TRANZYSTOROWY WZMACNIACZ NAPIĘCIOWY

Cel ćwiczenia:

- praktyczne wykorzystanie wiadomości z ćwiczeń projektowych do zaprojektowania rezystorowego wzmacniacza jednotranzystorowego dla danych wartości: skutecznego wzmocnienia napięciowego i amplitudy sygnału wyjściowego,

- nabycie umiejętności montowania wzmacniacza jednotranzystorowego,

- doświadczalne wyznaczanie wartości skutecznego wzmocnienia napięciowego i charakterystyki przejściowej wzmacniacza,

- doświadczalne wyznaczanie charakterystyki amplitudowej jednotranzystorowego rezystorowego wzmacniacza napięciowego małych sygnałów,

- badanie zależności parametrów wzmacniacza od parametrów jego elementów.

Opis układu badanego

Rezystorowy wzmacniacz napięciowy z tranzystorem bipolarnym

Układ wzmacniacza

1 Rys.1. Schemat ideowy rezystorowego wzmac­niacza napięciowego z tranzystorem bipolarnym.

Schemat wzmacniacza rezystoro­wego z tranzystorem bipolarnym typu NPN, który może być zmon­towany i zbadany w laboratorium przedstawiono na rys.1. Jego ele­menty pełnią następujące funk­cje.

T - tranzystor bipolarny typu NPN. Jest to element aktywny, którego właściwością jest prawie liniowa zależność między prądem kolektora a prądem bazy (współ­czynnik proporcjonalności β₀ ma wartość dużo większą od 1) oraz wykładnicza zależność między prądem kolektora a napięciem baza-emiter. Dla niewielkich zmian wartości napięcia U_BE wokół ustalonego punktu pracy można przyjąć, że zależność I_C=f(U_BE) jest liniowa. To przy­bliżenie jest podstawą zastosowa­nia tranzystora do liniowego wzmacniania sygnałów elektrycznych.

Dla ustalonej wartości napięcia U_BE zmiana wartości napięcia U_CE (lub U_CB) bardzo mało zmienia wartość prądu kolektora (uwaga ta odnosi się oczywiście do normalnej, aktywnej pracy tranzystora w układzie wzmacniacza). Dlatego dla umiarkowanych wartości rezystancji rezystora R_C, rzędu pojedynczych kΩ lub mniejszych, obwód kolektorowy tranzystora może być traktowany jako idealne źródło prądowe. Dla większych wartości R_C jest wskazane uwzględnienie istniejącej jednak zależności I_C od U_CE, na przykład, przez wprowadzenie do modelu tranzystora rezystancji bocznikującej wspomniane idealne źródło prądowe.

Tranzystor pracujący w układzie wzmacniacza liniowego musi mieć właściwie ustalony punkt pracy. Pod pojęciem punktu pracy tranzystora bipolarnego rozumie się wartości jego prądu kolektora i napięcia kolektor-emiter w stanie statycznym (brak sterowania zmiennoprądowego). Wartości pozostałych prądów i napięć wynikają z charakterystyk statycznych tranzystora.

R_B1,R_B2 - rezystorowy dzielnik napięcia ustalający potencjał bazy tranzystora T. Na ogół przyjmuje się założenie, że wartość prądu płynącego przez rezystory nie obciążonego dzielnika jest znacznie większa od wartości prądu bazy tranzystora T w ustalonym punkcie pracy. Wtedy mówi się, że dzielnik jest "sztywny", gdyż temperaturowe zmiany prądu bazy nie są w stanie w znaczący sposób zmienić wartości napięcia wyjściowego dzielnika. Z punktu widzenia stałości punktu pracy tranzystora dzielnik powinien być jak najbardziej sztywny, czyli powinien składać się z rezystorów o możliwie małych wartościach rezystancji. Lecz z drugiej strony, dzielnik o małych wartościach rezystancji będzie znacząco obciążał źródło sygnału wzmacnianego, zmniejszając tym samym wartość wzmocnienia skutecznego wzmacniacza. Wybór rezystorów R_B1, R_B2 musi być wynikiem kompromisu między wspomnianymi przeciwstawnymi wymaganiami: dużej stałości punktu pracy i dużego wzmocnienia układu.

1

R_E - rezystor emiterowy ustalający (łącznie z U_ZAS(-)) wartość prądu emitera (czyli wartość prądu kolektora) tranzystora T. Dla założonych wartości: prądu kolektora I_C, potencjału bazy V_B, napięcia baza-emiter U_BEP i napięcia zasilania U_ZAS(-) wartość jego rezystancji wyznacza się z zależności:

Rezystor ten wprowadza ujemne sprzężenie zwrotne dla prądu stałego. Każda bardzo powolna zmiana potencjału bazy tranzystora T powoduje prawie taką samą zmianę potencjału jego emitera (gdyż wartość U_BE zmienia się niezauważalnie nawet przy dużych zmianach potencjału bazy). Napięcie efektywnie sterujące tranzystorem jest różnicą potencjału bazy i potencjału emitera, a potencjał emitera jest liniową funkcją prądu kolektora, czyli wielkości wyjściowej wzmacniacza. Tak więc sygnał proporcjonalny do sygnału wyjściowego pojawia się na wejściu wzmacniacza, co świadczy o zaistnieniu sprzężenia zwrotnego. Działanie sprzężenia zwrotnego jest w tym przypadku bardzo korzystne, gdyż przyczynia się do zmniejszenia temperaturo­wej niestałości punktu pracy tranzystora T. Dla danej wartości pojemności kondensatora C_E i dla częstotliwości f sygnału wejściowego takich, że: 2πfC_E»max(1/R_E, I_E/25), gdzie I_E jest składową stałą prądu emitera wyrażoną w mA, kondensator C_E może być traktowany jako zwarcie dla składowej zmiennej prądu emitera. Jeśli R_e=0, składowa zmienna prądu emitera płynie przez kondensa­tor C_E do masy nie wytwarzając na nim żadnego znaczącego spadku napięcia, więc rezystor R_E nie wpływa na wartość wzmocnienia układu dla napięć zmiennych. Dla bardzo małych częstotliwości sygnału doprowadzanego do wejścia uwidacznia się wpływ kondensatora C_E. Pojawia się składowa zmienna napięcia w węźle emiterowym, czyli przez rezystor R_E płynie składowa zmienna prądu o częstotliwości sygnału sterującego. Mówimy, że w układzie pojawił się sygnał ujemnego sprzężenia zwrotnego. Wynikiem jego działania jest zmniejszenie wzmocnienia napięciowego układu. Jest to na ogół efekt szkodliwy, z którym walczy się metodą zwiększania wartości pojemności kondensa­tora C_E. Oczywiście usunięcie sygnału ujemnego sprzężenia zwrotnego przez zwiększenie wartości pojemności C_E może być skuteczne jedynie w przypadku wzmacniaczy o niezerowej wartości dolnej częstotliwości granicznej pasma przepustowego.

Jeśli w układzie nie zastosowano w ogóle dwójnika R_e, C_E, na rezystorze R_E pojawia się napięcie zmienne o wartości zbliżonej do wartości napięcia zmiennego doprowadzonego do bazy tranzystora T. Efektywna wartość napięcia zmiennego sterującego złączem baza-emiter jest wtedy wielokrotnie mniejsza od wartości napięcia wejściowego. Mówimy, że rezystor R_E wprowadza ujemne sprzężenie zwrotne dla sygnałów zmiennych. Wzmocnienie napięciowe układu nie może przekroczyć wartości określonej stosunkiem R_C/R_E.

Uwaga praktyczna! Aby nie ograniczać znacząco dynamiki sygnału wyjściowego wzmacniacza, przy jego projektowaniu przyjmuje się zwykle (jeśli ma to sens) R_E≈0,1×R_C.

C_E - kondensator (na ogół polaryzowany, elektrolityczny o dużej wartości pojemnoś­ci) zwierający składową zmienną prądu emitera. Wpływa na przebieg charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza w zakresie małych częstotliwości.

R_e - rezystor emiterowy realizujący obwód lokalnego ujemnego sprzężenia zwrotnego. Zastosowanie tego rezystora powoduje zmniejszenie wartości wzmocnie­nia napięciowego układu, zwiększenie stałości tego wzmocnienia (mniejsza wrażliwość wartości wzmocnienia na wymianę tranzystora, wahania temperatury, napięć zasilających) oraz zwiększenie wartości rezystancji wejściowej wzmacniacza. Zwykle stosuje się rezystory o wartościach rezystancji rzędu setek Ω. Wartość wzmocnienia napięciowego układu z rezystorem R_e<<R_E nie może być większa niż R_C/(R_e+25/I_E) [V/V], gdzie I_E - składowa stała prądu emitera wyrażona w mA. Przy projektowaniu wzmacniacza badanego w laboratorium zaleca się przyjąć, w celu uproszczenia projektu, R_e=0.

R_C - rezystor kolektorowy. Wartość jego rezystancji wpływa na wartość napięcia U_CE (punkt pracy tranzystora) oraz na wartość wzmocnienia zmiennoprądowego wzmacniacza. Pośrednio, poprzez wartość wzmocnienia napięciowego, wpływa również na wartość górnej częstotliwości granicznej pasma przepustowego wzmacniacza (efekt Millera). Należy zwrócić uwagę, że dla ustalonych wartości: prądu kolektora, napięć zasilających i potencjału bazy zwiększanie wartości R_C powoduje zwiększanie wzmocnienia napięciowego, zmniejszanie górnej częstotliwości granicznej oraz, począwszy od pewnej wartości, zmniejszanie dynamiki sygnału wyjściowego ( tzn. zmniejszanie użytecznej amplitudy sygnału wyjściowego).

C₁ - kondensator sprzęgający, służący do przepuszczenia składowej zmiennej sygnału z generatora lub stopnia poprzedzającego dany wzmacniacz z równoczesną separacją stałoprądową współpracujących układów. Wartość pojemności tego kondensatora w sposób znaczący wpływa na wartość dolnej częstotliwości granicznej układu.

C₂ - kondensator sprzęgający, służący do przepuszczenia składowej zmiennej sygnału z danego wzmacniacza do układu obciążającego, symbolicznie reprezentowanego rezystorem R_O, z równoczesną separacją stałoprądową współpracujących układów. Wartość pojemności tego kondensatora wpływa na wartość dolnej częstotliwości granicznej układu.

R_O - rezystor (lub układ) stanowiący obciążenie wzmacniacza. Jeśli wartość rezystancji R_O jest porównywalna z wartością rezystancji R_C, wpływa ona na wartość wzmocnienia układu i wartości jego górnej i dolnej częstotliwości granicznej.

R_G - rezystor symulujący rezystancję źródła sterującego, którym może być generator sygnałowy lub poprzedni stopień wzmacniający. Nie jest to element wzmacniacza, lecz przy obliczaniu skutecznego wzmocnienia napięciowego projektowanego układu niezbędna jest znajomość jego wartości. Może być również przydatny do ekspery­mentalnego wyznaczania wartości rezystancji wejściowej wzmacniacza.

U_ZAS(+) - źródło dodatniego napięcia zasilającego. Często oznacza się je symbolem U_CC.

U_ZAS(-) - źródło ujemnego napięcia zasilającego. Często oznacza się je symbolem U_EE lub -U_EE.

Schemat zastępczy wzmacniacza

Aby narysować schemat zastępczy wzmacniacza dla składowych zmien­nych potrzeb­ne są modele wszystkich jego elemen­tów. Zwykle rezystory i kondensatory trak­tuje się jako ele­menty zbliżone do ideal­nych, co w rozpa­trywanym przypad­ku stosun­kowo małych częstotliwości sygnału wzmacnianego jest sensowne. Tak więc rezystor rze­czywisty modeluje się elementem idealnym charakteryzującym się tylko rezystancją R, a kondensator rzeczywisty modeluje się elementem idealnym charakteryzują­cym się tylko pojemnością C. Ewentualne odstępstwa od idealności (zależność podstawo­wego parametru od napięcia, temperatury, czasu) można uwzględnić na etapie kom­putero­wej symulacji układu.

2Rys.2. Schemat zastępczy wzmacniacza z rys.1 z dodanym modelem źródła sygnału sterującego o sem. E_g i rezys­tancji wewnętrznej R_w.

Najczęściej stoso­wanym przy projektowaniu modelem tranzys­tora bipolar­nego jest model mieszane π. Gdy projektuje się wzmacniacz o sto­sunkowo małej war­tości górnej często­tliwości gra­nicznej i przecięt­nych wyma­ganiach wartości rezys­tancji wejścio­wej i wyjściowej, upraszcza się pełny model tak, że pozostaje tylko źródło sterowane g_mU_b'e, konduktancja g_b'e oraz pojemności C_jc i C_e. Schemat zastępczy wzmacniacza z rys.1, w którym wykorzystano bardzo uproszczony model tranzystora, pokazano na rys.2. Element oznaczony na schemacie symbolem R_B jest rezystorem o rezystan­cji R_B=R_B1||R_B2, natomiast elementy modelu tranzystora wyznacza się z następują­cych zależności: r_b'e=1/g_b'e=β₀/g_eb'=25β₀/I_E; g_m≈g_eb'≈I_E/25, gdzie I_E - składo­wa stała prądu emitera wyrażona w mA. Z przedstawionego schematu nie da się uzyskać prostych wzorów projektowych. Należy schemat jeszcze bardziej uprościć. W tym celu zakres interesujących nas częstotliwości sygnału wzmacnianego dzieli się na trzy podzakre­sy: małych, średnich i dużych częstotli­wości. Przyjmuje się, że dla sygnałów o średnich częstotliwościach żadne elementy reaktancyjne nie wpływają na wartość wzmocnienia napięciowego układu. Założenie to sprawia, że ze schematu zastępcze­go znikają wszystkie pojemności, przy czym pojemności C₁, C₂ i C_E zastępuje się zwarciami, natomiast pojemności C_e i C_jc usuwa się ze schematu (rozwarcia). Przyjmijmy również, iż R_e=0, tzn. nie występuje lokalne ujemne sprzężenie zwrotne. Wtedy schemat zastępczy układu przyjmie postać przedstawioną na rys.3, gdzie: R_L=R_C||R_O; R_b=R_B||r_b'e, R_g=R_G+R_W.

3 Rys.3. Schemat zastępczy wzmacnia­cza dla zakresu średnich częstotliwo­ści.

Z tego schematu można uzyskać wzór na skuteczne wzmocnienie napięciowe wzmacniacza dla średnich częstotli­wości sygnałów wzmacnianych:

2

Racjonalne wybranie wartości po­jem­ności kondensatorów C₁, C₂ i C_E wymaga powiązania parametrów tych elemen­tów z dolną (3-decybelową) częstotliwością graniczną wzmacniacza. W tym przy­padku należy narysować schemat zastępczy wzmacniacza dla podzakresu małych częstotliwości. W schemacie muszą pojawić się wymienione kondensatory. Został on przedstawiony na rys.4 (R_e=0).

4 Rys.4. Schemat zastępczy wzmacniacza dla zakresu małych częstotliwości.

Transmitancja układu z rys.4 jest funkcją 3-biegu­nową z dwoma zerami w zerze i jednym zerem o niezerowej wartości. Nie da się z niej w prosty spo­sób uzyskać wzoru pro­jektowego określającego wartość dolnej częstotli­wości granicznej. Pro­jektanci obchodzą prob­lem w ten sposób, że "przydzielają" każ­demu elementowi reaktancyjne­mu pewną część 3-decybelowego spadku wzmocnienia dla dolnej częstotliwości granicznej i ob­liczają wartości pojemności każdego kondensatora tak, jakby poza tym, aktualnie rozpatrywanym, kondensatorem nie było w układzie innych kondensatorów. Powodu­je to oczywiście powstanie błędów, gdyż elementy reaktancyjne, zwłaszcza C₁ i C_E, wzajemnie przesuwają swoje bieguny, lecz w razie konieczności można skorygować wyznaczo­ne wartości pojemności.

W procesie projek­towa­nia potrzebne są stałe czasowe związane z każ­dym elementem reaktan­cyjnym. Wy­znacza się je ze sche­matu zastępczego w nastę­pujący sposób:

- zastępuje się zwo­rami wszystkie kondensatory poza tym, dla którego wyznacza się stałą czasową,

- patrząc z zacisków danego kondensatora (w stronę reszty układu) określa się rezystancję występującą na tych zaciskach,

- iloczyn pojemności danego kondensatora i rezystancji widzianej z jego zacisków stanowi poszukiwaną stałą czasową.

Wyznaczone w ten sposób stałe czasowe dla kondensatorów z układu przedstawio­nego na rys.4 są równe:

τ₁=C₁(R_g+R_b), τ_E=C_E{[(R_g||R_B)/β₀+r_eb']||R_E}, τ₂=C₂(R_C+R_O),

5Rys.5. Schemat zastępczy wzmacniacza dla zakresu dużych częstotliwości.

W podzakresie dużych często­tliwości w schemacie zastęp­czym muszą być uwzględnione wszystkie elementy reak­tancyjne powodujące zmniejszanie war­tości napięcia wyjściowego przy zwiększaniu częstotliwości. Bę­dą to pojemności C_e i C_jc mode­lujące pro­cesy gromadzenia ładunku we wnętrzu tranzystora bipolarnego. Uprosz­czony schemat zastępczy układu dla dużych częstotliwości pokazano na rys.5. Po przekształceniu schematu (dopuszczalnym tylko dla pracy transmisyjnej wzmacnia­cza - efekt Millera) oraz po pominięciu pojemności o niewielkiej wartości, pojawiającej się na wyjściu układu (jest to równoznaczne z usunięciem drugiego bieguna transmi­tancji układu), można schemat zastępczy sprowadzić do postaci pokazanej na rys.6, gdzie: C_b=C_e+C_jcg_mR_L. Z tego schematu wynika, że wartość górnej częstotliwości granicznej układu jest określona przez stałą czasową τ_b pojemności C_b i wynosi:

­

6 Rys.6. Uproszczony schemat zastępczy wzmac­niacza dla zakresu dużych częstotliwości.

Projektowanie wzmacniacza

Sposób projektowania wzmac­niacza napięciowego zależy od wymagań, które ten wzmac­niacz ma spełniać. Zwykle nie udaje się osiągnąć wartości wszystkich założonych paramet­rów w jed­nym cyklu projekto­wym. Trzeba wykonać kilka cykli projektowania.

Zawsze pierwszym krokiem projektowym jest wybranie punktu pracy elementu nieliniowego, czyli tranzystora, i wyznaczenie parametrów elementów ustalających wybrany punkt pracy. Następnym krokiem jest uzupełnienie układu elementami za­pewniającymi uzyskanie założonej wartości wzmocnienia napięciowego dla średnich częstotliwości. Potem oblicza się wartości parametrów elementów odpowiedzialnych za wartość dolnej częstotliwości granicznej i sprawdza się, czy układ spełnia wyma­gania dotyczące wartości górnej częstotliwości granicznej.

Projektowanie z symulacją a doświadczenie

Bez wątpienia współcześnie stosowane symulatory układów elektronicznych zmniej­szyły znacznie potrzebę doświadczalnej weryfikacji układu w czasie projektowania. Jednak bardzo wskazane jest eksperymentalne wyznaczenie wartości parametrów os­tatniej wersji układu, która ma stanowić wzór do wykonania właściwego urządzenia. Nie zawsze konstruktor potrafi przewidzieć wszystkie pułapki z jakimi może mieć do czynienia w rzeczywistym układzie. Niespodzianki sprawiają zwłaszcza rezys­tancje i indukcyjności ścieżek drukowanych, pojemności montażowe zmniejsza­jące szerokość pasma układu oraz pojemności sprzęgające ze sobą różne punkty tego samego układu lub innych, blisko umieszczonych układów. Pojemności sprzęgające mogą powodować samoistną generację drgań w układzie lub jego "zatrzaśnięcie" się w jakimś stanie stabilnym, z którego nie ma wyjścia. W sprawianiu kłopotów celują układy analogowe. Znacznie lepiej zachowują się układy cyfrowe.

Doświadczony konstruktor już na etapie projektowania układu jest w stanie prze­widzieć niektóre kłopoty, jakie ten układ może sprawiać. Może więc im zapobiegać. Na przykład, tranzystorowy wtórnik napięcia często wzbudza się (czyli staje się generatorem) po dołączeniu do jego wejścia elementu o charakterze pojemnościo­wym, którym może być współosiowy przewód połączeniowy (kabel koncentryczny). Aby "uspokoić" taki wtórnik, wystarczy szeregowo z wejściem włączyć kilkudziesię­cioomowy rezystor. Ponieważ wkładka DWT1 służy również do badania wtórników tranzystorowych, konieczne było włączenie rezystorów 51 Ω szeregowo z każdym jej wejściem i wyjściem.

7Rys.7. Płyta czołowa wkładki DWT 1.

Opis wkładki DWT 1

Jest to wkładka uniwersalna, używana w kilku ćwicze­niach wykonywanych w laboratorium. Wygląd jej płyty czołowej pokazano na rys.7, natomiast na rys.8 i 9 pokazano wygląd płytki drukowanej oraz schemat ideowy układu elektrycznego, który stanowi wkładka.

Ze schematu wkładki wynika, że jest to zbiór 23 zacis­ków połączonych tak, aby możliwe było zmontowa­nie prostego wzmacniacza z pojedynczym tranzystorem bipo­larnym lub polowym. Możliwa jest realizacja wzmacnia­cza rezystorowego z tranzystorem bipolarnym typu NPN lub PNP w układzie ze wspólnym emiterem lub wspólnym kolektorem oraz wzmacniacza rezystorowego ze złączo­wym tranzystorem polowym z kanałem N w układzie ze wspólnym źródłem lub wspólnym drenem. Można również realizować, rzadko spotykane w praktyce, wzmacniacze w układach ze wspólną bazą lub wspólną bramką, lecz wtedy należy zignorować opis wejść i wyjść znajdujący się na płycie czołowej wkładki.

Element aktywny, czyli tranzystor bipolarny lub polowy (lub bardziej skompliko­wany trójnik złożony z tranzystora i rezystorów) należy montować między zaciskami Z9, Z10 i Z11. Pozostałe zaciski należy wykorzystać stosownie do postaci schematu realizowanego układu wzmacniacza. Opis elementowy umieszczony na płytce drukowanej odnosi się do napięciowego wzmacniacza rezystorowego z tranzystorem bipolarnym NPN, z lokalnym ujemnym sprzężeniem zwrotnym i nie należy się nim sugerować przy realizowaniu innych układów wzmacniających.

Na płytce drukowanej wkładki są dwa przełączniki suwakowe P₁ i P₂. Za pomocą przełącznika P₁ wybiera się wartość napięcia doprowadzanego do zacisku Z7; można wybrać 0 V lub -15 V. Natomiast za pomocą przełącznika P₂ ustala się wartość napięcia doprowadzanego do zacisku Z22. Można ustalić wartość +5 V lub +15 V.

8Rys.8. Wygląd płytki drukowanej wkładki DWT 1.

9Rys.9. Schemat ideowy wkładki DWT 1.

Zestawy parametrów dla części projektowej ćwiczenia.

Nr zes­połu	PARAMETR
	Tran- zystor	Rg [Ω]	kus0 [V/V]	fd(3dB) [Hz]	Błąd! Nie zdefiniowano zakładki.Um,wy min [V]	RO [kΩ]
1	BC177A	3550	70±5	100±10	1,6	4,7
2	BC107B	3550	110±10	190±10	0,6	10,0
3	BC107B	4150	140±10	100±10	2,0	10,0
4	BC177A	4150	75±5	80±10	2,0	5,6
5	BC107B	4950	110±10	170±10	2,0	15,0
6	BC177A	4950	85±5	75±10	3,0	15,0
7	BC177A	2950	120±10	60±10	3,5	8,2
8	BC107B	5850	100±10	50±15	2,0	12,0
9	BC107B	7050	75±5	70±10	1,6	8,2
10	BC177A	7050	65±5	45±10	4,6	15,0
11	BC107B	8450	70±5	155±10	1,5	10,0
12	BC177A	8450	60±5	95±10	6,0	18,0
13	BC177A	10250	35±3	275±10	5,0	5,6
14	BC107B	10250	50±5	90±10	1,0	4,7
15	BC177A	12250	30±3	160±10	4,0	5,6
16	BC107B	12250	70±5	330±20	1,5	22,0

Uwagi do tabeli parametrów:

a) R_g=R_G+R_W+R_i; R_W=200 Ω - jest to rezystancja wyjściowa generatora SGS1;

R_i=51Ω - jest to rezystancja rezystora dodatkowego (przeciwwzbudzeniowego), wlutowanego szeregowo z każdym wejściem (i wyjściem) wkładki DWT1.

b) Błąd! Nie zdefiniowano zakładki. U_{m,wy min} - amplituda sygnału na wyjściu wzmacniacza; wartość współczynnika zniekształceń nieliniowych sygnału wyjściowego o tej amplitudzie musi być mniejsza niż 2%.

c) BC177A - tranzystor bipolarny typu PNP. Średnia wartość h_21E dla punktu pracy I_B=10μA, U_CE=2,8V wynosi 140 A/A.

d) BC107B - tranzystor bipolarny typu NPN. Średnia wartość h_21E dla punktu pracy I_B=10μA, U_CE=2,8V wynosi 240 A/A.

Modele tranzystorów BC107 i BC177 dla pakietu PSPICE

model BC107 NPN(Is=40.72f Bf=407 Vaf=21.03 Ikf=1 Ise=40.72f Ne=1.305 Ikr=3.726 Isc=594.8p Nc=2.033 Rc=1.393 Cje=12.5p Vje=.5391 Mje=.4869 Tf=441.1p Cjc=6p Mjc=.3821 Tr=114n Xtb=1.5 )

model BC177 PNP(Is=12.81f Bf=183.4 Vaf=39.04 Ikf=64.65m Ise=12.82f Ne=1.306 Ikr=5.785 Isc=3.708n Nc=3.214 Rc=1.379 Cje=11p Vje=.75 Mje=.3333 Tf=936.2p Xtf=2.717 Vtf=10 Itf=44.87m Cjc=12p Mjc=.3045 Tr=78n Xtb=1.5 Nk=.3885 )

Sprzęt niezbędny do wykonania ćwiczenia

DWT 1 - wkładka dydaktyczna wzmacniacza tranzystorowego,

SGS 1 - wkładka generatora sinusoidalnego przestrajanego,

SD 1 - wkładka przetwornika ac/dc wartości szczytowej,

SN 4222 - wkładka przełącznika ac,

SR 1 - wkładka rozgałęziacza sygnału ac,

oscyloskop analogowy,

woltomierz cyfrowy,

częstościomierz cyfrowy,

podwójna rama z zasilaczami,

tranzystory wymienne,

rezystory wymienne,

kondensatory wymienne, zwory.

Sposób wykonania ćwiczenia

1. Przygotowanie do pracy w laboratorium (część projektowa ćwiczenia).

1.1. Z tabeli zawierającej zestawy parametrów tranzystorowego wzmacniacza rezystorowego dla części projektowej ćwiczenia wybierz zestaw zgodny z numerem zespołu, który stanowisz w grupie laboratoryjnej. Przepisz ten zestaw do sprawozdania.

1.2. Zaprojektuj wzmacniacz rezystorowy spełniający wszystkie wymagania tworzące Twój zestaw parametrów. Zaprojektowany wzmacniacz musi dać się zrealizować za pomocą wkładki DWT 1 oraz elementów dostępnych w laboratorium (lub elementów własnych).

Ostateczny projekt wzmacniacza należy dołączyć do sprawozdania.

1.3. Narysuj w sprawozdaniu schemat ideowy zaprojektowanego wzmacniacza. Obok każdego elementu napisz wartość jego parametru najbliższą wartości otrzymanej w wyniku projektowa­nia a równocześnie zgodną z wartością występują­cą w szeregu E12 - w przy­padku rezystorów, i w szeregu E6 - w przypadku kondensatorów.

Przygotuj schemat montażowy wzmacnia­cza zrealizowanego we wkładce DWT 1.

1.4. Przygotuj schemat blokowy układu do pomiaru wzmocnienia napięciowego skutecznego oraz charakterystyki przejściowej. Wykorzystaj przyrządy wymienione w wykazie sprzętu niezbędnego do wykonania ćwiczenia.

Uwaga! Pomiary wartości szczytowej napięcia zmiennego należy wykonywać za pomocą przetwornika ac/dc typu SD 1 oraz woltomierza napięcia stałego. Uzyskuje się w ten sposób kilkakrotnie mniejszy błąd pomiaru wartości szczytowej napięcia niż błąd odczytu tej wartości z ekranu lampy oscyloskopowej.

1.5. Symulacja zaprojektowanego układu.

W miarę swoich możliwości przeprowadź symulację zaprojektowanego układu w celu sprawdzenia czy spełnia on założenia projektowe. Symulując układ możesz także obliczyć wartości parametrów mierzonych doświadczalnie. Wyniki symulacji dołącz do sprawozdania dokonując równocześnie ich porównania z wartościami parametrów wyznaczonych doświadczalnie.

2. Praca w laboratorium (część doświadczalna ćwiczenia)

2.1. Montaż zaprojektowanego wzmacniacza i doświadczalne wyznaczenie punktu pracy użytego w nim tranzystora.

2.1.1. Wykorzystując wkładkę DWT1 oraz tranzystor, rezystory i zwory zmontuj zaprojektowany wzmacniacz rezystorowy. Nie montuj na razie kondensatorów elektrolitycznych. Ustaw we właściwych pozycjach przełączniki P₁ i P₂.

2.1.2. Do zmontowanej wkładki DWT 1, leżącej na blacie stołu laboratoryjnego, dołącz napięcia zasilające.

Zmierz wartości napięć zasilających oraz napięć stałych na elektrodach tranzystora. Wyznacz punkt pracy tranzystora. Zanotuj wyniki pomiarów i obliczeń. Jeśli doświadczalnie wyznaczony punkt pracy tranzystora jest zbliżony do punktu pracy otrzymanego w wyniku obliczeń, możesz kontynuować ćwiczenie. W przeciwnym razie zastanów się nad jakością swojego projektu lub montażu.

Pamiętaj, że kondensatory elektrolityczne są elementami o ściśle określonej polaryzacji; włączone odwrotnie zostaną albo rozformowane (aluminiowe) albo natychmiast zniszczone (tantalowe).

2.1.3. Wiedząc, jaką wartość mają potencjały jednej okładki każdego kondensatora (są to potencjały wyprowadzeń tranzystora) oraz wiedząc, że drugie okładki wszystkich kondensatorów są na potencjale masy uzupełnij układ wzmacnia­cza właściwie włączonymi kondensatorami. Zaznacz polaryzację kondensato­rów na schemacie montażowym wzmacniacza, jeśli nie zrobiłeś tego dotąd.

2.1.4. Porównaj punkt pracy tranzystora pracującego w rzeczywistym układzie wzmacniacza z punktem pracy wyznaczonym w wyniku obliczeń. Wskaż powody otrzymanych niezgodności.

2.2. Weryfikacja projektu, czyli pomiar wartości skutecznego wzmocnienia napięciowego zmontowanego wzmacniacza oraz charakterystyki przejściowej.

2.2.1. Połącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem blokowym, który przygoto­wałeś realizując punkt 1.4 ćwiczenia. Dla wygody wkładkę DWT 1 możesz wsunąć w ramę laboratoryjną.

Ustaw częstotliwość sygnału wyjściowego generatora sygnałowego tak, aby jej wartość mieściła się w środku podzakresu średnich częstotliwości pasma przepustowego wzmacniacza. Wyznacz ją doświadczalnie, poszukując częstotliwości, dla której wartość napięcia wyjściowego, przy ustalonej wartości napięcia wejściowego, jest maksymalna.

2.2.2. Wyznacz wartość skutecznego wzmocnienia napięciowego zmontowanego wzmacniacza. W tym celu:

- Zmierz wartości szczytowe: napięcia wyjściowego generatora E_m,g na wyjściu o dostatecznie dużej amplitudzie sygnału oraz napięcia U_m,wy na wyjściu wzmacniacza, przy czym wartość U_m,wy nie może być mniejsza niż ta, którą masz zadaną w projekcie. Zanotuj wyniki pomiarów.

- Oblicz amplitudę E_m,g,we sem. źródła sygnału sterującego wejściem wkład­ki DWT 1, a następnie wartość wzmocnienia skutecznego wzmacnia­cza.

2.2.3. Wyznacz charakterystykę przejściową wzmacniacza i zaobserwuj zniekształcenia sygnału wyjściowego.

2.2.4. Problemy:

a) Dlaczego wynik pomiaru amplitudy napięcia na wyjściu "2V" gene­ratora SGS1 można uznać jako wynik pomiaru amplitudy sem. nawet wtedy, gdy inne wyjście generatora jest znacznie obciążone?

b) Czy obwód wejściowy Twojego wzmacniacza (jeśli R_G+R_i zostanie potraktowana jako część rezystancji wewnętrznej źródła sygnału) obciąża w sposób znaczący wyjście generatora sygnału, do którego został dołączony? Odpowiedź uzasadnij.

Jaka będzie odpowiedź na to samo pytanie, jeśli R_G+R_i potraktujesz jako element wzmacniacza?

Czy uzyskałeś zgodność założonej wartości wzmocnienia skutecznego dla średnich częstotliwości z wartością zmierzoną? Jeśli są różnice, wyjaśnij ich przyczynę. Jeśli różnice są znaczne - zaprojektuj powtórnie wzmacniacz.

Jak i dlaczego zmienia się kształt sygnału na wyjściu wzmacniacza w miarę zwiększania jego wartości międzyszczytowej?

2.3. Pomiar charakterystyki amplitudowej zmontowanego wzmacniacza.

2.3.1. Zmierz zależność amplitudy napięcia wyjściowego wzmacniacza od częstot­liwości sygnału doprowadzanego do wejścia wzmacniacza. Wyniki pomiarów zbierz w tabeli. W czasie pomiarów utrzymuj stałą wartość napięcia wyjścio­wego z generatora. Zanotuj tę wartość w nagłówku tabeli jako parametr ogólny.

Oblicz wartości wzmocnień: k_us1=U_m,wy/E_m,g,we [V/V] i k_us=20 lg k_us1 [dB] i umieść je we wspólnej tabeli z wynikami pomiarów. Wykreśl zależność k_us od częstotliwości.

Oszacuj z wykresu wartości górnej i dolnej częstotliwości granicznej pasma przepustowego wzmacniacza.

2.3.2. Wyznacz doświadczalnie wartości górnej i dolnej częstotliwości granicznej pasma przepustowego wzmacniacza. Opisz krótko sposób wyznaczania tych wartości.

2.3.3. Porównaj wyniki doświadczenia i projektu.

2.4. Badanie zależności parametrów wzmacniacza od parametrów jego elementów.

2.4.1. Zmieniaj kolejno po jednym elemencie układu wzmacniacza, startując zawsze od konfiguracji podstawowej. Określ wpływ modyfikacji układu na parametry wzmacniacza: k_us0, f_d, f_g. Wyniki wszystkich pomiarów notuj we wcześniej przygotowanych tabelach. Następnie zestaw zmierzone (f_d, f_g) i obliczone (k_us0) wartości we wspólnej tabeli i skomentuj je.

2.4.2. Problemy:

a) Co się dzieje z parametrami wzmacniacza przy zmianach wartości: rezystancji rezystora R_C, rezystancji rezystora R_E, pojemności kondensato­rów sprzęgających, pojemności kondensatora w obwodzie emitera?

b) Która stała czasowa decyduje o wartości dolnej częstotliwości granicznej zaprojektowanego wzmacniacza?

2

3

16

LE II - ćw.2 Tranzystorowy wzmacniacz napięciowy cz.1 - sprawozdanie 9

_{INSTYTUT PODSTAW ELEKTRONIKI PW - 1996}

_{INSTYTUT PODSTAW ELEKTRONIKI PW - 1996}

_{INSTYTUT PODSTAW ELEKTRONIKI PW - 1996}

---