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.