Kraków, marzec 2001

SPRZĘŻENIE ZWROTNE

I. Wstęp

Celem ćwiczenia jest ugruntowanie wiadomości dotyczących elementarnej teorii sprzężenia zwrotnego w układach elektronicznych.

Zasadnicza część ćwiczenia poświęcona jest pomiarom parametrów roboczych podstawowego, jednostopniowego wzmacniacza oporowego z tranzystorem bipolarnym, w układzie można aplikować różne rodzaje ujemnych sprzężeń zwrotnych. Właściwości tych ostatnich obrazowane są zmianami wartości parametrów roboczych wzmacniacza. Wyniki pomiarów mogą być następnie skonfrontowane z wartościami otrzymanymi z obliczeń teoretycznych. Obliczenia te wykonuje się w oparciu o małoczęstotliwościowy, małosygnałowy model tranzystora z parametrami mieszanymi [h] oraz koncepcję skorygowanej macierzy tych parametrów [h_f] w przypadku danych sprzężeń zwrotnych.

II. Przebieg ćwiczenia

1. Pomiar parametrów roboczych wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego (Rys.1).

Połączyć układ wzmacniacza według schematu przestawionego na rysunku 1. Do wejścia WE1 doprowadzić napięcie sinusoidalne z generatora funkcyjnego (amplituda np. 100mV, częstotliwość np. 1kHz). Do wyjścia WY podłączyć kanał B oscyloskopu, natomiast kanał A do wejścia WE1 lub WE2, w zależności od pomiaru. Wszelkie pomiary (amplituda sygnału lub częstotliwość) dokonywać przy pomocy oscyloskopu. Model tranzystora BC177AP znajduje się w bibliotece ZETEX programu Workbench). Przeprowadzić pomiary następujących parametrów roboczych wzmacniacza:

- wzmocnienie napięciowe,

- impedancja (rezystancja różniczkowa) wejściowa;

- impedancja (rezystancja różniczkowa) wyjściowa,

, - częstotliwości graniczne dolna i górna.

Pomiary wzmocnienia oraz obydwu impedancji należy przeprowadzić przy częstotliwości sygnału sterującego 1 [kHz].

Za wyjątkiem impedancji wyjściowej, pomiary parametrów należy przeprowadzić dla wzmacniacza nieobciążonego.

Do wyznaczenia impedancji wejściowej należy wykorzystać rezystancję o znanej wielkości. Mierząc napięcia, względem masy układu, przed tą rezystancją i za nią () i dzieląc ich różnicę przez można określić prąd .

Wyznaczając impedancję wyjściową można posłużyć się twierdzeniem Thevenin-a, na jego mocy badany wzmacniacz dla składowych zmiennych, od strony zacisków wyjściowych, można przedstawić w postaci źródła napięcia o określonej impedancji wewnętrznej rys. 2.

Mierząc napięcie wyjściowe nieobciążonego wzmacniacza określa się wielkość siły elektromotorycznej e_g tego źródła. Obciążając to źródło znaną rezystancją doprowadza się do podziału tej siły na spadki napięcia na impedancji wewnętrznej i wymienionej rezystancji. Mierząc zatem spadek napięcia na rezystancji obciążenia (wyjściu wzmacniacza) z proporcji można wyliczyć impedancję wewnętrzną źródła tożsamą z impedancją wyjściową wzmacniacza. Posługując się np. opornicą dekadową i tak ją regulując aby spadek napięcia zmierzony na niej stanowił połowę wartości pierwszego pomiaru, można wprost odczytać wielkość impedancji wyjściowej wzmacniacza. W przypadku symulacji należy przez kolejne przybliżenia tak dobierać wartość R_O aby otrzymać taki sam efekt.

Częstotliwości graniczne ( częstotliwość połowy mocy ) zgodnie z ich definicją określa się z charakterystyki amplitudowej układu.

Rys. 1. Schemat układu wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego.

Rys. 2. Metoda pomiaru impedancji wyjściowej wzmacniacza.

2. Pomiar parametrów roboczych wzmacniacza z ujemnym, prądowym, szeregowym sprzężeniem zwrotnym (Rys. 3).

Połączyć układ wzmacniacza według schematu przestawionego na rysunku 3. Przeprowadzić pomiary tego samego zestawu parametrów roboczych układu jak w punkcie 1 i posługując się tą samą metodyką. Porównać wyniki z wartościami otrzymanymi poprzednio. Skomentować wyniki porównania.

Rys. 3.. Schemat układu wzmacniacza z prądowym, szeregowym sprzężeniem zwrotnym.

3. Pomiar parametrów roboczych wzmacniacza z ujemnym, napięciowym, równoległym sprzężeniem zwrotnym (Rys. 4).

Połączyć układ wzmacniacza według schematu przestawionego na rysunku 4. Przeprowadzić pomiary tego samego zestawu parametrów roboczych układu jak w punkcie 1 i posługując się tą samą metodyką. Porównać wyniki z wartościami otrzymanymi poprzednio. Skomentować wyniki porównania.

Rys. 4. Schemat układu wzmacniacza z napięciowym, równoległym sprzężeniem zwrotnym.

4. Pomiar parametrów roboczych wzmacniacza z ujemnym, mieszanym sprzężeniem zwrotnym (Rys. 5).

Połączyć układ wzmacniacza według schematu przestawionego na rysunku 5. Przeprowadzić pomiary tego samego zestawu parametrów roboczych układu jak w punkcie 1 i posługując się tą samą metodyką. Porównać wyniki z wartościami otrzymanymi poprzednio. Skomentować wyniki porównania.

Rys. 5. Schemat układu wzmacniacza z mieszanym sprzężeniem zwrotnym.

5. Pomiar parametrów roboczych wtórnika emiterowego - wzmacniacz ze stuprocentowym, napięciowym, szeregowym sprzężeniem zwrotnym (Rys. 6)

Połączyć układ wzmacniacza według schematu przestawionego na rysunku 6. Przeprowadzić pomiary współczynnika wzmocnienia napięciowego oraz impedancji wejściowej i wyjściowej układu wtórnika. Jaka jest relacja między impedancjami wejściowymi układu wtórnika i wzmacniacza z ujemnym, prądowym, szeregowym sprzężeniem zwrotnym ? Jaka jest relacja między impedancją wyjściową wtórnika a rezystancją emiterową ?

Rys. 6. Schemat układu wtórnika emiterowego.

III. Obliczenia wartości teoretycznych

UWAGA: Występujące we wzorach oznaczenia z dolnymi indeksami odpowiadają tym samym oznaczeniom na schematach bez indeksów np. R_G=RG, R_E=RE, itd. (Workbench uniemożliwia używania dolnych lub górnych indeksów).

6. Obliczenie teoretycznych wartości współczynnika wzmocnienia oraz impedancji wejściowej i wyjściowej wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego.

Wartości wymienionych parametrów można obliczyć posiłkując się np. małosygnałowym, małoczęstotliwościowym modelem zastępczym tranzystora z parametrami mieszanymi [h_e]. Obwód wzmacniacza, dla składowych zmiennych, przedstawiono na rys. 7.

Rys. 7. Model obwodu, dla składowych zmiennych, wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego.

Dla badanego wzmacniacza parametry małosygnałowe przyjmują następujące wartości:

h_11e=1.94 kΩ, h_12e≅0

h_21e=330, h_22e=52.4 μS

W takim układzie można otrzymać:

wzmocnienie napięciowe dla zakresu średnich częstotliwości:

(6.1)

gdzie:

(6.2)

(6.3)

impedancja wejściowa wzmacniacza:

(6.4)

gdzie:

(6.5)

(6.6)

impedancja wyjściowa wzmacniacza:

(6.7)

gdzie:

(6.8)

(6.9)

7. Obliczenie teoretycznych wartości współczynnika wzmocnienia oraz impedancji wejściowej i wyjściowej układów ze sprzężeniem prądowym szeregowym, napięciowym równoległym oraz sprzężeniem mieszanym.

Aby obliczyć wartości wymienionych parametrów roboczych, po wprowadzeniu do układu sprzężenia zwrotnego, można nadal posługiwać się zależnościami 6.x. W tym celu należy odpowiednio skorygować wartości parametrów macierzy [h] tranzystora, tak aby uwzględniały działanie sprzężenia zwrotnego. Sposób obliczenia parametrów skorygowanych [h_f] przedstawiono poniżej:

sprzężenie prądowe szeregowe:

(7.1.1)

(7.1.2)

(7.1.3)

(7.1.4)

(7.1.5)

sprzężenie napięciowe, równoległe:

(7.2.1)

(7.2.2)

(7.2.3)

(7.2.4)

(7.2.5)

UWAGA !!! do wzorów (6.4) oraz (6.9) należy w miejsce podstawić ;

sprzężenie mieszane:

(7.3.1)

(7.3.2)

(7.3.3)

(7.3.4)

(7.3.5)

UWAGA !!! do wzorów (6.4) oraz (6.9) należy w miejsce podstawić .

8. Obliczenie teoretycznych wartości współczynnika wzmocnienia oraz impedancji wejściowej i wyjściowej wtórnika emiterowego.

W przypadku wtórnika emiterowego mamy:

wzmocnienie napięciowe:

(8.1)

impedancja wejściowa powinna być obliczona zgodnie z zależnościami (6.4) oraz (6.6) gdzie w miejsce należy podstawić wielkość (8.2)

(8.2)

impedancja wyjściowa:

(8.3)

gdzie:

(8.4)

jest obliczone zgodnie z zależnością (6.9).

u_wy

r_wy

u_we

r_we

RE

r_wy

u_wy

r_wy

u_we

r_we

u_we

RE

u_wy

r_wy

u_we

r_we

u_wy

r_we

r_wy

u_we

RE

r_we

RE

Ro

u_wy

---