rozpatrywanym przypadku stosunkowo maªych cz stotliwo±ci sygnaªu wzmacnianego jest sensowne. Tak wi c rezystor rzeczywisty modeluje si elementem idealnym charakteryzuj cym si tylko rezystancj R, a kondensator rzeczywisty modeluje si elementem idealnym charakteryzuj cym si tylko pojemno±ci C. Ewentualne odst pstwa od idealno±ci (zale»no± podstawowego parametru od napi cia, temperatury, czasu) mo»na uwzgl dni na etapie komputerowej symulacji ukªadu. Najcz ±ciej stosowanym przy projektowaniu modelem tranzystora bipolarnego jest model mieszane π. Gdy projektuje si wzmacniacz o stosunkowo maªej warto±ci górnej cz stotliwo±ci granicznej i przeci tnych wymaganiach warto±ci rezystancji wej±ciowej i wyj±ciowej, upraszcza si peªny model tak,»e pozostaje tylko ¹ródªo sterowane 4
Rysunek 2: Schemat zast pczy wzmacniacza z rys. 1 z dodanym modelem ¹ródªa sygnaªu steruj cego o sem. E g i rezystancji wewn trznej R w. g m U b e, konduktancja g b e oraz pojemno±ci C jc i C e. Schemat zast pczy wzmacniacza z rys. 1, w którym wykorzystano bardzo uproszczony model tranzystora, pokazano na rys. 2. Element oznaczony na schemacie symbolem R B jest rezystorem o rezystancji R B = R B1 R B2, natomiast elementy modelu tranzystora wyznacza si z nast puj cych zale»no±ci: r b e = 1 = β 0 = 25 β 0 ; g m g eb I E /25, gdzie I E skªadowa staªa pr du g b e g eb I E emitera wyra»ona w ma. Z przedstawionego schematu nie da si uzyska prostych wzorów projektowych. Nale»y schemat jeszcze bardziej upro±ci. W tym celu zakres interesuj - cych nas cz stotliwo±ci sygnaªu wzmacnianego dzieli si na trzy podzakresy: maªych, ±rednich i du»ych cz stotliwo±ci. Przyjmuje si,»e dla sygnaªów o ±rednich cz stotliwo- ±ciach»adne elementy reaktancyjne nie wpªywaj na warto± wzmocnienia napi ciowego ukªadu. Zaªo»enie to sprawia,»e ze schematu zast pczego znikaj wszystkie pojemno±ci, przy czym pojemno±ci C 1, C 2 i C E zast puje si zwarciami, natomiast pojemno±ci C e i C jc usuwa si ze schematu (rozwarcia). Przyjmijmy równie», i» R e = 0, tzn. nie wyst puje lokalne ujemne sprz»enie zwrotne. Wtedy schemat zast pczy ukªadu przyjmie posta przedstawion na rys. 3, gdzie: R L = R C R O ; R b = R B r b e, R g = R G + R W. Rysunek 3: Schemat zast pczy wzmacniacza dla zakresu ±rednich cz stotliwo±ci. Z tego schematu mo»na uzyska wzór (2) na skuteczne wzmocnienie napi ciowe wzmacniacza dla ±rednich cz stotliwo±ci sygnaªów wzmacnianych: k us0 = U wy E g = R b R b + R g g m R L (2) Racjonalne wybranie warto±ci pojemno±ci kondensatorów C 1, C 2 i C E wymaga powi zania parametrów tych elementów z doln (3-decybelow ) cz stotliwo±ci graniczn wzmacniacza. W tym przypadku nale»y narysowa schemat zast pczy wzmacniacza dla 5
podzakresu maªych cz stotliwo±ci. W schemacie musz pojawi si wymienione kondensatory. Zostaª on przedstawiony na rys. 4 (R e = 0). Rysunek 4: Schemat zast pczy wzmacniacza dla zakresu maªych cz stotliwo±ci. Transmitancja ukªadu z rys. 4 jest funkcj 3-biegunow z dwoma zerami w zerze i jednym zerem o niezerowej warto±ci. Nie da si z niej w prosty sposób uzyska wzoru projektowego okre±laj cego warto± dolnej cz stotliwo±ci granicznej. Projektanci obchodz problem w ten sposób,»e "przydzielaj "ka»demu elementowi reaktancyjnemu pewn cz ± 3-decybelowego spadku wzmocnienia dla dolnej cz stotliwo±ci granicznej i obliczaj warto±ci pojemno±ci ka»dego kondensatora tak, jakby poza tym, aktualnie rozpatrywanym, kondensatorem nie byªo w ukªadzie innych kondensatorów. Powoduje to oczywi±cie powstanie bª dów, gdy» elementy reaktancyjne, zwªaszcza C 1 i C E, wzajemnie przesuwaj swoje bieguny, lecz w razie konieczno±ci mo»na skorygowa wyznaczone warto±ci pojemno±ci. W procesie projektowania potrzebne s staªe czasowe zwi zane z ka»dym elementem reaktancyjnym. Wyznacza si je ze schematu zast pczego w nast puj cy sposób: zast puje si zworami wszystkie kondensatory poza tym, dla którego wyznacza si staª czasow, patrz c z zacisków danego kondensatora (w stron reszty ukªadu) okre±la si rezystancj wyst puj c na tych zaciskach, iloczyn pojemno±ci danego kondensatora i rezystancji widzianej z jego zacisków stanowi poszukiwan staª czasow. Wyznaczone w ten sposób staªe czasowe dla kondensatorów z ukªadu przedstawionego na rys. 4 s równe ((3), (4), (5)): τ 1 = C 1 (R g + R b ) (3) [( ) ] Rg R B τ E = C E + r eb R E (4) β 0 τ 2 = C 2 (R C + R O ) (5) W podzakresie du»ych cz stotliwo±ci w schemacie zast pczym musz by uwzgl dnione wszystkie elementy reaktancyjne powoduj ce zmniejszanie warto±ci napi cia wyj- ±ciowego przy zwi kszaniu cz stotliwo±ci. 6
Rysunek 5: Schemat zast pczy wzmacniacza dla zakresu du»ych cz stotliwo±ci. B d to pojemno±ci C e i C jc modeluj ce procesy gromadzenia ªadunku we wn trzu tranzystora bipolarnego. Uproszczony schemat zast pczy ukªadu dla du»ych cz stotliwo±ci pokazano na rys. 5. Po przeksztaªceniu schematu (dopuszczalnym tylko dla pracy transmisyjnej wzmacniacza - efekt Millera) oraz po pomini ciu pojemno±ci o niewielkiej warto±ci, pojawiaj cej si na wyj±ciu ukªadu (jest to równoznaczne z usuni ciem drugiego bieguna transmitancji ukªadu), mo»na schemat zast pczy sprowadzi do postaci pokazanej na rys. 6, gdzie: C b = C e + C jc g m R L. Z tego schematu wynika,»e warto± górnej cz stotliwo±ci granicznej ukªadu jest okre±lona przez staª czasow τ b pojemno±ci C b i wynosi (6): f g(3db) = 1 2πτ b = 1 2π(R g R b )(C e + C jc g m R L ) (6) Rysunek 6: Schemat zast pczy wzmacniacza dla zakresu du»ych cz stotliwo±ci. 1.2 Projektowanie wzmacniacza Sposób projektowania wzmacniacza napi ciowego zale»y od wymaga«, które ten wzmacniacz ma speªnia. Zwykle nie udaje si osi gn warto±ci wszystkich zaªo»onych parametrów w jednym cyklu projektowym. Trzeba wykona kilka cykli projektowania. Zawsze pierwszym krokiem projektowym jest wybranie punktu pracy elementu nieliniowego, czyli tranzystora, i wyznaczenie parametrów elementów ustalaj cych wybrany punkt pracy. Nast pnym krokiem jest uzupeªnienie ukªadu elementami zapewniaj cymi uzyskanie zaªo»onej warto±ci wzmocnienia napi ciowego dla ±rednich cz stotliwo±ci. Potem oblicza si warto±ci parametrów elementów odpowiedzialnych za warto± dolnej cz stotliwo±ci granicznej i sprawdza si, czy ukªad speªnia wymagania dotycz ce warto±ci górnej cz stotliwo±ci granicznej. Pomocne przy projektowaniu wzmacniacza s materiaªy dodatkowe umieszczone na stronie www laboratorium. Znajomo± tych materiaªów jest obowi zkowa. 7
1.3 Projektowanie z symulacj a do±wiadczenie Bez w tpienia wspóªcze±nie stosowane symulatory ukªadów elektronicznych zmniejszyªy znacznie potrzeb do±wiadczalnej werykacji ukªadu w czasie projektowania. Jednak bardzo wskazane jest eksperymentalne wyznaczenie warto±ci parametrów ostatniej wersji ukªadu, która ma stanowi wzór do wykonania wªa±ciwego urz dzenia. Nie zawsze konstruktor potra przewidzie wszystkie puªapki z jakimi mo»e mie do czynienia w rzeczywistym ukªadzie. Niespodzianki sprawiaj zwªaszcza rezystancje i indukcyjno- ±ci ±cie»ek drukowanych, pojemno±ci monta»owe zmniejszaj ce szeroko± pasma ukªadu oraz pojemno±ci sprz gaj ce ze sob ró»ne punkty tego samego ukªadu lub innych, blisko umieszczonych ukªadów. Pojemno±ci sprz gaj ce mog powodowa samoistn generacj drga«w ukªadzie lub jego zatrza±ni cie si w jakim± stanie stabilnym, z którego nie ma wyj±cia. W sprawianiu kªopotów celuj ukªady analogowe. Znacznie lepiej zachowuj si ukªady cyfrowe. Do±wiadczony konstruktor ju» na etapie projektowania ukªadu jest w stanie przewidzie niektóre kªopoty, jakie ten ukªad mo»e sprawia. Mo»e wi c im zapobiega. Na przykªad, tranzystorowy wtórnik napi cia cz sto wzbudza si (czyli staje si generatorem) po doª czeniu do jego wej±cia elementu o charakterze pojemno±ciowym, którym mo»e by wspóªosiowy przewód poª czeniowy (kabel koncentryczny). Aby "uspokoi "taki wtórnik, wystarczy szeregowo z wej±ciem wª czy kilkudziesi cioomowy rezystor. Poniewa» wkªadka DWT1 sªu»y równie» do badania wtórników tranzystorowych, konieczne byªo wª czenie rezystorów 51Ω szeregowo z ka»dym jej wej±ciem i wyj±ciem. 2 Opis techniczny wkªadki DWT 1 Wygl d pªyty czoªowej wkªadki DWT1 pokazano na rys. 7, natomiast na rys. 8 i 9 pokazano wygl d pªytki drukowanej oraz schemat ideowy ukªadu elektrycznego, który stanowi wkªadka. Ze schematu wkªadki wynika,»e jest to zbiór 23 zacisków poª czonych tak, aby mo»liwe byªo zmontowanie prostego wzmacniacza z pojedynczym tranzystorem bipolarnym lub polowym. Mo»liwa jest realizacja wzmacniacza napi ciowego z tranzystorem bipolarnym typu NPN lub PNP w ukªadzie ze wspólnym emiterem lub wspólnym kolektorem oraz wzmacniacza napi ciowego ze zª czowym tranzystorem polowym z kanaªem N w ukªadzie ze wspólnym ¹ródªem lub wspólnym drenem. Mo»na równie» realizowa, wzmacniacze w ukªadach ze wspóln baz lub wspóln bramk, lecz wtedy nale»y zignorowa opis wej± i wyj± znajduj cy si na pªycie czoªowej wkªadki. Element aktywny, czyli tranzystor bipolarny lub polowy (lub bardziej skomplikowany trójnik zªo»ony z tranzystora i rezystorów) nale»y montowa mi dzy zaciskami Z9, Z10 i Z11. Pozostaªe zaciski nale»y wykorzysta stosownie do postaci schematu realizowanego ukªadu Rysunek 7: Pªyta czoªowa wzmacniacza. Opis elementowy umieszczony na pªytce drukowanej odnosi si do napi ciowego wzmacniacza z tranzystorem bipolarnym NPN, wkªadki DWT 1 z lokalnym ujemnym sprz»eniem zwrotnym i nie nale»y si nim sugerowa przy realizowaniu innych ukªadów wzmacniaj cych. Na pªytce drukowanej wkªadki s dwa przeª czniki suwakowe P 1 i P 2. Za pomoc 8
przeª cznika P1 wybiera si warto± napi cia doprowadzanego do zacisku wybra 0 V albo -15 V. Natomiast za pomoc przeª cznika doprowadzanego do zacisku Z22. mo»na P 2 ustala si warto± napi cia Mo»na ustali warto± +5 V albo +15 V. Rysunek 8: Wygl d pªytki drukowanej wkªadki DWT 1 Rysunek 9: Schemat ideowy wkªadki DWT 1 9 Z7;
3 Sprz t niezb dny do wykonania wiczenia DWT 1 wkªadka dydaktyczna wzmacniacza tranzystorowego, SR 1 wkªadka rozgaª ziacza sygnaªu ac (4 gniazda BNC poª czone równolegle), Na ka»dym stanowisku laboratoryjnym zawsze dost pne s nastepuj ce przyrz dy: generator funkcyjny GFG-3015, generator funkcyjny GFG-8255A, oscyloskop cyfrowy, dwa multimetry cyfrowe GDM-8246, miernik znieksztaªce«hm8027, podwójna rama z zasilaczami, Poza tym dost pne s w laboratorium: rezystory szeregu E24, kondensatory szeregu E6, zwory. 4 Zestawy parametrów dla cz ±ci projektowej wiczenia Nr PARAMETR zespoªu Tran- R g k us0 f d(3db) U m,wy min R O zystor [Ω] [V/V ] [Hz] [V ] [kω] 1 BC107 3400 70 ± 5 100 ± 10 1, 6 4, 7 2 BC107 3400 110 ± 10 190 ± 10 0, 6 10, 0 3 BC107 4000 140 ± 10 100 ± 10 2, 0 10, 0 4 BC107 4000 75 ± 5 80 ± 10 2, 0 5, 6 5 BC107 4800 110 ± 10 170 ± 10 2, 0 15, 0 6 BC107 4800 85 ± 5 75 ± 10 3, 0 15, 0 7 BC107 2800 120 ± 10 60 ± 10 3, 5 8, 2 8 BC107 5700 100 ± 10 50 ± 15 2, 0 12, 0 9 BC107 6900 75 ± 5 70 ± 10 1, 6 8, 2 10 BC107 6900 65 ± 5 45 ± 10 4, 6 15, 0 11 BC107 8300 70 ± 5 155 ± 10 1, 5 10, 0 12 BC107 8300 60 ± 5 95 ± 10 6, 0 18, 0 13 BC107 10100 35 ± 3 275 ± 10 5, 0 5, 6 14 BC107 10100 50 ± 5 90 ± 10 1, 0 4, 7 15 BC107 10100 30 ± 3 160 ± 10 4, 0 5, 6 16 BC107 10100 70 ± 5 330 ± 20 1, 5 22, 0 10
Uwagi do tabeli parametrów: R g = R G + R W + R i ; R W = 50Ω - jest to rezystancja wyj±ciowa generatora ; R i = 51Ω - jest to rezystancja rezystora dodatkowego (przeciwwzbudzeniowego), wlutowanego szeregowo z ka»dym wej±ciem (i wyj±ciem) wkªadki DWT1. U m,wy min - minimalna amplituda sygnaªu na wyj±ciu wzmacniacza; warto± wspóªczynnika znieksztaªce«nieliniowych sygnaªu wyj±ciowego o tej amplitudzie musi by mniejsza ni» 2%. BC107 - tranzystor bipolarny typu NPN. rednia warto± β 0 wynosi 240 5 Cz ± projektowa wiczenia 5.1 Z tabeli zawieraj cej zestawy parametrów tranzystorowego wzmacniacza napi ciowego dla cz ±ci projektowej wiczenia wybierz zestaw zgodny z numerem zespoªu, który stanowisz w grupie laboratoryjnej. Przepisz ten zestaw do konspektu. 5.2 Zaprojektuj wzmacniacz speªniaj cy wszystkie wymagania tworz ce Twój zestaw parametrów. Zaprojektowany wzmacniacz musi da si zrealizowa za pomoc wkªadki DWT 1 oraz elementów dost pnych w laboratorium. Ostateczny projekt wzmacniacza nale»y doª czy do konspektu. 5.3 Narysuj w konspekcie schemat ideowy zaprojektowanego wzmacniacza. Obok ka»- dego elementu napisz warto± jego parametru najbli»sz warto±ci otrzymanej w wyniku projektowania a równocze±nie zgodn z warto±ci wyst puj c w szeregu E24 w przypadku rezystorów, i w szeregu E6 w przypadku kondensatorów. Przygotuj schemat monta»owy wzmacniacza zrealizowanego we wkªadce DWT 1. 5.4 Przygotuj schemat blokowy ukªadu do pomiaru wzmocnienia napi ciowego skutecznego oraz charakterystyki przej±ciowej. Wykorzystaj przyrz dy wymienione w wykazie sprz tu niezb dnego do wykonania wiczenia. 5.5 Symulacja zaprojektowanego ukªadu. W miar swoich mo»liwo±ci przeprowad¹ symulacj zaprojektowanego ukªadu w celu sprawdzenia czy speªnia on zaªo»enia projektowe. Symuluj c ukªad mo»esz tak»e obliczy warto±ci parametrów mierzonych do±wiadczalnie. 6 Cz ± do±wiadczalna wiczenia 6.1 Monta» zaprojektowanego wzmacniacza i do±wiadczalne wyznaczenie punktu pracy u»ytego w nim tranzystora. 6.1.1 Wykorzystuj c wkªadk DWT1 oraz tranzystor, rezystory i zwory zmontuj zaprojektowany wzmacniacz. Nie montuj na razie kondensatorów elektrolitycznych. Ustaw we wªa±ciwych pozycjach przeª czniki P 1 i P 2. 11
6.1.2 Do zmontowanej wkªadki DWT 1, le» cej na blacie stoªu laboratoryjnego, doª cz napi cia zasilaj ce. Zmierz warto±ci napi zasilaj cych oraz napi staªych na elektrodach tranzystora. Wyznacz punkt pracy tranzystora. Zanotuj wyniki pomiarów i oblicze«. Je±li do±wiadczalnie wyznaczony punkt pracy tranzystora jest zbli»ony do punktu pracy otrzymanego w wyniku oblicze«, mo»esz kontynuowa wiczenie. W przeciwnym razie zastanów si nad jako±ci swojego projektu lub monta»u. Pami taj! Kondensatory elektrolityczne s elementami o ±ci±le okre±lonej polaryzacji; wª czone odwrotnie zostan albo rozformowane (aluminiowe) albo natychmiast zniszczone (tantalowe). 6.1.3 Wiedz c, jak warto± maj potencjaªy jednej okªadki ka»dego kondensatora (s to potencjaªy wyprowadze«tranzystora) oraz wiedz c,»e drugie okªadki wszystkich kondensatorów s na potencjale masy uzupeªnij ukªad wzmacniacza wªa±ciwie wª czonymi kondensatorami. Zaznacz polaryzacj kondensatorów na schemacie monta»owym wzmacniacza, je±li nie zrobiªe± tego dot d. 6.1.4 Porównaj punkt pracy tranzystora pracuj cego w rzeczywistym ukªadzie wzmacniacza z punktem pracy wyznaczonym w wyniku oblicze«. Wska» powody otrzymanych niezgodno±ci. 6.2 Werykacja projektu, czyli pomiar warto±ci skutecznego wzmocnienia napi ciowego zmontowanego wzmacniacza oraz charakterystyki przej±ciowej. 6.2.1 Poª cz ukªad pomiarowy zgodnie ze schematem blokowym, który przygotowaªe± realizuj c punkt 5.4 wiczenia. Dla wygody wkªadk DWT 1 mo»esz wsun w ram laboratoryjn. Ustaw cz stotliwo± sygnaªu wyj±ciowego generatora sygnaªowego tak, aby jej warto± mie±ciªa si w ±rodku podzakresu ±rednich cz stotliwo±ci pasma przepustowego wzmacniacza. Wyznacz j do±wiadczalnie, poszukuj c cz stotliwo±ci, dla której warto± napi cia wyj±ciowego, przy ustalonej warto±ci napi cia wej±ciowego, jest maksymalna. 6.2.2 Wyznacz warto± skutecznego wzmocnienia napi ciowego zmontowanego wzmacniacza i sprawd¹ jej zgodno± z warto±cia zadan. 6.2.3 Wyznacz charakterystyk przej±ciow wzmacniacza i zaobserwuj znieksztaªcenia sygnaªu wyj±ciowego. Sprawd¹, czy maksymalna amplituda sygnaªu wyj±ciowego nieznieksztaªconego jest wi ksza lub równa zadanej w projekcie. Je»eli nie to musisz rozpocz prace projektowe od pocz tku. 6.2.4 Problemy: a) Czy obwód wej±ciowy Twojego wzmacniacza (je±li R G + R i zostanie potraktowana jako cz ± rezystancji wewn trznej ¹ródªa sygnaªu) obci»a w sposób znacz cy wyj±cie generatora sygnaªu, do którego zostaª doª czony? Odpowied¹ uzasadnij. Jaka b dzie odpowied¹ na to samo pytanie, je±li R G + R i potraktujesz jako element wzmacniacza? 12
b) Czy uzyskaªe± zgodno± zaªo»onej warto±ci wzmocnienia skutecznego dla ±rednich cz stotliwo±ci z warto±ci zmierzon? Je±li s ró»nice, wyja±nij ich przyczyn. Je±li ró»nice s znaczne - zaprojektuj powtórnie wzmacniacz. c) Jak i dlaczego zmienia si ksztaªt sygnaªu na wyj±ciu wzmacniacza w miar zwi kszania jego warto±ci mi dzyszczytowej? 6.3 Pomiar dolnej i górnej cz stotliwo±ci granicznej charakterystyki amplitudowej wzmacniacza. Obserwacja odpowiedzi wzmacniacza na fal prostok tn dla cz stotliwo±ci granicznych. Pami taj! Zawsze przy pomiarach zwi zanych z charakterystykami cz stotliwo±ciowymi utrzymuj na staªym poziomie (sprawdzaj c na oscyloskopie) amplitud sygnaªu wej±ciowego. Dokonuj c pomiarów cz stotliwo±ci granicznych zwró uwag na wielko± przesuni cia fazy pomi dzy sygnaªem wej±ciowym a wyj±ciowym. Tu» po dokonaniu pomiaru ka»dej z cz stotliwo±ci granicznych zaobserwuj odpowied¹ wzmacniacza na fal prostok tn przy tej cz stotliwo±ci. 6.4 Badanie zale»no±ci parametrów wzmacniacza od parametrów jego elementów. 6.4.1 Zmieniaj kolejno po jednym elemencie ukªadu wzmacniacza, startuj c zawsze od konguracji podstawowej. Okre±l wpªyw modykacji ukªadu na parametry wzmacniacza: k us0, f d, f g. Wyniki wszystkich pomiarów notuj we wcze±niej przygotowanych tabelach. Nast pnie zestaw zmierzone (f d, f g ) i obliczone (k us0 ) warto±ci we wspólnej tabeli i skomentuj je. 6.4.2 Problemy: a) Co si dzieje z parametrami wzmacniacza przy zmianach warto±ci: rezystancji rezystora R C, rezystancji rezystora R E, pojemno±ci kondensatorów sprz gaj - cych, pojemno±ci kondensatora w obwodzie emitera? b) Która staªa czasowa decyduje o warto±ci dolnej cz stotliwo±ci granicznej zaprojektowanego wzmacniacza? 13