POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT TELEKOMUNIKACJI I AKUSTYKI	Sprawozdanie z ćwiczenia Nr . 3.
LABORATORIUM UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH	Sprzężenie zwrotne.
		Ocena:

Wstęp:

Celem ćwiczenia była eksperymentalna weryfikacja teorii sprzężenia zwrotnego. W szczególności obserwacji miał być poddany wpływ sprzężenia zwrotnego na zmiany wrażliwości wzmocnienia napięciowego, na zmiany wartości elementów układu i na zmiany napięcia zasilania.

Użyte urządzenia:

- panel laboratoryjny,

- zasilacz,

- oscyloskop,

- generator sygnałów,

- mierniki - woltomierze cyfrowe.

I. Tłumienie Zniekształceń nieliniowych.

W układzie jak na rysunku badano wpływ USZ na wartość zniekształceń nieliniowych oraz wpływ działania sprzężenia zwrotnego na wzmocnienie układu.

a) charakterystyka stałoprądowa U_WY = f(U_WE) układu:

Układ ze sprzężeniem lokalnym

UWE	UWY	k		UWE	UWY	k
[V]	[V]	[ V/V]		[V]	[V]	[ V/V]
0.370	3.420	9.243		0.055	0.049	0.891
0.354	3.245	9.167		0.037	0.002	0.054
0.334	3.022	9.048		0.028	0.001	0.036
0.301	2.665	8.854		-0.024	-0.002	0.083
0.268	2.315	8.638		-0.037	-0.005	0.135
0.236	1.965	8.326		-0.053	-0.020	0.377
0.192	1.495	7.786		-0.068	-0.142	2.088
0.158	1.120	7.089		-0.091	-0.367	4.033
0.128	0.793	6.195		-0.113	-0.598	5.292
0.117	0.658	5.624		-0.129	-0.770	5.969
0.096	0.469	4.885		-0.132	-0.810	6.136
0.086	0.345	4.058		-0.141	-0.898	6.360
0.069	0.195	2.826		-0.153	-1.030	6.732

Wykres zależności U_WY = f(U_WE) w układzie ze sprzężeniem lokalnym:

Układ ze sprzężeniem globalnym

UWE	UWY	k		UWE	UWY	k
[V]	[V]	[ V/V]		[V]	[V]	[ V/V]
0.353	3.915	11.091		0.042	0.485	11.548
0.329	3.652	11.100		0.033	0.380	11.515
0.303	3.368	11.116		0.024	0.284	11.833
0.274	3.028	11.051		0.015	0.180	12.000
0.247	2.742	11.101		0.005	0.075	15.000
0.221	2.457	11.118		-0.008	-0.078	11.143
0.187	2.078	11.112		-0.020	-0.210	10.500
0.153	1.668	10.901		-0.028	-0.302	10.786
0.110	1.225	11.136		-0.041	-0.437	10.658
0.094	1.052	11.191		-0.052	-0.555	10.673
0.082	0.922	12.098		-0.067	-0.719	10.731
0.077	0.867	11.250		-0.085	-0.922	10.847
0.068	0.771	11.338		-0.106	-1.150	10.849
0.060	0.681	11.350		-0.118	-1.270	10.763
0.057	0.643	11.281		-0.137	-1.487	10.854
0.049	0.557	11.367

Wykres zależności U_WY = f(U_WE) w układzie ze sprzężeniem globalnym:

Zniekształcenia skrośne:

Poniżej zamieszczono oscylogramy napięcia wyjściowego przy sterowaniu sygnałem o częstotliwości f = 1 kHz.

II. Układ Wzmacniacza z USZ S-N.

Drugim układem badanym na zajęciach był układ wzmacniacza tranzystorowego z ujemnym sprzężeniem zwrotnym o charakterze szeregowo-napięciowym.

Pomiar niektórych parametrów roboczych wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego:

a) punkt pracy tranzystorów przy R_C1 = R_C2 = 5.1 kΩ

tranzystor T₁ tranzystor T₂

U_CE1 = 6.77 V U_CE2 = 6.5 V

U_RC1 = 4.1 V U_RC2 = 4.37 V

I_C1 = I_C2 =

zatem punkty pracy wynoszą odpowiednio:

(U_CQ1, I_CQ1) = (6.77 V, 0.804 mA) (U_CQ2, I_CQ2) = (6.5 V, 0.857 mA)

współczynniki transkonduktancji tranzystorów:

zatem

g_m1 = 36.5V 0.804mA = 0.029 1/Ω

g_m2 = 36.5V 0.850mA = 0.031 1/Ω

b) wzmocnienie napięciowe przy R_C1 = R_C2 = 5.1 kΩ i f = 1kΩ

U_WE = 0.0574 V U_WY = 1.0205 V

k =

c) częstotliwość górna wzmacniacza R_d - zwarte

f	UWY
[kHz]	[ V]
10	1.0332
20	1.0095
30	0.9676
40	0.9168
50	0.8585
60	0.8060
70	0.7515
75	0.7192
80	0.7017

d) moduł wzmocnienia - metoda techniczna

Z ekranu oscyloskopu odczytano:

U_WE = 3.5 × 50 mV = 0.175 V

U_WY = 6 × 0.5 V = 3 V

k =

e) częstotliwość górna pierwszego stopnia wzmacniacza, R_d - zwarte

f	UWY
[kHz]	[ mV]
1	10.60
10	10.41
30	9.72
40	9.18
50	8.60
60	8.08
68	7.68
70	7.59
72	7.49
74	7.40
80	7.16

f) punkt pracy tranzystorów przy R_C1 = R_C2 = 4.08kΩ

tranzystor T₁ tranzystor T₂

U_CE1 = 7.595V U_CE2 = 7.380 V

U_RC1 = 3.27 V U_RC2 = 3.49 V

I_C1 = I_C2 =

zatem punkty pracy wynoszą odpowiednio:

(U_CQ1, I_CQ1) = (7.595V, 0.801mA) (U_CQ2, I_CQ2) = (7.380 V, 0.855 mA)

współczynniki transkonduktancji tranzystorów:

g_m1 = 36.5V 0.801mA = 0.029 1/Ω

g_m2 = 36.5V 0.855mA = 0.031 1/Ω

g) częstotliwość górna wzmacniacza R_d - zwarte

f	UWY
[kHz]	[ V]
1	1.003
10	1.015
20	0.9980
30	0.9707
40	0.9360
50	0.8944
60	0.8557
70	0.8159
80	0.7666
90	0.7347
92	0.7246
94	0.7197
96	0.7125
98	0.7075
100	0.7030
110	0.6720

h) częstotliwość górna pierwszego stopnia wzmacniacza R_d - zwarte

f	UWY
[kHz]	[ mV]
1	1.015
10	1.022
20	1.007
30	0.972
40	0.926
50	0.874
60	0.825
70	0.773
72	0.756
74	0.750
76	0.741
78	0.733
80	0.727
82	0.720
84	0.711
86	0.702
88	0.694

i) punkt pracy tranzystorów przy R_C1 = R_C2 = 6.11kΩ

tranzystor T₁ tranzystor T₂

U_CE1 = 5.95 V U_CE2 = 5.65 V

U_RC1 = 4.90 V U_RC2 = 5.22 V

I_C1 = I_C2 =

zatem punkty pracy wynoszą odpowiednio:

(U_CQ1, I_CQ1) = (5.95 V, 0.802 mA) (U_CQ2, I_CQ2) = (5.65 V, 0.854 mA)

współczynniki transkonduktancji tranzystorów:

g_m1 = 36.5V 0.802mA = 0.029 1/Ω

g_m2 = 36.5V 0.854mA = 0.031 1/Ω

j) częstotliwość górna wzmacniacza R_d - zwarte

f	UWY
[kHz]	[ V]
1	1.002
10	1.002
20	0.990
30	0.938
40	0.871
50	0.800
60	0.737
62	0.720
64	0.709
66	0.699

k) częstotliwość górna pierwszego stopnia wzmacniacza R_d - zwarte

f	UWY
[kHz]	[ V]
1	1.001
10	1.020
20	0.979
30	0.921
40	0.845
50	0.759
52	0.741
54	0.733
56	0.721
58	0.706
60	0.694

III. Wnioski.

1. Przy zdejmowaniu charakterystyki stałoprądowej zauważono, że:

- w układzie z lokalnym sprzężeniem zwrotnym wartości wzmocnienia k = U_WY/U_WE zmieniają się w szerokim przedziale wartości, a nawet sugerują, że układ tłumi , jak to widać dla małych wartości napięcia wejściowego.

- w układzie ze sprzężeniem globalnym wartość wzmocnienia praktycznie nie zmieniała się, oscylując wokół wartości ok. 11 V/V.

Można to tłumaczyć stabilizującym działaniem sprzężenia zwrotnego, przy czym im większą część układu ono obejmuje, tym skuteczniejsze jego działanie.

Wyraźne odchyłki, jakie widać w tabelach ( np. k = 15 dla U_WE = 0.005 V) spowodowane są niedokładnością pomiaru, przy tak małych wartościach.

2. Zamieszczone oscylogramy również wskazują na większą skuteczność sprzężenia globalnego, tym razem poprzez wpływ sprzężenia na zniekształcenia nieliniowe (skrośne). Wyraźnie widać ich zmniejszenie w układzie ze sprzężeniem globalnym.

3. Niestety, brak czasu oraz wybitna niedyspozycja osób przeprowadzających ćwiczenie, nie pozwoliły na wykonanie kompletu pomiarów i obliczeń dla układu ze sprzężeniem napięciowo-szeregowym. Wykonane pomiary nie dają podstawy do zweryfikowania wpływu UZS na parametry układu, więc zaprezentujemy jedynie teorię, która winna była sprawdzić się:

- wzmocnienie napięciowe maleje,

- impedancja wejściowa wzrasta,

- impedancja wyjściowa maleje,

- pasmo 3-decybelowe zwiększa się.

4. Przy zmianie wartości rezystorów kolektorowych R_C1, R_C2 nie zmieniały się wartości prądów kolektorowych.

W jakim celu stosuje się dodatnie i ujemne sprzężenie zwrotne.

Odpowiedzi na to pytanie można udzielić poprzez wymienienie cech ujemnego i dodatniego sprzężenia zwrotnego, co jednoznacznie pokaże , co daje zastosowanie danego sprzężenia zwrotnego, a zatem przedstawi cele przyświecające konstruktorom projektującym układy wykorzystujące sprzężenie zwrotne.

Ujemne sprzężenie zwrotne powoduje:

- zmniejszenie wzmocnienia,

- stabilizację punktu pracy tranzystora,

- zmniejszenie wrażliwości układu na zmianę wartości elementów, co jest szczególnie ważne w mikroelektronice, gdzie brak możliwości wymiany elementów wymaga bardzo małej wrażliwości na produkcyjny rozrzut wartości elementów,

- zmianę kształtu charakterystyk amplitudowej i fazowej, przez co zwiększa się pasmo trzydecybelowe w układach o jednobiegunowej transmitancji i bezinercyjnym układzie sprzężenia zwrotnego,

- niezmienność pola wzmocnienia, co oczywiście jest powiązane z faktem obniżania wzmocnienia przy jednoczesnym zwiększaniu pasma trzydecybelowego,

- zmniejszenie zniekształceń nieliniowych i poziomu szumów,

- rozszerzenie zakresu pracy liniowej,

- możliwość przewidzenia zachowania się układu w różnych sytuacjach,

- zmianę impedancji, a konkretnie sprzężenie zwrotne:

• napięciowo-szeregowe, prądowo-szeregowe zwiększa moduł impedancji wej ściowej,

• napięciowo-równoległe, prądowo-równoległe zmniejsza moduł impedancji wejściowej,

• prądowo-szeregowe, prądowo-napięciowe zwiększa moduł impedancji wyj ściowej,

• napięciowo-prądowe, napięciowo-równoległe zmniejsza moduł impedancji wyjściowej.

Krotność wielu z tych zmian jest równa modułowi różnicy zwrotnej.

Oprócz jednej wymienionej już wady ujemnego sprzężenia zwrotnego, czyli zmniejszania wzmocnienia jest jeszcze jedna, a mianowicie możliwość znacznej zmiany fazy wywołana zmianą częstotliwości. Wszystko to prowadzi do zmiany typu sprzężenia na dodatni, czyli istnieje ryzyko nagłego pojawienia się drgań elektrycznych i wzbudzenia układu.

Dodatnie sprzężenie zwrotne wbrew temu, co sugerowałaby sama nazwa nie jest zjawiskiem ogólnie pozytywnym, choć jego ocena zależy jak w wielu innych przypadkach od kontekstu, czyli od konkretnego miejsca występowania-zastosowania. Dodatnie sprzężenie zwrotne wywołuje w układzie drgania elektryczne, które prowadzą do generowania przebiegów harmonicznych.

Zastosowanie dodatniego i ujemnego sprzężenia zwrotnego w technice.

Dodatnie sprzężenie zwrotne nie znajduje zbyt wielkiego zastosowania w technice, gdyż dosyć kłopotliwe jest ujarzmienie procesów przez nie wywoływanych. Najczęstszym zastosowaniem dodatniego sprzężenia zwrotnego są generatory wykorzystujące podstawową cechę, czyli wzbudzanie się i generowanie przebiegów harmonicznych. Rzadziej natomiast stosuje się dodatnie sprzężenie zwrotne w układach przerzutnikowych i wzmacniaczach ( głównie po to, aby uzyskać dużą impedancję wejściową).

Dziedziną, która najlepiej pokazuje „kontrowersyjność” dodatniego sprzężenie zwrotnego jest akustyka. Każdy prawie śmiertelnik wie, co się stanie jeśli sygnał z głośników dostanie się w zasięg pracy mikrofonu będącego na początku tego samego toru elektroakustycznego, co wymienione głośniki. Bardzo nieprzyjemny gwizd zwany popularnie sprzęgiem jest efektem właśnie dodatniego sprzężenia zwrotnego, które może być efektem nieuwagi artysty bądź akustyka. Jednak z drugiej strony, gdyby nie rewolucyjne odkrycie Jimi'ego Hendrixa, który jako pierwszy zauważył jaki wpływ na brzmienie gitary elektrycznej ma sprzężenie zwrotne, czyli podanie sygnału akustycznego wydobywającego się ze wzmacniacza gitarowego (dokładnie z głośnika gitarowego) z powrotem na przetworniki gitarowe, nie byłoby dzisiaj tak dobrze wszystkim znanego ciężkiego brzmienia gitary rockowej. Słynne brzmienie hendrixowskie powstało nie tylko dzięki połączeniu klasycznych już dzisiaj gitary Stratocaster firmy Fender i wzmacniacza lampowego Marschalla, lecz również (albo i przede wszystkim) dzięki doprowadzonej przez Hendrixa do perfekcji sztuki sprzęgania się, co jak każdy gitarzysta wie, nie jest takie proste, jakby się mogło wydawać.

Ujemne sprzężenie zwrotne znajduje mnóstwo zastosowań w technice. Przede wszystkim jest ono bardzo namiętnie stosowane we wszelakich układach wzmacniających, przez co poprawia się parametry wymienione w poprzednim punkcie. Ujemne sprzężenie zwrotne nierozerwalnie związane jest z układami wykorzystującymi wzmacniacze operacyjne. Jeśli parametry członu sprzężenia zwrotnego uzależnimy od częstotliwości to uzyskamy moduły mogące posłużyć do budowy korektora graficznego, który jest nieodłączną częścią większości torów elektroakustycznych. Gdyby do tego jeszcze dodać układy rezonansowe to moglibyśmy już zbudować korektor parametryczny używany w profesjonalnym sprzęcie nagłośnieniowym. Jeśli natomiast parametry członu sprzężenia zwrotnego uzależnimy od amplitudy to uzyskamy wzmacniacz nieliniowy np. wzmacniacz logarytmujący. Stosując ujemne sprzężenie zwrotne należy zawsze pamiętać o zaprojektowaniu kompensacji zmiany fazy aby zabezpieczyć się przed możliwością zmiany typu sprzężenia zwrotnego z ujemnego na dodatni, co byłoby bardzo niepożądane. Ujemne sprzężenie zwrotne stosuje się także przy konstruowaniu źródeł prądowych o prawie nieskończonej impedancji wyjściowej oraz źródeł napięciowych o prawie zerowej impedancji wejściowej.

Jeszcze jeden przykład zastosowania ujemnego sprzężenia zwrotnego. Niejednokrotnie realizatorzy dźwięku, którzy nie lubią zbytnio poruszania się tylko po już dobrze wydeptanych ścieżkach stosują podłączanie procesorów efektowych nie za pomocą we/wy „insert”, jakie standardowo znajdują się w każdym stole mikserskim, lecz właśnie za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego. Efektów takich eksperymentów można posłuchać między innymi na płytach takich sław jak Pink Floyd, czy Tangerine Dream. Sprzężenie zwrotne podobnie jak przeciwfaza jest dla akustyków czymś, czego się obawiają, lecz zarazem zjawiskiem pociągającym.

13

---