LABORATORIUM ELEKTRONIKI
Ćwiczenie - 3
Podstawowe układy pracy tranzystorów
Spis treści
1 Cel ćwiczenia 1
2 Podstawy teoretyczne 2
2.1 Podstawowe układy pracy tranzystora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2 Wzmacniacz w układzie wspólnego kolektora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2.1 Ustalanie punktu pracy wzmacniacza w układzie WK . . . . . . . . . . . 3
2.3 Wzmacniacz w układzie wspólnego emitera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3.1 Ustalanie punktu pracy tranzystora w układzie WE . . . . . . . . . . . . 5
3 Przebieg ćwiczenia 6
3.1 Badanie tranzystora bipolarnego w układzie WE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.1.1 Wyznaczenie charakterystyki Uwy = f(Uwe) wzmacniacza w układzie WE 6
3.1.2 Ustalenie punktu pracy tranzystora w układzie WE . . . . . . . . . . . . 6
3.1.3 Wyznaczenie charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza WE . . . 7
3.2 Badanie tranzystora bipolarnego w układzie WK . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2.1 Wyznaczenie charakterystyki Uwy = f(Uwe) wzmacniacza w układzie WK 8
3.2.2 Ustalenie punktu pracy tranzystora w układzie WK . . . . . . . . . . . . 8
3.2.3 Wyznaczenie charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza WK . . . 9
4 Sprawozdanie 10
5 Niezbędne wyposażenie 10
Protokół 11
Wyniki pomiarów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Charakterystyki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1 Cel ćwiczenia
" Zbudowanie i zbadanie wzmacniaczy tranzystorowych w układzie wspólny emiter, wspólny
kolektor.
1
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
2 Podstawy teoretyczne
2.1 Podstawowe układy pracy tranzystora
Podstawowymi układami pracy tranzystora bipolarnego są wzmacniacze: wzmacniacz w układzie
wspólnego kolektorze i wzmacniacz w układzie wspólnego emitera. Przy czym wzmacniacz jest
to układ, w którym energia z zasilacza jest zamieniana na energię sygnału wyjściowego, gdzie
sygnał wyjściowy jest funkcją sygnału wejściowego.
2.2 Wzmacniacz w układzie wspólnego kolektora
Wzmacniacz z rysunku 1 w układzie wspólnego kolektora (WK) nazywany również wtórnikiem
emiterowym. Wyjściem układu jest emiter tranzystora. Napięcie na wyjściu jest równe napięciu
wejściowemu (na bazie) pomniejszonemu o spadek napięcie na złączu baza-emiter (spadek na
przewodzÄ…cej diodzie) zatem:
Uwy = UE = UB - UBE H" Uwe - 0, 6[V ]
Gdy napięcie na wejściu jest mniejsze od 0, 6 to na pięcie na wyjściu jest 0. Prąd emitera:
UE Uwe - 0, 6
IE = =
RE RE
Ponadto:
IE
IE = IC + IB i IC = ²IB Ò! IE = ²IB + IB = IB(² + 1) Ò! IB =
² + 1
Wzmacniacz w układzie WK nie wzmacnia napięcia ale wzmacnia prąd, czyli jest wzmacniaczem
mocy.
U
IC
² = hF E
IB
UBE
IE
Uwe
RE UE Uwy
Rysunek 1: Wzmacniacz o wspólnym kolektorze
Jest to układ z emiterowym sprzężeniem zwrotnym. Po podaniu napięcia na wejście tranzys-
tor się otwiera, zaczyna płynąć prąd kolektora i emitera. Pojawia się napięcia UE a przez co
napięcie UBE maleje i ustala się na poziomie przy którym spełnione jest równanie:
UBE = Uwe - IB(² + 1)RE.
2
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
W wzmacniaczu z rezystorem RE w obwodzie emitera występuje prądowe ujemne sprzężenie
zwrotne.
2.2.1 Ustalanie punktu pracy wzmacniacza w układzie WK
Należy ustalić spoczynkowy punkt pracy wtórnika tak aby prąd kolektora płynął zawsze dla
założonego zakresu sygnału wejściowego oraz aby nie została przekroczona dopuszczalna moc
strat na tranzystorze. Spoczynkowy punkt pracy dobiera się przy założeniu zerowego napięcia
wejściowego. W celu ustalenia spoczynkowego punktu pracy najprostszym rozwiązaniem jest
zastosowanie dzielnika rezystancyjnego - rysunek 2.
U
IR1
IC
R1
² = hF E
UBE
C2
C1
IE
R2
Uwe(t)
RE UE
Uwy(t)
IR2
Rysunek 2: Wzmacniacz w układzie WK ze sprzężeniem pojemnościowym i dzielnikiem rezys-
tancyjnym ustalajÄ…cym punkt pracy
Rezystory R1 i R2 najczęściej dobiera się w taki sposób aby przy braku napięcia wejściowego,
U
napięcie na emiterze równało się połowie napięcia zasilania czyli UE = . Ponadto wiadomo, że
2
U
UB = UE + UBE = UE + 0, 6, zatem UR = UB = UE + 0, 6 = + 0, 6.
2
2
Rezystory dobieramy w taki sposób aby prąd płynący przez dzielnik był o kilka rzędów
większy od prądu bazy, wtedy prąd bazy nie będzie wpływał w znaczny sposób na rozkład
napięć na dzielniku. Zatem pomijając prąd bazy otrzymujemy:
+ 0, 6
U UR U
2
2
IR = IR = i IR = =
1 2 2
R1 + R2 R2 R2
Z powyższego otrzymujemy:
U
- 0, 6
2
R1 = R2 U
+ 0, 6
2
3
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
2.3 Wzmacniacz w układzie wspólnego emitera
Wzmacniacz w układzie wspólnego emitera (WE) przedstawiono na rysunku 3, jest to układ w
którym wyjściem jest kolektor tranzystora.
U
U
RC URC
RC
UCE
UC Uwy
Uwy Uwe
RE UE
Uwe
(a) układ z uziemionym emiterem (b) układ z emiterowym sprzężeniem zwrotnym
Rysunek 3: Wzmacniacz w układzie wspólnego emitera
Rozważmy układ z rysunku 3b z emiterowym sprzężeniem zwrotnym. Po podaniu napięcia na
UE Uwe1-0,6
wejście Uwe = Uwe1 otrzymujemy UE = Uwe1 - UBE H" Uwe1 - 0, 6, ponadto IE = H" .
RE RE
Ze względu na to, że wzmocnienie prądowe tranzystora jest stosunkowo duże można przyjąć
Uwe1-0,6
że IC H" IE i wyznaczyć UR = ICRC H" RC. Znając napięcie na rezystorze kolektora
C
RE
Uwe1-0,6
wyznaczyć można napięcie na wyjściu Uwy1 = U - UR H" U - RC.
C
RE
Gdy napięcie na wejściu równa się Uwe2 = Uwe1 + "Uwe na wyjściu otrzymujemy Uwy2 H"
Uwe2-0,6 Uwe1+"Uwe-0,6
U - RC = U - RC.
RE RE
Wyznaczy dalej wzmocnienie napięciowe:
Uwe1+"Uwe-0,6 Uwe1-0,6
RC - U - RC RC
"Uwy Uwy2 - Uwy1 U - RE RE
Ku = = = = -
"Uwe Uwe2 - Uwe1 Uwe1 + "Uwe - Uwe1 RE
Z powyższego wynika, że układ ten jest wzmacniaczem napięcia. Znak minus oznacza, że do-
RC
datnia zmiana napięcia na wejściu powoduje ujemną - krotną zmianę napięcia na wyjściu.
RE
Układ z rysunku 3a otrzymujemy w przypadku gdy w układzie z rysunku 3b rezystancja
emitera RE dąży do zera. Zgodnie z powyższymi rozważaniami wzmocnienie napięciowe Ku =
C
-R . Zatem gdy RE dąży do zera wzmocnienie teoretycznie dąży do nieskończoności. Jednak
RE
C
w rzeczywistości w przypadku gdy RE = 0 wzmocnienie napięciowe wynosi Ku = -R , gdzie re
re
jest nieznanÄ… rezystancjÄ… emitera.
4
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
2.3.1 Ustalanie punktu pracy tranzystora w układzie WE
Na początku dobieramy spoczynkowy prąd kolektora, tak aby dla założonego zakresu napięć na
wejściu moc strat na tranzystorze nie przekraczała mocy maksymalnej. Mając prąd spoczynkowy
kolektora oraz przyjmując napięcie na wyjściu przy braku napięcia na wejściu dobieramy wartość
rezystora kolektorowego RC. Następnie z założonego wzmocnienia dobieramy rezystor emiterowy
RE.
U
IR1
URC
RC
C2
R1
IC
UCE
UBE
C1
IE
Uwy(t)
R2
Uwe(t)
RE
UE
IR2
Rysunek 4: Wzmacniacz w układzie WE ze sprzężeniem pojemnościowym i dzielnikiem rezys-
tancyjnym ustalajÄ…cym punkt pracy
Czyli rezystory RC i RE dobieramy w taki sposób aby uzyskać założone wzmocnienie napię-
ciowe oraz w taki sposób aby dla założonego zakresu amplitudy napięcia wejściowego moc strat
na tranzystorze nie przekraczała mocy maksymalnej. Rezystory R1 i R2 najczęściej dobiera się
w taki sposób aby przy braku napięcia wejściowego, na kolektorze napięcie równało się połowie
U U
napięcia zasilania czyli UC = . Zatem gdy UC = napięcie na rezystorze kolektorowym UR =
C
2 2
U
U
2
, prąd kolektora IC = . Ze względu na duże wzmocnienie prądowe tranzystora przyjmujemy
2 RC
U
2
IE H" IC. Napięcie na rezystorze R2 wynosi UR = UE + UBE = IERE + UBE H" RE + 0, 6.
2
RC
UR2
U
Pomijając prąd bazy otrzymujemy = . Z ostatniego równania otrzymujemy stosunek
R1+R2 R2
rezystancji dzielnika.
5
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
3 Przebieg ćwiczenia
3.1 Badanie tranzystora bipolarnego w układzie WE
3.1.1 Wyznaczenie charakterystyki Uwy = f(Uwe) wzmacniacza w układzie WE
Połączyć układ jak na rysunku 5. Na kanale pierwszym zasilacza (CH1) ustawić napięcie za-
silania U+15 = 15V oraz ograniczenie prądu na ICH1max = 100mA. Zmieniając napięcie
wejściowe Uwe za pomocą potencjometru w zakresie Uwe " (0V ; 2, 5V ) zmierzyć napięcie na
wyjściu Uwy. Wyniki zapisać w tabeli 1 oraz zaznaczyć na rysunku 11.
U+15
zasilacz
GWInstek
U+15
RC =1k&!
-CH2+ -CH1+
BC546
APPA
Uwy
62
Uwe APPA
207
RE=100&!
Rysunek 5
3.1.2 Ustalenie punktu pracy tranzystora w układzie WE
W układzie przedstawionym na rysunku 6 U+15 = 15V
i
ustalić trzy spoczynkowe punkty pracy
tranzystora tzn. dobrać rezystory R1 i R2 RC =1k&!
tak aby przy braku sygnału wejściowego uwe(t) R1
napięcie na kolektorze wynosiło:
- UC1 = 3V ,
C2
BC546
- UC2 = 7, 5V ,
² = hF E H" 100
C1
- UC3 = 12V .
UC uwy(t)
Parametry dobranych rezystorów zapisać w
uwe(t) R2
RE=100&!
tabeli 2.
Rysunek 6
i
Podczas ustalania punktu pracy skorzystać z wyników uzyskanych w punkcie 3.1.1.
6
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
3.1.3 Wyznaczenie charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza WE
Połączyć układ jak na rysunku 7. Na wejście układu podać przebieg sinusoidalny o amplitudzie
Uwe = 0.6V i częstotliwości f = 1kHz. Zarejestrować przebiegi napięcia na wejściu i wyjściu
dla trzech punktów spoczynkowych z punktu 3.1.2 (różne konfiguracje rezystorów R1 i R2). Na
podstawie otrzymanych przebiegów określić optymalny spoczynkowy punkt pracy pod względem
zakresu amplitudy sygnału wejściowego.
generator oscyloskop
NDN Tektronix
OUT CH1 CH2
U+15 = 15V
zasilacz
RC =1k&!
GWInstek
R1
U+15
-CH2+ -CH1+
C2 = 1µF
BC546
C1 = 1µF
uwy(t)
uwe(t) R2
RE=100&!
Rysunek 7
Dla optymalnego punktu spoczynkowego w układzie z rysunku 7 wyznaczyć charakterystykę
amplitudową i fazową wzmacniacza WE. Na wejście układu podać przebieg sinusoidalny o am-
plitudzie Uwe H" 0.5V . Dokonać pomiaru napięcia międzyszczytowego 2Uwe na wejściu oraz
2Uwy na wyjściu. Pomiary wykonać dla sygnałów o częstotliwości z zakresu od 0, 01kHz do
Uwy Uwy
1MHz. Obliczyć A = , AdB = 20 log oraz Õ. Wyniki pomiarów i obliczeÅ„ zapisać w
Uwe Uwe
tabeli 3. Na rysunku 12 wykreślić charakterystykę amplitudową.
7
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
3.2 Badanie tranzystora bipolarnego w układzie WK
3.2.1 Wyznaczenie charakterystyki Uwy = f(Uwe) wzmacniacza w układzie WK
Połączyć układ jak na rysunku 8. Na kanale pierwszym zasilacza (CH1) ustawić napięcie za-
silania U+15 = 15V oraz ograniczenie prądu na ICH1max = 100mA. Zmieniając napięcie
wejściowe Uwe za pomocą potencjometru w zakresie Uwe " (0V ; 15V ) zmierzyć napięcie na
wyjściu Uwy. Wyniki zapisać w tabeli 4 oraz zaznaczyć na rysunku 13.
U+15
zasilacz
GWInstek
U+15
BC546
-CH2+ -CH1+
Uwe
APPA
APPA
RE=1k&! Uwy
Rysunek 8
3.2.2 Ustalenie punktu pracy tranzystora w układzie WK
W układzie przedstawionym na rysunku 9
ii U+15 = 15V
ustalić trzy spoczynkowe punkty pracy
tranzystora tzn. dobrać rezystory R1 i R2
tak aby przy braku sygnału wejściowego uwe(t)
R1
² = hF E H" 100
napięcie na rezystorze emiterowym wynosiło:
- UE1 = 4V ,
BC546
C2
- UE2 = 7.5V ,
C1
- UE3 = 12V .
uwe(t) R2
Parametry dobranych rezystorów zapisać w
UE uwy(t)
tabeli 5.
RE=1k&!
Rysunek 9
ii
Podczas ustalania punktu pracy skorzystać z wyników uzyskanych w punkcie 3.2.1.
8
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
3.2.3 Wyznaczenie charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza WK
Połączyć układ jak na rysunku 10. Na wejście układu podać przebieg sinusoidalny o amplitudzie
Uwe = 7.5V i częstotliwości f = 1kHz. Zarejestrować przebiegi napięcia na wejściu i wyjściu
dla trzech punktów spoczynkowych z punktu 3.2.2 (różne konfiguracje rezystora R1 i R2). Na
podstawie otrzymanych przebiegów określić optymalny spoczynkowy punkt pracy pod względem
zakresu amplitudy sygnału wejściowego.
generator oscyloskop
NDN Tektronix
OUT CH1 CH2
U+15 = 15V
zasilacz
GWInstek
U+15
R1
-CH2+ -CH1+
BC546 C2=1µF
C1=1µF
uwe(t) R2
uwy(t)
RE=1k&!
Rysunek 10
Dla optymalnego punktu spoczynkowego w układzie z rysunku 10 wyznaczyć charakterystykę
amplitudową i fazową wzmacniacza WK. Na wejście układu podać przebieg sinusoidalny o am-
plitudzie Uwe H" 5V . Dokonać pomiaru napięcia międzyszczytowego 2Uwe na wejściu, 2Uwy na
wyjściu oraz "t. Pomiary wykonać dla sygnałów o częstotliwości z zakresu od 0, 01kHz do
Uwy Uwy
1MHz. Obliczyć A = , AdB = 20 log oraz Õ. Wyniki pomiarów i obliczeÅ„ zapisać w
Uwe Uwe
tabeli 6. Na rysunku 14 wykreślić charakterystykę amplitudową.
9
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
4 Sprawozdanie
4.1 Wykreślić i zinterpretować charakterystyki Uwy = f(Uwe) oraz częstotliwościowe w układzie
WE i WK.
4.2 Zamieścić oraz zinterpretować wybrane przebiegi uzyskane z oscyloskopu.
4.3 Porównać układ WE i WK.
5 Niezbędne wyposażenie
" kalkulator naukowy
" pendrive do 1GB lub aparat fotograficzny do rejestracji przebiegów z oscyloskopu
" protokół
Literatura
[1] Schenk Christoph Tietze Ulrich. Układy Półprzewodnikowe.
[2] Paul Horowitz Winfield Hill. Sztuka elektroniki cz.I.
[2, 1]
10
ĆWICZENIE - 3 GRUPA:oooooooooDATA:
Protokół
Wyniki pomiarów
Tabela 1: Charakterystyka Uwy = f(Uwe), układ WE
Wyniki pomiarów Wyniki pomiarów
Uwe[V ] Uwy[V ] Uwe[V ] Uwy[V ]
oooo0oooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo
0,1
0,2
0,3
2,5
Tabela 2: Ustalanie punku pracy w układzie WE
Dobór dzielnika rezystancyjnego
UC1 = 3 UC2 = 7.5 UC3 = 12
R1[k&!] R2[k&!] R1[k&!] R2[k&!] R1[k&!] R2[k&!]
ooooooo ooooooo ooooooo ooooooo ooooooo ooooooo
Tabela 3: Charakterystyka amplitudowa układu WE
Wyniki pomiarów Wyniki obliczeń
f[kHz] 2Uwe[V ] 2Uwy[V ] "t[ms] A[-] AdB[dB] Õ[ć%]
oooooooo oooooooo oooooooo oooooooo oooooooo oooooooo oooooooo
ooooooooo
ĆWICZENIE - 3 GRUPA:oooooooooDATA:
Tabela 4: Charakterystyka Uwy = f(Uwe), układ WK
Wyniki pomiarów Wyniki pomiarów
Uwe[V ] Uwy[V ] Uwe[V ] Uwy[V ]
oooo0oooo ooooooooo oooo1,5oooo ooooooooo
0,2 2
0,4 3
0,5 4
0,6 5
0,7 6
0,8 7
0,9 9
1 11
1,1 13
1,2 15
Tabela 5: Ustalanie punku pracy w układzie WK
Dobór dzielnika rezystancyjnego
UE1 = 4 UE2 = 7.5 UE3 = 12
R1[k&!] R2[k&!] R1[k&!] R2[k&!] R1[k&!] R2[k&!]
ooooooo ooooooo ooooooo ooooooo ooooooo ooooooo
Tabela 6: Charakterystyka amplitudowa układu WK
Wyniki pomiarów Wyniki obliczeń Wyniki pomiarów Wyniki obliczeń
f[kHz] 2Uwe[V ] 2Uwy[V ] A[-] AdB[dB] f[kHz] 2Uwe[V ] 2Uwy[V ] A[-] AdB[dB]
ooooo ooooo ooooo ooooo ooooo ooooo ooooo ooooo ooooo ooooo
ooooooooo
ĆWICZENIE - 3 GRUPA:oooooooooDATA:
Charakterystyki
Uwy[V ]
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Uwe[V ]
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4
Rysunek 11: Charakterystyka Uwy = f(Uwe) dla układu WE
AdB[dB]
20
10
0
-10
-20
-30
f[kHz]
0, 1 1 10 100 1000
Rysunek 12: Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WE
ooooooooo
ĆWICZENIE - 3 GRUPA:oooooooooDATA:
Uwy[V ]
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Uwe[V ]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Rysunek 13: Charakterystyka Uwy = f(Uwe) dla układu WK
AdB[dB]
0
-10
-20
-30
f[kHz]
0, 1 1 10 100 1000
Rysunek 14: Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WK
ooooooooo