Sprawozdanie z wykonania ćwiczenia

1. Wyznaczanie charakterystyk przejściowych

Charakterystyki przejściowe obserwowaliśmy stosując trzy układy zasilania emiterów. Na bazę tranzystora T1 podawaliśmy sygnał wejściowy, natomiast baza tranzystora T2 była zwarta do masy (z wyjątkiem przypadku, kiedy napisano inaczej). Kolektory obydwu tranzystorów były dołączone przez oporniki do zasilania U_CC=5V lub obciążone lustrem prądowym (obciążenie aktywne). Zaobserwowane przebiegi zamieszczamy poniżej:

a) obciążenie R_C = 2 kΩ zasilanie prądowe - 1,5 mA

b) obciążenie R_C = 2 kΩ zasilanie prądowe - 0,5 mA

c) obciążenie R_C = 2 kΩ zasilanie quasiprądowe (przez opornik R_E­) - I_E = 1,5 mA

d) obciążenie R_C = 2 kΩ zasilanie prądowe - 1,5 mA, potencjał bazy T₂ ok. -1V

e) Zasilanie prądowe 1,5mA, zwiększona czułość odchylania X (50x)

Jak widać na zamieszczonych rysunkach kształty uzyskanych przez nas charakterystyk przejściowych pokrywają się w dużym stopniu z charakterystykami teoretycznymi. Na podstawie nachylenia liniowych odcinków charakterystyk (w punkcie przecięcia), można wyznaczyć maksymalne wzmocnienie różnicowe badanego wzmacniacza.

Wartość ta jest zbliżona do założonej teoretycznie k_ur = -58. Na niewielką różnicę mogły mieć wpływ następujące czynniki: niedokładność odczytu z oscyloskopu oraz niedokładność elementów użytych w badanym wzmacniaczu (oporniki, tranzystory).

Korzystając z uzyskanych charakterystyk możemy także określić szerokość strefy przełączania prądu. Jest to zakres napięć U_b1 w którym wartość prądu I_C (czyli także napięcia U_C) zmienia się od 10% do 90% wartości maksymalnej. W naszym przypadku ta strefa ma szerokość ok. 2*40 mV = 80 mV.

W trakcie doświadczenia zaobserwowaliśmy również wpływ zmian potencjału bazy T₂ na wygląd charakterystyk. Ich kształt nie uległ zmianie, nastąpiło jednak przesunięcie ich w lewo (dla ujemnego potencjału) lub w prawo (dla dodatniego potencjału), tak że punkt przecięcia znajdował się w punkcie U_b1 = U_b2.

2. Wyznaczanie wzmocnienia różnicowego

Wzmocnienie różnicowe było wyznaczane na podstawie pomiaru napięcia wyjściowego u_c2 przy dwóch różniących się o 5mV napięciach u_b1.

Pomiarów dokonaliśmy w układzie o schemacie zamieszczonym poniżej:

Wzmocnienie wyznaczaliśmy korzystając ze wzoru:

L.p.	Warunki pomiaru	uc2 [V] przy ub1=u0	uc2 [V] przy ub1=u0+5mV	Δuc2 [V]	kur
1 2 3 4 5 6	obc. liniowe, Rc=2 kΩ, IE=0,5mA obc. liniowe, Rc=2 kΩ, IE=1,5mA obc. liniowe, Rc=2 kΩ, RE obc. dynamiczne, Rc=2 kΩ, IE=1,5mA obc. dynamiczne, Rc=20 kΩ, IE=1,5mA obc. dynamiczne, Rc=2 kΩ, RE	4,51 3,63 3,58 5,09 5,81 5,1	4,55 3,75 3,71 5,33 7,98 5,34	0,04 0,12 0,13 0,24 2,17 0,24	16 48 52 96 434 96

Różnicę między wartościami wzmocnienia różnicowego w przypadkach 1 i 2 można wyjaśnić zmianą transkonduktancji małosygnałowej tranzystora, która jest proporcjonalna do prądu kolektora. Ponieważ możemy przyjąć równość prądów kolektora i emitera, w efekcie wzmocnienie to jest proporcjonalne do prądu zasilania emiterów, zgodnie ze wzorem

wyprowadzonym w konspekcie.

Pomiędzy przypadkami 4 i 5 widać prawie pięciokrotną zmianę wzmocnienia różnicowego, co jest spowodowane zwiększeniem rezystancji w kolektorze przy zachowaniu tego samego prądu zasilania emiterów. Maksymalna wartość tego wzmocnienia jest ograniczona przez konduktancję wyjściową tranzystora.

Zwiększenie wartości R_C do 20 kΩ przy obciążeniu liniowym, spowodowałoby wejście tranzystorów w stan zatkania, a co za tym idzie, układ przestałby pracować jako wzmacniacz. Aby temu zapobiec, można zwiększyć napięcie zasilania kolektorów lub zmniejszyć prąd zasilania emiterów. W drugim przypadku wzrost wzmocnienia wywołany zwiększeniem wartości R_C zostanie zrównoważony przez spadek wzmocnienia spowodowany zmniejszeniem prądu I_E. Czyli nie uzyskamy planowanej poprawy wzmocnienia.

3. Wyznaczanie wzmocnienia sumacyjnego

Wzmocnienie sumacyjne k_us określa się mierząc przyrost napięcia wyjściowego wynikający z jednoczesnej zmiany napięcia na obu wejściach w zakresie od -2V do 2V.

Pomiary przeprowadzaliśmy w układzie o schemacie zamieszczonym poniżej:

L.p.	Warunki pomiaru	uc2 [V] przy ub1=ub2=-2,18V	uc2 [V] przy ub1=ub2=2,25V	kus
1 2 3 4 5 6	obc. liniowe, Rc=2k, IE=0,5mA obc. liniowe, Rc=2k, IE=1,5mA obc. liniowe, Rc=2k, RE obc. dynamiczne, Rc=2k, IE=1,5mA obc. dynamiczne, Rc=20k, IE=1,5mA obc. dynamiczne, Rc=2k, RE	4,51 3,63 3,8 5,1 5,83 5,08	4,5 3,62 3,37 5,1 5,88 5,12	2,2∙10^-^3 2,2∙10^-3 9,7∙10^-2 0 1,1∙10^-2 9∙10^-^3

W przypadku 3 wzmocnienie sumacyjne jest ponad 40 razy większe niż w przypadku 2. Wynika to z faktu, iż w przypadku 3 zasilanie emiterów realizowane było przez opornik R_E. Jest to spowodowane tym, że zmiana potencjału emiterów (wywołana podaniem sygnału sumacyjnego) powoduje, przy zasilaniu przez opornik, zmianę prądu I_E, w odróżnieniu od zasilania źródłem prądowym gdzie nie ma takiej zależności. Zależność wzmocnienia sumacyjnego od prądu emiterów wyraża się wzorem

Wzór ten jest słuszny pod warunkiem, że , co jest spełnione w naszym przypadku i w innych typowych wzmacniaczach różnicowych.

Różnica wzmocnień sumacyjnych w przypadkach 3 i 6 wynika z faktu, że sumacyjne zmiany prądów są kompensowane przy obciążeniu lustrem prądowym (przez rezystor R_C płynie różnica prądów). Kompensacji takiej nie ma w przypadku obciążenia liniowego. Gdyby układ różnicowy i lustro prądowe były idealnie symetryczne, wzmocnienie k_us przy obciążeniu dynamicznym byłoby równe zeru. Asymetria lustra prądowego powoduje niedokładne odejmowanie się prądów (przez opornik R_C płynie prąd i_c2-ki_c1, gdzie k≈1 - wzmocnienie prądowe lustra). Podobne zjawisko występuje, gdy wskutek różnic pomiędzy parametrami tranzystorów układu różnicowego prądy kolektorów nie są sobie dokładnie równe.

4. Badanie wzmacniacza różnicowego jako układu mnożącego sygnały

W tym punkcie obserwowaliśmy działanie modulatora w postaci układu różnicowego z napięciowym sterowaniem prądu emiterów. Obciążenie kolektorów stanowiło lustro prądowe.

Parametry sygnałów wejściowych obliczyliśmy w taki sposób, aby uzyskać na wyjściu układu sygnał o amplitudzie U_N=0,25V i głębokości modulacji m=0,2. Sygnałem modulującym był przebieg trapezowy. Sygnał na wyjściu obserwowaliśmy przy użyciu oscyloskopu.

Z parametrów tego przebiegu można obliczyć, że amplituda wynosiła U_N=0,3V, a głębokość modulacji m=0,67. Widać, że parametry te nie pokrywają się z założonymi. Amplituda uzyskana w doświadczeniu jest większa od założonej, co można uzasadnić niedokładnością założenia, że prąd zasilania emiterów jest równy 1,5mA oraz niedokładnością oporników występujących we wkładce. Być może układ pracował w temperaturze, dla której U_T<26mV, co mogło zwiększyć transkonduktancję tranzystorów i tym samym zwiększyć wzmocnienie układu. Różnice w wielkości współczynnika m mogą wynikać z różnicy między założoną wartością napięcia U_BE = 0,7 V a wartością rzeczywistą, niedokładnością przyrządów użytych w doświadczeniu oraz niedokładnością oporników oraz innych elementów

Przy obciążeniu liniowym uzyskaliśmy następujący przebieg:

Widać tu, że przebieg ten jest sumą przebiegu uzyskanego w poprzednim przypadku i sygnału modulującego. Prąd zasilania emiterów I_E zależy od sygnału modulującego, natomiast zarówno składowa stała napięcia wyjściowego, jak i wzmocnienie k_ur wykazują liniową zależność od tego prądu.

Wnioski:

Analizując wyniki uzyskane w doświadczeniu, stwierdzamy że idealny wzmacniacz różnicowy powinien charakteryzować się dużym wzmocnieniem różnicowym oraz zerowym wzmocnieniem sumacyjnym, co pozwoli na eliminację zakłóceń i szumów, które są zazwyczaj takie same na obu wejściach. Wspomniany wyżej efekt uzyskujemy poprzez zwiększenie rezystancji emiterowej (zmniejszenie k_us) oraz zwiększenie wartości rezystorów kolektorów lub zastąpienie ich obciążeniem aktywym (zwiększenie k_ur).

Zwiększenie zakresu liniowości charakterystyk przejściowych wzmacniacza uzyskać możemy poprzez dodanie rezystorów przy emiterach, które posłużą jako ujemne sprzężenie zwrotne. Ta metoda zmieni kształt charakterystyki przejściowej (będzie ona bardziej liniowa).

3

0,6 V

0,2 V

---