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

7:

T

RANZYSTOROWY WZMACNIACZ MAŁEJ CZ STOTLIWO CI

K

IELCE

2006

- 2

1. Wst p teoretyczny

Wzmacniacz to układ elektroniczny, na którego zaciskach wyj ciowych uzyskuje si sygnał o

zwi kszonej amplitudzie napi cia, pr du lub zwi kszonej mocy, bez zmiany kształtu w stosunku do

sygnału wej ciowego. Sygnał wej ciowy jest wi c swego rodzaju wzorcem, według którego wzmacniacz

kształtuje du y pr d pobierany z innego ródła - z zasilacza. Wzmacniacz nie powinien obci a ródła

sygnału wzmacnianego, czyli jego obwód wej ciowy nie powinien pobiera pr du. Oznacza to, e

impedancja wej ciowa wzmacniacza powinna by jak najwi ksza.

Ka dy wzmacniacz musi mie element czynny sterowany, zwykle tranzystor, realizuj cy zadanie

kształtowania pr du pobieranego z zasilacza, czyli sterowania du moc pobieran z zasilacza kosztem

nieznacznej mocy pobieranej ze ródła sygnału wzmacnianego.

W ka dym wzmacniaczu wyró nia si dwa zasadnicze obwody: obwód sygnału i obwód zasilania.

Obwód zasilania stwarza wła ciwe warunki dla wzmocnienia sygnału, natomiast obwód sygnału jest

zwi zany z przenoszeniem sygnału przez wzmacniacz. Dla wzmacnianego sygnału wzmacniacz stanowi

czwórnik (rys. 1). Do jego zacisków wej ciowych jest doł czone ródło sygnału E

g

o impedancji Z

g

, a do

zacisków wyj ciowych – impedancja obci enia Z

0

. Napi cie wyj ciowe U

wy

i pr d wyj ciowy I

wy

s

powi zane z napi ciem wej ciowym U

we

i pr dem wej ciowym I

we

zale no ciami:

we

u

wy

U

k

U

=

we

i

wy

I

k

I

=

gdzie: współczynniki k

u

i k

i

s nazywane odpowiednio współczynnikiem wzmocnienia

napi ciowego i współczynnikiem wzmocnienia pr dowego. Typowy układ pracy wzmacniacza

małosygnałowego przedstawia rys. 1.

Rys. 1. Schemat ogólny wzmacniacza małosygnałowego

Załó my, e Z

0

osi gnie du warto

(

)

∞

→

0

Z

. Mówi si wtedy, e wzmacniacz jest nie obci ony.

Z tak sytuacj mamy do czynienia wówczas, gdy doł czymy oscyloskop na wyj cie wzmacniacza małej

cz stotliwo ci. Oscyloskop nie b dzie „widoczny” na wyj ciu wzmacniacza, poniewa posiada du

rezystancj oraz mał pojemno wej ciow .

Jako ródło sygnału mo emy zastosowa generator napi cia zmiennego lub inny wzmacniacz. W

pierwszym przypadku rezystancja wyj ciowa Z

g

generatora jest na ogół znormalizowana i wynosi 50

Ω

dla wyj cia koncentrycznego i 600

Ω dla niekoncentrycznego.

Ze wzgl du na przeznaczenie wymaga si od wzmacniacza du ego wzmocnienia napi ciowego,

pr dowego lub mocy. Wzmacniacz idealny powinien wzmacnia sygnały, nie powoduj c zmiany ich

kształtu. We wzmacniaczach rzeczywistych powstaj dwojakiego rodzaju zniekształcenia sygnałów:

•

zniekształcenia nieliniowe, wywołane np. przez nieliniowo charakterystyk statycznych

niektórych elementów wzmacniacza (tranzystora, transformatora z rdzeniem elaznym itd.),

szumy i zakłócenia

•

zniekształcenia liniowe, wywołane niejednakowym przenoszeniem przez wzmacniacz sygnałów o

ró nych cz stotliwo ciach.

Pod poj ciem „wzmacniacz małej cz stotliwo ci” nale y rozumie wzmacniacz o sprz eniu

zmiennopr dowym, pracuj cy zasadniczo w zakresie cz stotliwo ci akustycznych. Wzmacniacze tego

rodzaju mo na podzieli na dwie zasadnicze grupy:

Z

o

~

Z

g

E

g

I

we

U

we

>

U

wy

I

wy

C

1

C

2

- 3

•

wzmacniacze małosygnałowe, napi ciowe lub pr dowe

•

wzmacniacze wielkosygnałowe (mocy).

Wzmacniacze małosygnałowe projektuje si przy zało eniu, e w obr bie zmiany sygnału parametry

tranzystora pozostaj stałe.

1.1. Układy polaryzacji tranzystora bipolarnego

Dla prawidłowej pracy tranzystora bipolarnego 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

C

, U

CE

). We wzmacniaczach napi ciowych punkt pracy tranzystora powinien

znajdowa si w zakresie aktywnym charakterystyk statycznych. Zł cze emiter-baza nale y spolaryzowa

wtedy w kierunku przewodzenia, a zł cze kolektor-baza w kierunku wstecznym. 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.

Istniej trzy podstawowe układy polaryzacji tranzystorów bipolarnych, pracuj cego w układzie

WE.:

•

układ ze stałym pr dem bazy (rys. 2a.)

•

układ z ujemnym napi ciowym sprz eniem zwrotnym (rys. 2b.)

•

układ z dzielnikiem napi ciowym (potencjometryczny) (rys. 2c.)

Rys. 2. Układy polaryzacji tranzystora bipolarnego: a) ze stałym pr dem bazy, b) z napi ciowym

sprz eniem zwrotnym, c) potencjometryczny

1.2. Analiza układu polaryzacji stałym pr dem bazy

Projektowanie układu z rys. 2a. mo e przebiega według nast puj cych etapów:
1) Wybieramy napi cie zasilania E

C

i rezystancj R

C.

Dla obwodu wyj ciowego obowi zuje zale no :

C

CE

C

C

E

U

R

I

=

+

⋅

st d :

1

=

+

C

CE

R

E

C

E

U

I

C

C

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

charakterystyk wyj ciowych tranzystora (rys. 3.). Przecina ona o odci tych w punkcie

C (E

C,

0), a o

rz dnych w punkcie

B (0,

C

C

R

E

). Prost

BC nazywa si prost obci enia (prost pracy).

T

R

C

R

B

+E

C

a)

T

R

C

R

f

+E

C

b)

T

R

C

R

E

R

1

R

2

C

E

+E

C

c)

- 4

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 pr du bazy. Na podstawie współrz dnych punktu pracy mo na wyznaczy warto ci

elementów zasilania. Rzut punktu

A na o napi wyznacza napi cie U

CE 0

. Natomiast rzut punktu

A na

o pr du kolektora wyznacza spoczynkow warto pr du kolektora I

C 0

.

3) Wyznaczamy warto rezystora R

B

tak, aby płyn ł przez niego pr d I

B 0

potrzebny do polaryzacji

bazy. Zatem:

0

0

B

BE

C

B

I

U

E

R

−

=

C

C

R

E

Rys. 3. Poło enie punktu pracy tranzystora bipolarnego

1.3. Parametry robocze wzmacniacza z tranzystorem bipolarnym

Schemat zast pczy wzmacniacza ze stałym pr dem bazy przedstawiony na rys 4.

Rys. 4. Zmiennopr dowy schemat zast pczy wzmacniacza z układem polaryzacji ze stałym pr dem

bazy (rys. 2a).

U

CE

[V]

I

C

[mA]

P

t0t

B

A

I

C max

U

CE max

C

U

CE 0

I

C 0

I

B 0t

E

C

B

C

~

Z

g

e

g

I

b

U

be

R

B

h

11e

h

12e

U

ce

h

21e

I

b

h

22e

U

ce

R

C

I

c

Z

0

E

- 5

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:

B

g

B

g

g

R

Z

R

e

e

+

=

'

,

B

g

B

g

g

R

Z

R

Z

Z

+

⋅

=

′

,

C

C

R

Z

R

Z

Z

+

⋅

=

0

0

'

0

Je eli spełnione s warunki:

g

B

Z

R

>>

oraz

0

Z

R

C

<<

wówczas powy sze zale no ci upraszczaj si do postaci:

g

g

e

e

=

'

g

g

Z

Z

=

'

C

R

Z

=

'

0

.

Podstawowe parametry wzmacniacza s okre lone wzorami:

wzmocnienie pr dowe

e

C

e

e

b

c

i

h

R

h

h

I

I

k

21

22

21

1

−

≈

⋅

+

−

=

−

=

, przy

1

22

<<

C

e

R

h

impedancja wej ciowa

e

C

i

e

e

b

be

we

h

R

k

h

h

I

U

Z

11

12

11

≈

⋅

⋅

+

=

=

, przy małych warto ciach R

C

wzmocnienie napi ciowe

e

g

C

e

be

ce

u

h

Z

R

h

U

U

k

11

21

+

−

≈

=

admitancja wyj ciowa

e

g

e

e

e

ce

c

wy

h

Z

h

h

h

U

I

Y

11

21

12

22

+

−

=

=

Powy sze wzory s prawdziwe dla wzmacniacza z rys. 2c. pod warunkiem, e mo emy pomin

reaktancj pojemno ci C

1

, C

2

i C

E

. Wówczas nale y uwzgl dni wpływ bocznikuj cy rezystancji

2

1

2

1

R

R

R

R

R

B

+

⋅

=

na wypadkow impedancj wewn trzn ródła sygnału. Dla układu wzmacniacza bez

pojemno ci C

E

w emiterze, powy sze wzory, które okre laj jako wzmacniacza, przybieraj bardziej

zło on form .

Na podstawie wyznaczonych parametrów mo na okre li wła ciwo ci układu

WE:

•

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 i pr dowe oraz du e wzmocnienie mocy,

•

rezystancja wej ciowa układu jest umiarkowanie mała, 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 amplitudowa 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 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

m

u

k

(w podziałce logarytmicznej odpowiada to zmniejszeniu o

3dB). Szeroko pasma przenoszenia

d

g

f

f

B

−

=

. W celu wyznaczenia charakterystyki amplitudowej na

wej cie wzmacniacza podaje si sygnały z generatora w szerokim zakresie zmian cz stotliwo ci.

Amplitudy napi cia wej ciowego U

we

i napi cie wyj ciowe U

wy

mierzymy na oscyloskopie, obliczamy

=

V

V

U

U

k

we

wy

u

oraz

[ ]

dB

U

U

K

we

wy

u

⋅

=

log

20

i w ten sposób wyznaczamy punkty charakterystyki.

- 6

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

mi dzy sygnałem wyj ciowym U

wy

a wej ciowym U

we

, dla wzmacniacza odwracaj cego (

WE)

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

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

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

rys. 5.

Rys. 5. Przebieg typowej charakterystyki wzmacniacza odwracaj cego a) amplitudowej b) fazowej.

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). Na rys. 6. przedstawiono

przebiegi czasowe sygnału wej ciowego U

we

oraz sygnału wyj ciowego U

wy

dla dwóch

charakterystycznych cz stotliwo ci, dolnej cz stotliwo ci granicznej f

d

i górnej cz stotliwo ci granicznej

f

g

. Na rysunku zaznaczono równie przesuni cia fazowe pomi dzy sygnałami wej ciowym i wyj ciowym.

f

d

f

[Hz]

K

U

[dB]]

3 dB

K

Umax

f

d

f

g

[

°]

f

[Hz]

180

°

225

°

270

°

90

°

135

°

B

f

g

100

1k

10k

100k

1M

100

1k

10k

100k

1M

b)

a)

- 7

Rys. 6. Przebiegi sygnału wej ciowego i wyj ciowego wzmacniacza odwracaj cego dla

charakterystycznych cz stotliwo ci: a) dolnej cz stotliwo ci granicznej f

d

. b) górnej

cz stotliwo ci granicznej f

g

u

we

t

u

wy

t

=225

°

f = f

d

u

wy

t

=135

°

f = f

g

U

we

U

wy

a)

b)

- 8

2. Przebieg wiczenia

2.1. Pomiar charakterystyki amplitudowej wzmacniacza

Schemat pomiarowy

Rys.7.

Układ do pomiaru charakterystyk wzmacniacza małej cz stotliwo ci z tranzystorem

bipolarnym

n-p-n w układzie WE

Sposób przeprowadzenia pomiarów

•

Poł czy układ pomiarowy przedstawiony na rys. 7. Warto ci elementów: R

1

=100k

Ω, R

2

=10k

Ω,

R

C

=4,7k

Ω, R

E

=100

Ω, R

0

=9,1k

Ω, C

1

=0,1

µF, C

2

=0,1

µF, C

E

=25

µF, E

C

=10V:

•

Ustawi na generatorze

G przebieg sinusoidalny o cz stotliwo ci f=10kHz i amplitudzie

U

we

= 20mV (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 warto ci mi dzyszczytowej (podwójnej amplitudy) sygnału wej ciowego (kanał

A) i

warto ci mi dzyszczytowej 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,

T

R

C

R

E

C

2

R

1

R

2

C

1

C

E

R

o

E

C

G

kanał

A

kanał

B

Oscyloskop

- 9

Tabela pomiarowa
Tabela 1. Pomiar charakterystyki amplitudowej wzmacniacza

)

( f

k

k

u

u

=

U

we

=20mV R

0

= 9,1k

Ω, C

E

=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. 8.). 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 b (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. 8. Ilustracja do wyznaczania przesuni cia fazowego metod oscyloskopow .

Y

X

b

a

- 10

Tabela pomiarowa

Tabela 2. Pomiar charakterystyki fazowej wzmacniacza

)

( f

ϕ

=

ϕ

U

we

=20mV R

0

= 1k

Ω, C

E

=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 górn 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.