LABORATORIUM UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH	Dzień tygodnia : Środa godz. 10:15
Grupa 10 Maciej Skrzypczak Marcin Wróbel	Nr ćwiczenia : 3 Sprzężenia zwrotne
Data wykonania : 19 listopada 1997	Ocena:

1.Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest praktyczne zapoznanie się z wpływem ujemnego sprzężenia zwrotnego na właściwości wzmacniaczy.

2. Wzmacniacz z szeregowym — napięciowym sprzężeniem zwrotnym.

2.1 Pomiary parametrów roboczych wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego.

2.1.1 Do układu jak na schemacie na rys.2-1 instrukcji ćwiczenia wstawiono rezystory R_C1=R_C2=5.1kΩ oraz wysterowano wzmacniacz sygnałem o częstotliwości 1kHz.

a) Moduł wzmocnienia napięciowego wzmacniacza liczony jako stosunek modułów napięć wyjściowego do wejściowego:

K_U= U_Omax / U_Imax

U_Omax= 6.4 V

U_Imax = 0.45 mV

zatem wzmocnienie napięciowe:

K_U = 6.4 V / 450μV = 14222

b) Pomiar rezystancji wejściowej i wyjściowej dokonano za pomocą dodatkowych rezystorów i pomiaru napięcia na nich.

Rezystancja wejściowa :

gdzie U_WE — napięcie wejściowe przy R_d = 0 (zwarciu)

U_R — spadek napięcia na dołączonym rezystorze R_d.

Rezystancja wyjściowa :

gdzie U_O — napięcie wyjściowe bez dodatkowego rezystora

U_R — napięcie wyjściowe wzmacniacza obciążonego dodatkowym rezystorem R_D.

Pomiar częstotliwości górnej (-3dB) wzmacniacza przeprowadzono za pomocą oscyloskopu, ustawiając częstotliwość przy której amplituda sygnału wyjściowego (lub pierwszego stopnia wzmacniającego - punkt PP) zmalała do 1/√2 wartości amplitudy sygnału o częstotliwości 1kHz.

Uzyskano następujące wartości :

częstotliwość górna całego wzmacniacza - f_g = 60 kHz,

częstotliwość górna pierwszego stopnia wzmacniającego - f_g1 = 100 kHz.

2.1.2 Pomiar częstotliwości górnej wzmacniacza dla dwóch przypadków : R_C +/- 20%

Wyniki pomiaru częstotliwości oraz punkty pracy tranzystorów zestawiono w tabeli 1

Tabela 1.

	T1			T2			fg	fg1
RC=5k1Ω	UC	UB	UE	UC	UB	UE
	[V]	[V]	[V]	[V]	[V]	[V]	kHz	kHz
RC	7,6	1,7	1,07	7,5	1,7	1,04	60	100
RC +20%	7,00	1,7	1,03	6,7	1,7	1,0	119	90
RC -20%	8,5	1,7	1.07	8,4	1,7	1,0	170	185

Charakterystyki częstotliwościowe wzmacniacza z różnymi rezystorami R_C dołączono do sprawozdania.

Na podstawie zmierzonych punktów pracy obu tranzystorów określono prądy kolektorów płynące przez rezystancje R_C1 ,R_C2 :

I_C1= 0.863 mA

I_C2= 0.882 mA

Znając prądy kolektorów można oszacować współczynniki transkonduktancji tranzystorów gm oraz parametry małosygnałowe : g₁₁, g₁₂, g₂₁, g₂₂. Wykorzystując informacje, podane w instrukcji ćwiczenia dotyczące założeń i uproszczeń w obliczeniach parametrów roboczych wzmacniacza jako czwórnika, obliczamy wzmocnienie napięciowe oraz rezystancję we/wy pojedynczego stopnia jak również całego wzmacniacza. Po zastąpieniu wzmacniacza jego modelem małosygnałowym otrzymujemy macierz admitancyjną dla pojedynczego (pierwszego) stopnia wzmacniacza :

1/R1 + g11	g12	-(g11+g12)
g21	1/R2 + g22	-(g21+g22)
-(g11+g21)	-(g12+g22)	1/R3 + Σgij

gdzie R₁,R₂,R₃, to odpowiednie rezystancje zastępcze w modelu małosygnałowym wzmacniacza.

Podstawiając wartości liczbowe otrzymujemy :

0,000134	-5,00E-08	-9,84E-05
0,0315	0,000204708	-3,15E-02
-3,16E-02	-8,58E-06	0,041607

oraz po redukcji węzłów wewnętrznych :

5,96E-05	-7,02895E-08
0,007571	0,000198211

ostatecznie stosując wzory na parametry robocze wzmacniacza otrzymujemy:

Ku	-25,4 V/V
Rwe	132,1Ω
Rwy	5044,5Ω

Podobnie postępując w przypadku całego wzmacniacza, otrzymujemy macierz admitancyjną:

1/R1+g'11	0	g'12	-(g'11+g'12)
0	1/R2 +g''22	g''21	0
g'21	g''12	1/R3+g'22+g”11	-(g'21+g'22)
-(g'11+g'21)	0	-(g'12+g'22)	1/R4+Σg'ij

gdzie R₁,R₂,R₃,R₄ to odpowiednie rezystancje zastępcze w modelu małosygnałowym wzmacniacza.

Podstawiając wartości liczbowe otrzymujemy :

0,000134	0	-5,00E-08	-9,84E-05
0	0,000204898	0,03219	0
0,0315	-5,00E-08	0,000338	-3,15E-02
-3,16E-02	0	-8,58E-06	0,041607

oraz po dwukrotnej redukcji węzłów wewnętrznych :

-0,00751	0,00000005
-0,73489	0,000209752

Podstawiając do wzorów na wzmocnienie napięciowe, impedancję wejściową i wyjściową otrzymujemy

Ku	2372,5 V/V
Rwe	1,36Ω
Rwy	4701Ω

2.2 Pomiar parametrów roboczych wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym.

2.2.1. Pomiar modułu wzmocnienia napięciowego i impedancji we/wy po zamknięciu pętli sprzężenia zwrotnego rezystorem R_F. (f=1kHz, R_C = 5.1kΩ)

Tabela 2.

RF	UOm	UIm	fgf	KU
[kΩ]	[V]	[μV]	[kHz]
10	0.36	390	510	923
100	2.35	390	250	6026
∞	6.4	450	60	14222

Obliczając parametry robocze wzmacniacza drogą analityczną (poprzez redukcję macierzy admitancji ) otrzymujemy (dla R_F=10kΩ):

macierz admitancji

1/R1+g'11	0	g'12	-(g'11+g'12)
0	1/R2 +g''22	g''21	-1/RF
g'21	g''12	1/R3+g'22+g”11	-(g'21+g'22)
-(g'11+g'21)	-1/RF	-(g'12+g'22)	1/R4+Σg'ij

gdzie R₁,R₂,R₃,R₄,R_F, to odpowiednie rezystancje zastępcze w modelu małosygnałowym wzmacniacza.

Podstawiając wartości liczbowe otrzymujemy :

0,000134	0	-5,00E-08	-9,84E-05
0	0,000204898	0,03219	-0,0001
0,0315	-5,00E-08	0,000338	-3,15E-02
-3,16E-02	-0,0001	-8,58E-06	0,041607

oraz po dwukrotnej redukcji węzłów wewnętrznych :

-0,008	7,554E-05
-0,735	0,0075604

Ostatecznie podstawiając do wzorów na wzmocniene napięciowe i rezystancje we/wy otrzymujemy:

Ku	96 V/V
Rwe	1,4 Ω
Rwy	83,3 Ω

2.3 Analiza wrażliwości modułu wzmocnienia.

Pomiary przeprowadzono przy częstotliwości 1kHz.

2.3.1. Wpływ zmian napięcia zasilania, R_C2=R_C1=5.1kΩ , U_Z=12V±10%

Tabela 3.

UZ	RF	UOm	UIm	KU	ΔKU
[V]	[kΩ]	[V]	[mV]		[%]
10.8	10	0.345	0.38	908	-1.4
(UZ-10%)	100	2.1	0.38	5526	-7.2
	∞	5	0.38	13158	-14
	10	0.350	0.38	921	0
12	100	2.25	0.38	5921	0
	∞	5.7	0.38	15000	0
	10	0.350	0.38	921	0
13.2	100	2.5	0.38	6579	+10
(UZ+10%)	∞	6.4	0.38	16842	+11

2.3.2 Wpływ rozrzutu statystycznego rezystorów. Napięcie zasilania U_Z=12V,

R_C1=R_C2=5.1kΩ ±20%.

Tabela 4.

RC	RF	UOm	UIm	KU	ΔKU
[kΩ]	[kΩ]	[V]	[mV]		[%]
	10	0.34	0.38	895	-1,5
4.08	100	2.05	0.38	5395	-14,6
(RC - 20%)	∞	4.5	0.38	11842	-24,4
	10	0.345	0.38	908	0
5.1	100	2.35	0.38	6184	0
	∞	5.6	0.38	14736	0
	10	0.35	0.38	921	+1,4
6.1	100	2.5	0.38	6579	+6,0
(RC + 20%)	∞	7.0	0.38	18421	+20,0

Wzmacniacz operacyjny.

3.1. Sprawdzenie poprawności wzoru na wzmocnienie napięciowe wzmacniacza ze sprzężeniem równoległym napięciowym (K_U= - R₂/R₁).

R1­	R2	UI	UO	KU= -R2/R1	KU= - UO/UI
[kΩ]		[mV]	[V]
10	10	40	0,04	-1	-1
1	10	100	1	-10	-10
1	100	40	3.7	-100	-92,5
0,1	100	5	5	-1000	-1000

Impedancja wejściowa i wyjściowa zostały oszacowane podobnie jak w punkcie 2.1.1 tzn. Zmierzono spadki napięć na dodatkowych rezystorach dołączonych do wejścia lub wyjścia wzmacniacza. Zatem rezystancja wejściowa

gdzie U_WE — napięcie wejściowe przy R_d = 0 (zwarciu)

U_R — spadek napięcia na dołączonym rezystorze R_d.

Rezystancja wyjściowa :

gdzie U_O — napięcie wyjściowe bez dodatkowego rezystora

U_R — napięcie wyjściowe wzmacniacza obciążonego dodatkowym rezystorem R_D.

4. Wnioski i uwagi.

Porównanie parametrów wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego i ze sprzężeniem wykazało, że sprzężenie w sposób istotny zmienia parametry użytkowe wzmacniacza. Z tabeli pomiarowych wynika, że wzmocnienie napięciowe wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem zwrotnym maleje tyle razy, ile wynosi moduł różnicy zwrotnej. Ujemne sprzężenie zwrotne zmniejsza wrażliwość wzmocnienia na zmianę wartości elementów ( w naszym przypadku były to wartości rezystancji R_C) oraz na zmianę wartości napięcia zasilania. Ujemne sprzężenie zwrotne poszerza częstotliwość górną (-3dB), co widać na dołączonej do sprawozdania charakterystyce częstotliwościowej.

Obliczenia analityczne są nie adekwatne do wyników uzyskanych drogą doświadczalną, choć można zauważyć typowe tendencje w zachowaniu się wartości parametrów wzmacniacza (czwórnika ) : zmalenie wzmocnienia przy zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego.

---