background image

P

OLITECHNIKA   WI TOKRZYSKA

 

W  

K

IELCACH

 

 

W

YDZIAŁ  

E

LEKTROTECHNIKI

,

  

A

UTOMATYKI  I  

I

NFORMATYKI

 

 

K

ATEDRA 

E

LEKTRONIKI I 

S

YSTEMÓW 

I

NTELIGENTNYCH

 

 

 

 

L

ABORATORIUM  

P

ODSTAW  

E

LEKTRONIKI

 

 

 

I

NSTRUKCJA  

L

ABORATORYJNA

 

 

 

 

WICZENIE  NR  

8:

  

 

 

W

ZMACNIACZE NA TRANZYSTORACH POLOWYCH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

IELCE  

2006 

background image

- 2 - 

1.  Wst p teoretyczny 

 

1.1.  Układy polaryzacji tranzystora polowego 

 
Dla prawidłowej pracy tranzystora polowego w okre lonym układzie nale y ustali  

punkt pracy, tj. 

spolaryzowa   tranzystor  odpowiednimi  warto ciami  stałych  pr dów  i  napi   tak,  aby  otrzyma   dany 

zestaw  wielko ci  (I

D

,  U

DS

).  Konstruktor  układu  wybiera  punkty  pracy  zapewniaj ce  najlepsze 

wykorzystanie  tranzystorów  (na  przykład  najwi ksze  wzmocnienie,  najmniejsze  zniekształcenia  dla 

sygnału o okre lonej amplitudzie itp.). Wybór i stabilizacja punktu pracy ma du e znaczenie, gdy  nawet 

niewielkie  zmiany  mog   powodowa   wyra n   zmian   parametrów  wzmacniacza,  np.:  wzmocnienia, 

rezystancji wej ciowej, rezystancji wyj ciowej itp. 

Poni ej zostan  omówione dwa najpowszechniej stosowane układy polaryzacji, wykorzystywane we 

wzmacniaczach małej cz stotliwo ci pracuj cych w układzie wł czenia 

WS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 1.  Typowy układ polaryzacji tranzystora polowego a) zł czowego z kanałem typu 

n  

b) MOS z kanałem wzbogacanym typu 

p 

 

1.2.  Znajdowanie punktu pracy 

 
Tok  post powania  przy  projektowaniu  układu  z  tranzystorem  polowy  zł czowy  z  rys.  1a.  mo e 

przebiega  według nast puj cych etapów: 

1. Wybieramy E

D

 R

S

 i R

D

 

Dla obwodu wyj ciowego obowi zuje zale no : 

D

DS

D

S

D

E

U

R

R

I

=

+

+

)

(

 st d:

1

=

+

+

D

DS

D

S

D

D

E

U

R

R

E

I

 

W  układzie  współrz dnych  jest  to  równanie  linii  prostej,  któr   mo na  wrysowa   w  pole 

charakterystyk  wyj ciowych  tranzystora  (rys.  2.).  Przecina  ona  o   napi cia  w  punkcie 

C  (E

D

0),  a  o  

pr du w punkcie 

B (0, 

D

S

D

R

R

E

+

) i. Prost  

BC nazywa si  prost  obci enia (prost  pracy).  

2. Wybieramy spoczynkowy punkt pracy 
Spoczynkowy punkt pracy A
 le y na przeci ciu prostej obci enia i charakterystyki tranzystora dla 

okre lonej  warto ci  napi cia  U

GS

,  przy  czym 

P

GS

U

U

<

  Na  podstawie  współrz dnych  punktu  pracy 

mo na wyznaczy  warto ci elementów obwodu zasilania. Rzut punktu 

A na o  napi  wyznacza napi cie 

U

DS

. Natomiast rzut punktu 

A na o  pr du drenu wyznacza spoczynkow  warto  pr du drenu I

D

3. 

Wybieramy R

G

 

a) 

+E

D

 

R

G

R

D

R

S

C

C

2

 

C

1

 

U

wy 

U

we 

b) 

-E

D

 

R

2

R

D

R

S

C

C

2

 

C

1

 

U

wy 

U

we 

R

1

background image

- 3 - 

Przyjmujemy R

G

 rz du 1M

Ω. Wówczas pr d bramki jest tak mały,  e spadek napi cia na rezystancji 

R

G

 jest do pomini cia. Bramka znajduje si  zatem na potencjale masy i dlatego powinna by  spełniona 

zale no : 

S

D

GS

R

I

U

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 2.  Poło enie punktu pracy tranzystora polowego zł czowego z kanałem typu 

n. 

 

1.3.  Parametry robocze wzmacniacza z tranzystorem polowym 

 
Tranzystor polowy zł czowy w układzie polaryzacji tak jak na rys. 2a. mo na przedstawi  w sposób 

przedstawiony poni ej: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 3. Zmiennopr dowy schemat zast pczy wzmacniacza z rys. 1a. 

Reaktancje  kondensatorów  sprz gaj cych  C

1

  i  C

2   

w  pa mie  przenoszenia  wzmacniacza  s   bardzo 

małe, dla sygnałów zmiennych stanowi  one zatem zwarcie. Stosuj c twierdzenie Thevenina otrzymuje 

si ,  e:

G

g

G

g

g

R

Z

R

e

e

+

=

'

,   

G

g

G

g

g

R

Z

R

Z

Z

+

=

,   

D

D

R

Z

R

Z

Z

+

=

0

0

'

0

.  Je eli  spełnione  s   warunki:  :

g

G

Z

R

>>

    oraz 

G

 

D

 

Z

g

 

e

g

 

I

U

gs

R

G

 

g

m

U

gs 

r

D

 

U

ds 

R

D

 

I

Z

0

 

S

 

U

DS

 

[V] 

I

D

[mA] 

P

t0t 

I

D max

U

DS max

 

U

DS 0

 

I

D 0

U

GS 0t 

E

D

 

background image

- 4 - 

0

Z

R

D

<<

  wówczas  powy sze  zale no ci  upraszczaj   si   do  postaci: 

g

g

e

e

=

'

   

g

g

Z

Z

=

'

 

D

R

Z

=

'

0

Wzmocnienie napi ciowe jest okre lone wzorem: 

przy pomini ciu wszystkich pojemno ci 

d

m

D

S

S

m

D

u

r

g

R

R

R

g

R

k

+

+

+

=

1

 

 

S

m

D

u

r

R

g

R

k

d

+

=

→∝

1

lim

 

przy uwzgl dnieniu wszystkich pojemno ci: 

d

m

D

m

D

u

r

g

R

g

R

k

+

=

1

 

 

D

m

u

r

R

g

k

d

=

→∝

lim

 

W przypadku u ycia wzmacniacza z tranzystorem MOS przedstawionego na rys. 1b. rezystancja R

G

 

b dzie okre lona zale no ci .

2

1

|| R

R

R

G

=

 

Wła ciwo ci układu 

WS s  nast puj ce: 

•  w zakresie małych i  rednich cz stotliwo ci, przy obci eniu rezystancyjnym, układ odwraca faz  

sygnału wej ciowego o 180

° 

•  układ zapewnia do  du e wzmocnienie napi ciowe 
•  rezystancja wej ciowa układu jest bardzo du a, za  wyj ciowa umiarkowanie du a. 
 

1.4.  Charakterystyka amplitudowa oraz fazowa wzmacniacza 

 
Wła ciwo ci  wzmacniacza  w  dziedzinie  cz stotliwo ci  opisuj   jego  charakterystyki 

cz stotliwo ciowe: 

Amplitudowa 

k

u

=k

u

(f) 

Fazowa    

ϕ

 = 

ϕ

 ( f ) 

Charakterystyka  cz stotliwo ciowa  przedstawia  zale no   wzmocnienia  od  cz stotliwo ci.  Z  uwagi 

na du y zakres cz stotliwo ci stosuje si  z reguły na osi cz stotliwo ci podziałk  półlogarytmiczn  lub 

logarytmiczn .  Dwie  warto ci  cz stotliwo ci,  dla  których  wzmocnienie  zmniejsza  si   do  okre lonej 

warto ci,  s   nazywane  cz stotliwo ciami  granicznymi:  doln   f

d

  i  górn   f

g

.  We  wzmacniaczach  jako 

typowe przyj to zmniejszenie wzmocnienia do warto ci 

2

max

u

k

 (w podziałce logarytmicznej odpowiada to 

zmniejszeniu  o  3dB).Dla  niektórych  typów  wzmacniaczy  (np.  wzmacniaczy  operacyjnych)  jako 

cz stotliwo  graniczn  przyjmuje si  cz stotliwo , przy której k

u

 jest równe jedno ci. Szeroko  pasma 

przenoszenia B jest równa ró nicy górnej i dolnej cz stotliwo ci granicznej:

 

d

g

f

f

B

=

 

W  celu  wyznaczenia  charakterystyki  amplitudowej  podaje  si   na  wej cie  wzmacniacza  sygnały  z 

generatora  o  szerokim  zakresie  zmian  cz stotliwo ci.  Wielko   amplitudy  napi cia  wej ciowego  U

we

 

musi by  kontrolowana woltomierzem. Równocze nie mierzy si  napi cie wyj ciowe U

wy

. Dla kolejnych 

warto ci  cz stotliwo ci  oblicza  si   warto   wzmocnienia 

=

V

V

U

U

k

we

wy

u

   

[ ]

dB

U

U

K

we

wy

u

=

log

20

  i 

wyznacza punkty charakterystyki. 

Mo na zdefiniowa  równie  k t przesuni cia fazowego, który nale y rozumie  jako przesuni cie faz 

mi dzy  sygnałem  wyj ciowym  a  wej ciowym,  dla  wzmacniacza  odwracaj cego  (OS)przy  pomini ciu 

pocz tkowe przesuni cie fazy wynosi 180

°.  St d: 

+

>

+

+

=

ϕ

2

180

2

180

g

d

g

g

d

d

f

f

f

dla

f

f

arctg

f

f

f

dla

f

f

arctg

 

background image

- 5 - 

Charakterystyka  fazowa  wzmacniacza  przedstawia  zale no   fazy  napi cia  wyj ciowego  od 

cz stotliwo ci.  Przebieg  typowej  charakterystyki  amplitudowej  i  fazowej  wzmacniacza  przedstawia  

rys.4. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 4.  Przebieg typowej charakterystyki amplitudowej i fazowej wzmacniacza odwracaj cego. 
 

Nale y zwróci  uwag  na fakt,  e istnieje zakres cz stotliwo ci le cy wewn trz pasma przenoszenia, 

w którym k t przesuni cia fazowego   wnoszonego przez wzmacniacz ma warto  stał   = 180° dla 

wzmacniacza odwracaj cego faz  i   = 0 dla wzmacniacza nieodwracaj cego). 

f

d

 

[Hz] 

 

K

U

 

[dB]]

3 dB 

K

Umax 

 

f

d

f

g

 [

°] 

 

 

[Hz] 

 

180

°

 

225

°

 

270

°

 

90

°

 

135

°

 

 

f

g

100 

 

1k 

 

10k 

 

100k 

 

1M 

 

100 

 

1k 

 

10k 

 

100k 

 

1M 

 

background image

- 6 - 

2.  Przebieg  wiczenia 

 

2.1.  Pomiar charakterystyki amplitudowej wzmacniacza 

 

Schemat pomiarowy 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 5.  

Układ do pomiaru wzmacniacza małej cz stotliwo ci z tranzystorem polowym MOS  

z kanałem wzbogacanym typu 

p w układzie WS. 

 
Sposób przeprowadzenia pomiarów 
•  Poł czy   układ  pomiarowy  z  rys.  5.  Warto ci  elementów:  R

1

=100k

Ω,  R

2

=100k

Ω,  R

D

=4,7k

Ω, 

R

S

=100

Ω, R

0

=9,1k

Ω, C

1

=100nF, C

2

=100nF, C

S

=25 F. E

D

=-12V 

•  Ustawi   na  generatorze  G  przebieg  sinusoidalny  o  cz stotliwo ci  f=10kHz  i  amplitudzie  

U

we

  =  0,5V  (amplitud   sygnału  wej ciowego  U

we

  mierzymy  na  oscyloskopie  kanał 

A).  Na 

oscyloskopie  (kanał 

B)  obserwujemy  sygnał  wyj ciowy  U

wy

.  Przerysowa   sygnał  wej ciowy  i 

wyj ciowy  zwracaj c  uwag   na  amplitud   oraz  poło enie  w  czasie  obu  przebiegów.  Powtórzy  

pomiary dla sygnału wej ciowego cz stotliwo ci 100Hz i 1MHz. 

•  Wykona   pomiary  charakterystyki  amplitudowej  K

u

=K

u

(f).  Pomiar  polega  na  odczycie  z 

oscyloskopu podwójnej amplitudy sygnału wej ciowego (kanał 

A) i podwójnej amplitudy sygnału 

wyj ciowego  (kanał 

B)  dla  ustawionej  na  generatorze  G  cz stotliwo ci  f.  Zakres  zmian 

cz stotliwo ci  f  od  10  Hz  do  1  MHz,  amplitud   sygnału  wej ciowego  nale y  utrzymywa   na 

stałym poziomie. Wyniki nale y umie ci  w tabeli 1. 

•  Powtórzy  pomiary dla rezystancji obci enia R

0

=1k

Ω, 

R

D

 

R

S

 

C

2

 

R

1

 

R

2

 

C

1

 

C

R

o

 

kanał 

A 

kanał 

B

Oscyloskop 

E

D

 

background image

- 7 - 

Tabela pomiarowa 
Tabela 1. Pomiar charakterystyki amplitudowej wzmacniacza 

)

f

k

k

u

u

=

 

U

we

=0,5V           R

0

= 9,1k

Ω,               C

S

=25

µF 

Lp 

f [Hz] 

U

wy

[V] 

=

V

V

U

U

k

we

wy

u

 

[ ]

dB

k

K

u

u

)

log(

20

=

1. 

20 

 

 

 

2. 

50 

 

 

 

3. 

100 

 

 

 

4. 

200 

 

 

 

5. 

500 

 

 

 

6. 

1k 

 

 

 

7. 

2k 

 

 

 

8. 

5k 

 

 

 

9. 

10k 

 

 

 

10. 

20k 

 

 

 

11. 

50k 

 

 

 

12. 

100k 

 

 

 

13. 

200k 

 

 

 

14. 

500k 

 

 

 

15. 

1M 

 

 

 

 

2.2. Pomiar charakterystyki fazowej wzmacniacza 

Sposób przeprowadzenia pomiarów 

• 

Ustawi   oscyloskop  w  trybie  pracy  X-Y,  na  ekranie  oscyloskopu  powstaje  obraz  elipsy  
(rys.  6.).  Okre li   cz stotliwo   f

0,

  dla  której  przesuni cie  fazowe 

180

=

ϕ

na

 

oscyloskopie 

b dzie wówczas widoczna linia prosta (

a=0).  

• 

Wykona  pomiary charakterystyki fazowej 

ϕ

 = 

ϕ

 (f). Pomiar polega na odczycie z oscyloskopu 

warto ci 

a i (rys. 8.). K t przesuni cia fazowego obliczmy ze wzoru: 

+

=

b

a

arcsin

180

ϕ

 (dla 

f<f

0

))  i 

=

ϕ

b

a

arcsin

180

  (dla  f>f

0

).  Zakres  zmian  cz stotliwo ci  f  od  10  Hz  do  1  MHz. 

Wyniki nale y umie ci  w tabeli 2. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 6. Ilustracja do wyznaczania przesuni cia fazowego metod  oscyloskopow . 

background image

- 8 - 

Tabela pomiarowa 
 
Tabela 2. Pomiar charakterystyki fazowej wzmacniacza 

)

f

ϕ

=

ϕ

 

U

we

=20mV           R

0

= 1k

Ω,               C

S

=25

µF 

Lp 

f [Hz] 

a[dz] 

b[dz] 

b

a

arcsin

 

±

=

ϕ

b

a

arcsin

180

 

1. 

20 

 

 

 

 

2. 

50 

 

 

 

 

3. 

100 

 

 

 

 

4. 

200 

 

 

 

 

5. 

500 

 

 

 

 

6. 

1k 

 

 

 

 

7. 

2k 

 

 

 

 

8. 

5k 

 

 

 

 

9. 

10k 

 

 

 

 

10. 

20k 

 

 

 

 

11. 

50k 

 

 

 

 

12. 

100k 

 

 

 

 

13. 

200k 

 

 

 

 

14. 

500k 

 

 

 

 

15. 

1M 

 

 

 

 

 

3.  Opracowanie wyników pomiaru 

 
W sprawozdaniu nale y zamie ci : 

1.

  Schemat pomiarowy realizowany na  wiczeniu. 

2.

  Tabele pomiarowe z wynikami. 

3.

  Przebiegi  sygnału  wej ciowego  i  wyj ciowego  dla  cz stotliwo ci:  100Hz,  10kHz,  1MHz.  Nale y 

zaznaczy   amplitud   sygnału  oraz  przesuni cie  fazowe  pomi dzy  sygnałem  wyj ciowym  a 

wej ciowym. 

4.

  Charakterystyki  amplitudowe  K

u

=K

u

(f).  (wzmocnienie  w  skali  dB))  wzmacniacza  sporz dzone  na 

podstawie przeprowadzonych pomiarów (cz stotliwo  f w skali logarytmicznej). Nale y zaznaczy  

doln  i górna cz stotliwo  graniczn , oraz szeroko  pasma przenoszenia. 

5.

  Charakterystyki  fazowe  wzmacniacza  sporz dzone  na  podstawie  przeprowadzonych  pomiarów 

(cz stotliwo  f w skali logarytmicznej) oraz wyznaczone z wzoru: 

+

>

+

+

=

ϕ

2

180

2

180

g

d

g

g

d

d

f

f

f

dla

f

f

arctg

f

f

f

dla

f

f

arctg

 

6.

  Wnioski.