Laboratorium elektroniki i miernictwa Ćwiczenie T2

(1)

150946

Numer indeksu

Michał Moroz

Imię i nazwisko

151021

Numer indeksu

Paweł Tarasiuk

Imię i nazwisko

kierunek: Informatyka semestr 2 grupa II

rok akademicki: 2008/2009

Laboratorium

elektroniki i miernictwa

Ćwiczenie T2

Badanie wzmacniacza z tranzystorem bipolarnym w układzie WE i WK

Ocena:

(2)

Streszczenie

Sprawozdanie z ćwiczenia, którego celem było wyznaczenie właściwości wzmacniacza z tranzystorem npn w układzie wspólnego emitera oraz wspólnego kolektora.

1 Teoria

W tym rozdziale zostaną omówione pokrótce poszczególne zagadnienia związane z tematem przeprowadzanego ćwiczenia.

1.1 Podstawowe układy jednostopniowego wzmacniacza bipolarnego

Istnieją trzy podstawowe układy jednostopniowego wzmacniacza zbudowanego na podstawie tranzystora bipolarnego. Są to kolejno układy wspólnej bazy, wspólnego kolektora i wspólne- go emitera. Układy te w budowie różnią się wyprowadzeniem, które jest wspólne dla sygnału wejściowego oraz wyjściowego (jak podpowiada logika - w kolejności baza, kolektor oraz emi- ter). Każdy rodzaj układu charakteryzuje się innymi parametrami wzmocnienia prądowego i napięciowego.

Układ wspólnej bazy charakteryzuje się bardzo niską impedancją wejściową i w układach m.cz. można spotkać go w przedwzmacniaczach dla mikrofonów z ruchomą cewką. Ze względu na brak efektu Millera (polegającego na wzroście pojemności wejściowej układu w zależności od stopnia wzmocnienia oraz pojemności wyjściowej), układ ten można znaleźć najczęściej we wzmacniaczach w.cz.

Układ wspólnego kolektora charakteryzuje się wzmocnieniem napięciowym równym 1 (w rzeczywistości nieco poniżej jedności) i dużą impedancją wejściową, dzięki czemu dobrze spraw- dza się w formie separatora między poszczególnymi stopniami wzmacniacza. Dlatego dość czę- sto układy ze wspólnym kolektorem używane są w formie wtórnika emiterowego na wejściach wzmacniaczy.

Układ wspólnego emitera charakteryzuje się jednocześnie dużym wzmocnieniem napięcio- wym jak i prądowym, dlatego używany jest jako podstawowy układ wzmacniacza prądowego, zazwyczaj jako końcowe stopnie wzmacniaczy audio. Impedancja wejściowa takiego układu jest uzależniona od wzmocnienia – maleje gdy zwiększamy wzmocnienie.

2 Analiza wyników

Badany był układ T2-09. Do przeprowadzania wszystkich pomiarów wykorzystane zostały multimetry M–4650, nr J3/M/1 i J3/M/1/4, generator DF1641A, nr J3–T6–25 9/2, oscylo- skop GOS–630, nr J3–011–T6–57 oraz zasilacz MPS3003L–3, nr J3–011–T6–68.

Zanim zaczniemy analizować poszczególne układy, przedstawimy różne typy oscylogramów jakie zaobserwowaliśmy podczas pomiarów, do których będziemy mogli się odnosić w dalszej części sprawozdania.

(3)

3 Zaobserwowane oscylogramy

CH2 CH1

Rysunek 1: Sinusoida na CH1.

.

CH2 CH1

Rysunek 12: Inny oscylogram przebiegu T1 w silnym nasyceniu.

.

Warto zaobserwować jak zmienia się wygląd oscylogramów pomiędzy rysunkami 4 a 5. Nie mamy pewności czy nasze domysły są słuszne, ale uważamy przebieg z rysunku 5 za efekt tak

(9)

silnego nasycenia tranzystora, że jego powrót do stanu aktywnego wymaga tak wiele czasu, co powoduje złagodzenie przebiegu z 4. Nie znajdujemy innego wytłumaczenia zważywszy że oba oscylogramy udało nam się uzyskać w tej samej serii pomiarowej zmniejszając jedynie R_B1 w pierwszym układzie pomiarowym.

3.1 Pomiary układu WE

Wszystkie pomiary wzmacniacza z tranzystorem bipolarnym w układzie WE były przeprowadzane za pomocą układu przedstawionego na rysunku 13. W dodatku do informacji zawartych na schemacie, potencjometry R_B1 , R_B2 oraz R_L mają nastawę ”rozłączony”, a R_B1 i R_E mają nastawę ”zwarty”.

DF 1641A

2k4 1M 9k1 10k

1k2

VCC

GND GND

VCC

CH2+

CH2-

CH1+

CH1-

GND

GND GND

47k

* GND GND

G1

CS CL

RS AE

S

RB1 AE

S

RC AE

S

RL

AE

S

RE

T1

J1

J2

J3

J4

AE

S

RB2

CE

~

Rysunek 13: Schemat urządzenia pomiarowego do badania układu WE.

Pierwszy układ pomiarowy został pomniejszony o kondensator C_E (C_E = 0 F) i rezystor R_B2 (R_B2= ∞ Ω), a rezystor R_Ezostał ustawiony w pozycji ”zwarty” (R_E = 0 Ω). Warto także zdefiniować napięcie V_CC równe (10,503 ± 0,008) V oraz częstotliwość f = 1,168 kHz.

Drugi układ pomiarowy dla tej samej częstotliwości i napięcia w porównaniu z pierwszym układem posiada kondensator C_Ei rezystor R_E o niezerowej rezystancji.

Trzeci układ pomiarowy przy częstotliwości f = 403,4 Hz i napięciu (10,517 ± 0,008) V różni się od układu drugiego rezystorem R_B2 o skończonej rezystancji.

Wyniki pomiarów dla układu WE zostały zestawione w tabelach 1, 2 oraz 3. Wartości licz- bowe w kolumnie Opis są odniesieniem do jednego z oscylogramów przedstawionych powyżej, pokazując jak w przybliżeniu wyglądały zniekształcenia sygnału na danym pomiarze. Kolumna Wzm opisuje wzmocnienie napięciowe układu.

(10)

Tabela 1: Pomiary pierwszego układu WE.

Sygnał wejściowy Sygnał wyjściowy

Opis Wzm U_C [V]

Amplituda [mV] Opór R_B1

Amplituda [V] Opór R_C

[kΩ] Nr [kΩ] Nr

20 1000 11 0,25 2,40 3 1 125 10,041

14 100 8 3 2,40 3 3 214 2,400

11 68 6 2 2,40 3 4 181 1,492

9 39 3 0,75 2,40 3 4 83 0,337

9 22 1 20m 2,40 3 5 2,2 0,066

310 1000 11 2,5 2,40 3 6 8 9,590

300 100 8 5 2,40 3 7 16 7,134

300 68 6 5 2,40 3 7 16 6,984

295 39 3 4,8 2,40 3 7 16 6,489

285 22 1 4,6 2,40 3 7 16 5,681

Z tabeli wynikają problemy związane z pierwszym układem pomiarowym. Możemy zauważyć, że układ ten bardzo wzmacnia nawet niewielkie sygnały, dzięki czemu istnieje w nim ryzyko du- żego wzmocnienia szumów, co jest pierwszą znaczącą wadą badanego układu. Co gorsza, bardzo łatwo można go zdestabilizować, a osiągnięcie liniowego wzmocnienia bez zniekształceń sygnału nie jest proste i udaje się tylko przy kilku ustawieniach. Ustawiając rezystor R_B1 na pozycję 9 (220 kΩ) udało nam się osiągnąć maksymalną amplitudę bez zniekształceń – 2 V przy wzmocnieniu równym 100. Przy amplitudzie wejściowej równej ok. 300 mV nie udało nam się osiągnąć przebiegu bez zniekształceń. Kolejną wadą tego układu jest mała stabilność temperaturowa – przy zmianie nawet o kilka stopni mogłoby się okazać, że ustalony punkt pracy przestał być poprawnym punktem.

Włączając R_S do układu, zauważamy możliwy punkt pracy dla amplitudy napięcia wej- ściowego równej 150 mV i nastawy rezystora R_B1 na 220 kΩ. Przyjmijmy że U_wy0 to napięcie wyjściowe bez rezystora R_S i U_wy to napięcie wyjściowe zmierzone z użyciem tego rezystora.

Zatem napięcie wejściowe będzie stosunkiem napięć wyjściowych pomnożonych przez całkowite napięcie wejściowe. Przekształcając wzór otrzymujemy:

R_we =

Uwy

Uwy0

1 −_U^U^wy

wy0

R_S = 3, 6 kΩ

gdzie U_RS = U_we0− U_we dla U_we0 będącego zmierzonym napięciem w serii pomiarów bez wyko- rzystania R_S .

Podobnie możemy obliczyć rezystancję wyjściową R_wy: R_wy= 390 Ω

Drugi układ, w przeciwieństwie do pierwszego, posiada kondensator i rezystor na emiterze, które zapewniają znacznie większą stabilizację układu niż było to widoczne w pierwszym przypadku. Pomiary były przeprowadzane dla f = 1,166 kHz oraz U_CC = 10,504 V.

(11)

Tabela 2: Pomiary drugiego układu WE.

Sygnał wejściowy, R_E = 0,82 kΩ Sygnał wyjściowy

Opis Wzm Amplituda [mV] Opór R_B1

[kΩ] Nr [kΩ] Nr

20 1000 11 0,3 2,40 3 1 15

19 220 9 2 2,40 3 1 105

13 56 5 1,5 2,40 3 3 115

11 39 3 0,9 2,40 3 4 81

10 22 1 40m 2,40 3 5 4

500 1000 11 3 2,40 3 6 6

500 220 9 5 2,40 3 7 10

460 56 5 4,5 2,40 3 7 10

450 39 3 4,5 2,40 3 7 10

430 22 1 4,2 2,40 3 7 10

W porównaniu z pierwszym układem, nie mamy już dwustukrotnych wzmocnień, ale poza tym faktem nie zauważamy jakiejś innej znaczącej różnicy pomiędzy oboma zestawami wyników.

Rezystor i kondensator w emiterze pełnią funkcję ograniczającą nadmierny przepływ prądu I_C, co pośrednio można zauważyć poprzez nieco wyższe potencjały napięć wyjściowych (dobrze widoczne przy mniejszych wartościach) w tabeli 2 względem wyników z tabeli 3.1.

Wyliczamy R_we:

Rwe = 9, 600 kΩ

Układ ten okazał się mieć znacznie większą rezystancję wejściową niż poprzedni przy nieco mniejszym prądzie wyjścia.

Wyliczamy R_wy:

Rwy= 310 Ω

Co ciekawe, dla punktu pracy – które udało nam się znaleźć jako ustawienie 9 (220 kΩ) rezystora R_B1zmiana rezystora R_Enie powoduje widocznych zmian amplitudy napięcia wyjściowego.

Wzmocnienie wyczytujemy z tabeli – 105.

Trzeci układ jest rozszerzeniem układu drugiego o dodatkowy rezystor R_B2 między bazą a masą układu tworzący dzielnik napięcia razem z rezystorem R_B1 . Pomiary były przeprowadzane przy f = 403,4 Hz i V_CC = 10,517 V.

(12)

Tabela 3: Pomiary trzeciego układu WE.

Sygnał wejściowy, R_E = 0,82 kΩ Sygnał wyjściowy

Opis Wzm Amplituda [mV] R_B1 R_B2

[kΩ] Nr [kΩ] Nr [kΩ] Nr

20 1000 11 47 10 2m 2,4 3 — 0,1

16 68 6 47 10 3 2,4 3 2 187

12 22 1 15 7 2 2,4 3 3 166

18 22 1 7,5 3 3 2,4 3 1 166

18 56 5 22 8 2,7 2,4 3 1 150

500 1000 11 47 10 1,8 2,4 3 1 3,6

460 1000 11 5,6 1 5,3 2,4 3 11 11,5

500 68 6 10 6 6 2,4 3 11 12

460 22 1 5,6 1 5 2,4 3 11 10,9

460 22 1 47 10 5,1 2,4 3 11 11

W trzecim układzie okazało się, że istnieje całkiem wiele możliwości ustawienia dzielnika napięciowego tak, aby uzyskać liniowe wzmocnienie. Z drugiej strony korzystając z innych usta- wień i zwiększając amplitudę wejściową udało się uzyskać prawie idealny prostokąt na wyjściu.

Układ ten wydaje się być stabilniejszy od pozostałych i łatwiej można ustawić w nim pożądany przebieg.

Znaleźliśmy optymalny punkt pracy dla ustawień R_B1/R_B2 7/6 (82 kΩ/10 kΩ). W tym punk- cie można było dobrze zaobserwować zmiany w amplitudzie wynikające ze zmieniania wartości R_E . Amplituda sygnału wyjściowego przy R_E = 100 Ω wynosiła 4 V a dla R_E = 1,20 kΩ ok.

1,1 V. Przy sygnale wejściowym o amplitudzie ok. 35 mV daje to wzmocnienia rzędu 115 i 31, z czego wynika, że zmieniając R_E jesteśmy w stanie regulować stopień wzmocnienia układu.

Obliczamy rezystancję wejściową układu:

R_we = 1, 03 kΩ Obliczamy rezystancję wyjściową układu:

Rwy= 393 Ω 3.2 Pomiary układu WK

Wyniki pomiarów dla układu wspólnego kolektora zostały zebrane w tabeli 4. Pomiar był wykonywany przy częstotliwości f = 403,4 Hz i V_CC = 10,835 V. Układ pomiarowy został przed- stawiony na rysunku 14.

(13)

DF 1641A

24k 1M 10k

1k2

VCC

GND GND

VCC

CH2+

CH2-

CH1+

CH1-

GND

GND GND

47k

GND

M-4650 G1

CS CL

RS AE

S

RB1 AE

S

RL

AE

S

RE

T1

J1

J2

J3

J4

AE

S

RB2

A1

~ A

Rysunek 14: Schemat urządzenia pomiarowego do badania układu WK.

Tabela 4: Pomiary układu WK.

Sygnał wejściowy, R_E= 0,82 kΩ Sygnał wyjściowy

Opis Wzm

Amplituda [mV] R_B1 R_B2

Amplituda [mV] Opór R_E

[kΩ] Nr [kΩ] Nr [kΩ] Nr

550 1000 10 47 10 380 1,2 5 12 0,76

600 100 → 22 8 → 1 47 10 600 1,2 5 1 1

600 56 5 5,6 1 570 1,2 5 1 0,95

590 100 8 5,6 1 250 1,2 5 12 0,42

590 220 9 5,6 1 125 1,2 5 12 0,21

590 220 9 9,1 5 200 1,2 5 12 0,40

Za pomocą tego układu udało nam się uzyskać na wyjściu przebieg identyczny z przebiegiem wejściowym. W przypadku zniekształconych przebiegów widać było, że część która nie została zniekształcona ma bardzo podobny wygląd do sygnału wejściowego. Nie udało nam się uzyskać wzmocnienia napięciowego większego niż 1, co jest charakterystyczną cechą układów WK.

Obliczamy rezystancję wejściową układu:

R_we = 96 kΩ Obliczamy rezystancję wyjściową układu:

Rwy= 10 Ω

W układzie o wspólnym kolektorze różnica między rezystancją wejściową i wyjściową jest bardzo duża. Zależność ta świadczy o dobrym ustawieniu punktu pracy oraz parametrach tranzystora – im większa tym większe wzmocnienie prądowe może dać taki wzmacniacz jednocześnie nie obciążając wejścia.

(14)

4 Wnioski końcowe

Sumując powyższe wnioski obserwujemy, że układ wspólnego emitera jest wzmacniaczem napięciowym o dużym stopniu wzmocnienia, z kolei układ wspólnego kolektora pozwala na tworzenie stopni separacyjnych o dużej impedancji wejściowej i wzmocnieniu równym jedności.

Podstawowym źródłem błędów nieprzypadkowych są odczyty mierzonych napięć z oscylo- gramów – do każdego z z pomiarów można dopisać błąd w skali ok. ± 0,2 działki, czyli wyno- szące zazwyczaj 2% - 5% odczytanej wartości. Do innych możliwych błędów należałoby dopisać niedoskonałe charakterystyki elementów i łączeń pomiędzy nimi, brak dokładnych pomiarów rezystancji występujących w układach pomiarowych, oraz w jednym skrajnym przypadku nie- możność dokonania dokładniejszego pomiaru napięcia ze względu na brak odpowiedniej skali w oscyloskopie.

Mimo to, wyniki zdają się potwierdzać przewidywania teoretyczne dotyczące układu ze wspólnym emiterem i wspólnym kolektorem. Nie udało się zaobserwować prostej (i najpraw- dopodobniej dość idealistycznej) zależności mówiącej, że we wzmacniaczu WE wzmocnienie jest stosunkiem R_C do R_E . Poza tym otrzymane wnioski cząstkowe są dość wiarygodne.

Warto również zauważyć, że tranzystor w układzie WE łatwo wpada w nasycenie i zatkanie jeśli przyłożymy mu amplitudę rzędu kilkuset miliwoltów. Z kolei z obserwacji układu WK wynika, że ten układ całkiem dobrze radzi sobie z taką amplitudą napięcia wejściowego.

Literatura

[1] Bogdan Żółtowski, Wprowadzenie do zajęć laboratoryjnych z fizyki, Skrypt Politechniki Łódz- kiej, Łódź 2002.

[2] David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Podstawy fizyki, Tom 3., Wydawnictwo Na- ukowe PWN, Warszawa 2005.

[3] S. M. Kaczmarek, PRZEBICIE I MODELE ZŁĄCZA p-n http://www.skaczmarek.ps.pl/Wyk5_el.pdf