AGH , Wydz. EAIiE Katedra Elektroniki	Imię , nazwisko : Gandzel Jarosław Grzesiak Grzegorz Iwan Radosław
LABORATORIUM ELEKTRONIKI			Semestr : IV
Rok akademicki : 1998 / 99	Rok studiów : II		Grupa : II
Kierunek : ELEKTROTECHNIKA			Zespół : 1
Temat ćwiczenia : Badanie wzmacniacza mocy.			Nr ćwiczenia : 3
Data wykonania ćwiczenia : 29.03.1999		Data zaliczenia sprawozdania :

1. Cel ćwiczenia:

-wyznaczanie charakterystyk przejściowych przeciwsobnego wzmacniacza mocy

- obserwacja zniekształceń nieliniowych powstających w stopniu końcowym wzmacniacza mocy

- poznanie praktycznych sposobów zmniejszania zaobserwowanych zniekształceń

- pomiary charakterystyk dynamicznych stopnia końcowego wzmacniacza mocy

2. Opis układu.

Poniżej przedstawiony jest schemat ideowy układu. Ze względu na swoją uniwersalność i cel dydaktyczny jest on znacznie rozbudowany o możliwość pobierania sygnału z różnych punktów układu przez dwa wyjścia niezależnie i o różne rodzaje pętli sprzężenia zwrotnego.

Przełączniki R7-R8 pozwalają wybrać rodzaj sterowania stopnia końcowego wzmacniacza. Przełącznik w pozycji R7 stopień końcowy jest sterowany z źródła prądowego, a w pozycji R8 z źródła napięciowego.

Przełącznikiem AB-C wybieramy klasę pracy wzmacniacza mocy. AB z wstępnym wysterowaniem tranzystorów mocy lub C tranzystory są w stanie odcięcia przy braku sygnału.

Przełącznik 10-80 ustala wartość obciążenia 10  lub 80  .

Pozostałe sterują wyborem sprzężenia zwrotnego i punktu, z którego pobierany jest sygnał. Te przełączniki są wyprowadzone na zewnątrz.

Sam schemat ideowy wzmacniacza można przedstawić prościej, rysunek poniżej.

3. Wykonanie ćwiczenia.

Pierwszym poleceniem było wyznaczenie maksymalnej wartości napięcia wejściowego stopnia końcowego przy którym nie następuje widoczne zniekształcenie sygnału. Napięcie to wyznaczono dla następujących parametrów układu:

• sterowanie napięciowe wzmacniacza mocy ( rezystor R₈)

• częstotliwość sygnału f = 1 kHz

• obciążenie R₀ = 10  .

• klasa pracy wzmacniacza C

Maksymalne napięcie wejściowe wyznaczyliśmy obserwując na oscyloskopie przebieg napięcia na obciążeniu i na wejściu wzmacniacza. Wyniosło ono:

U_{we p-p} = 5V

Napięcie wejściowe wzmacniacza jest zbliżone do napięcia zasilania wzmacniacza, które również wynosiło 5V.

Kolejnym poleceniem było wyznaczenie wartości maksymalnej napięcia na wyjściu wzmacniacza napięciowego sterującego wzmacniaczem mocy. Parametry są takie same jak przy poprzednim poleceniu, dodatkowo wzmacniacz operacyjny (napięciowy ) objęty jest pętlą sprzężenia zwrotnego. Zmierzona wartość napięcia wyniosła:

U_{741 p-p} = 6,3V

Jak widać wartości tych napięć różnią się o spadek napięcia na rezystancji R_S , która symuluje rezystancję wewnętrzną wzmacniacza napięciowego. Spadek napięcia jest wynikiem pobierania przez wzmacniacz prądu (mocy).Wzmacniacz ma skończoną wartość wzmocnienia prądu (mocy).

Następnym punktem poleceń jest obserwacja zniekształceń sygnału wprowadzonych przez stopień końcowy wzmacniacza mocy. Ustawiamy następujące parametry wzmacniacza i sygnału:

• sterowanie napięciowe wzmacniacza mocy ( rezystor R₈)

• częstotliwość sygnału f = 1 kHz

• obciążenie R₀ = 10  .

• sygnał wyjściowy ustawiamy na poziomie U_{wy p-p} = 1,5V

Zmieniając klasę pracy wzmacniacz AB na C obserwujemy charakterystykę przejściową wzmacniacza U_wy = f(U_we). Przerysowaliśmy także przebieg napięcia na obciążeniu U_wy = f(t). Poniższe rysunki przedstawiają zaobserwowane charakterystyki i przebiegi:

Klasa pracy wzmacniacza AB

Klasa pracy wzmacniacza C

Jak wyraźnie widać zniekształcenia są mniejsze przy wzmacniaczu pracującym w klasie AB wstępnie spolaryzowane tranzystory dają w sumie bardziej liniową charakterystykę przetwarzania. Mniejszy jest zakres napięcia wejściowego dla którego wzmacniacz prawie nie reaguje na napięcie wejściowe. Dla klas pracy C, B napięcie wejściowe w zakresie -0,7 do 0,7 V i większym dla klasy C nie wywołuje zmian napięcia na wyjściu. Oczywiście zmniejszenie zniekształceń odbywa się kosztem zmniejszenia sprawności wzmacniacza. W klasie AB przez tranzystory płynie prąd nawet gdy niema sygnału wejściowego. Pojawia się problem zapewnienia stabilności punktu w tej klasie. Zbyt głębokie wprowadzenie tranzystorów w klasę A może prowadzić do ich spalenia. Dodatkowym destabilizującym czynnikiem jest niekorzystny wpływ temperatury, wraz z wzrostem temperatury zmniejsza się napięcie złącza B-E. Stosuje się rezystory w emiterach tranzystorów. Stanowi to dodatkowy problem konstrukcyjny.

Kolejnym poleceniem jest wyznaczenia charakterystyk: przejściowych U_wy = f(U_we), przebiegów napięcia na obciążeniu U_wy = f(t) i przebiegów napięcia na wejściu wzmacniacza mocy U_we = f(t) dla wzmacniacza pracującego w klasie C, przy różnych wartości rezystancji wewnętrznej źródła sterującego wzmacniacz mocy (sterowanie z źródła napięciowego lub z źródła prądowego). Pozostałe parametry wzmacniacza i sygnału są takie same jak przy poprzednim poleceniu.

Obserwowane przebiegi dla sterowania napięciowego:

Charakterystyka przejściowa U_wy = f(U_we).

Przebieg napięcia na wejściu wzmacniacza U_we = f(t).

Przebieg napięcia na obciążeniu U_wy = f(t).

Następnie zmieniamy sterowanie na prądowe.

Charakterystyka przejściowa U_wy = f(U_we).

Przebieg napięcia na wejściu wzmacniacza U_we = f(t).

Przebieg napięcia na obciążeniu U_wy = f(t).

Obserwując charakterystyki przejściowe możemy zauważyć, że są one różne w zależności od rezystancji łączącej wzmacniacz napięciowy (sterujący) z wejściem wzmacniacza mocy. Przy sterowaniu napięciowym (mała wartość rezystancji) charakterystyka przejściowa U_wy = f(U_we) jest nachylona pod większym kątem i wygląda na symetryczną zarówno dla dodatnich jak i ujemnych wartości sygnału. Nachylenie ch-ka ( U_wy/ U_we ) dla sterowania napięciowego wynosi średnio: 0,74 V/V. Natomiast dla sterowania prądowego widać asymetrię obu ramion jedno jest dłuższe i nachylone pod mniejszym kątem. Nachylenia charakterystyki przy sterowaniu prądowym wynosi dla ramienia nachylonego pod mniejszym kątem (górnego):0,18 V/V , a dla nachylonego pod większym kątem (dolnego): 0,20 V/V.

Zarówno przy sterowaniu napięciowym jak i prądowym występuje asymetria charakterystyki przejścia. Przy sterowaniu napięciowym zniekształcenia te są wywołane różnymi charakterystykami wejściowymi tranzystorów I_B = f(U_BE). Tym samym wartością napięcia sterującego odpowiadają rożne wartości prądu dla jednego tranzystora i dla drugiego tranzystora. Są to jednak zniekształcenia niewielkie na poziomie kilkunastu do kilkudziesięciu miliwoltów dla danego typu tranzystora. Dlatego trudno zaobserwować tą asymetrię w wykonywanym ćwiczeniu.

Inaczej sprawa wygląda przy sterowaniu prądowym wzmacniacza mocy. Asymetria charakterystyki przejścia jest widoczna. Wywołana jest ona różnymi współczynnikami wzmocnienia _n obu tranzystorów. Współczynnik wzmocnienia jest parametrem który zasadniczo ma mniejszą powtarzalność dla tego samego typu tranzystora niż charakterystyka wejściowa. Dlatego trafienie na parę tranzystorów komplementarnych o tym samym współczynniku wzmocnienia jest trudniejsze. W badanym układzie wzmacniacza widać, że jeden tranzystor ma większy współczynnik wzmocnienia prądowego, a drugi mniejszy. Wskazuje na to kąt nachylenia ramion charakterystyki przejściowej i ich długość, widać to także po przebiegu wyjściowym. Dolna połówka przebiegu ma większą wartość.

Na podstawie wartości współczynnika nachylenia i schematu elektrycznego wzmacniacza można wyznaczyć wartość współczynnika wzmocnienia _n dla obu tranzystorów. Wejścia tranzystorów są spolaryzowane za pomocą źródeł prądowych. Może więc bez większego błędu przyjąć, że prąd wpływający do wzmacniacza w całości wpływa do bazy tranzystora, a ponieważ wzmacniacz pracuje w klasie C więc cały prąd wypływający z tranzystora (emitera) płynie przez obciążenie. Dzięki temu możemy w prosty sposób obliczyć współczynnik wzmocnienia prądowego. Z emitera wypływa prąd powiększony o _n razy prąd jaki wpłynął do bazy. Możemy zapisać to w postaci równania:

Z którego wyznaczamy współczynnik wzmocnienia _n:

Prąd wyjściowy z prawa Ohma wynosi:

Prąd wejściowy wyznaczamy z napięciowego prawa Kirchoffa:

Dla uproszczenia obliczeń możemy zaniedbać napięcie U_BE , przy dużej wartości napięcia wyjściowego ma ono pomijalnie mały wpływ. Podstawiamy dwa ostatnie równania do wcześniejszego i po przekształceniach otrzymujemy:

, gdzie U₇₄₁/U_wy jest wcześniej wyliczoną odwrotnością współczynnika nachylenia charakterystyki przejściowej. Wyliczone w ten sposób współczynniki wzmocnienia _n wynoszą odpowiednio :

dla jednego tranzystora

_{n 1} = 108

dla drugiego tranzystora

_{n 2} = 99

Interesujące również wydają się być przebiegi napięcia na wejściu wzmacniacza mocy (w punkcie B). Wyraźnie widać, że są one inne dla sterowania napięciowego (bardziej zbliżony do sinusoidy) niż dla sterowania prądowego wzmacniacza. Ich kształt można bardzo prosto wytłumaczyć. Przy sterowaniu napięciowym (mała rezystancja R_S ) napięcie wejściowe przenosi się prawie bez zniekształceń na wejście wzmacniacza, pomniejszone tylko o spadek napięcia na rezystancji R_S, która ma małą wartość, a więc spadek napięcia jest na niej mały. Spadek napięcia na rezystancji R_S zależy od prądu płynącego do wejścia wzmacniacza, a więc jest wymuszony przez obciążenie R₀ . W ekstremalnym przypadku przy zwarciu wyjścia napięcie na wejściu wzmacniacza (w punkcie B) będzie miało dużo mniejszą wartość niż napięcie wzmacniacza sterującego U₇₄₁. Natomiast przy dużej wartości rezystancji R_S tzw. Sterowanie prądowe już niewielkie obciążenie powoduje znaczny spadek napięcia na rezystancji R_S . W związku z tym napięcie na wejściu wzmacniacza początkowo szybko narasta do wartości około 0,7V , kiedy jeszcze nie płynie prąd przez złącze baza-emiter. Po przekroczeniu tej wartości prąd sygnału pobieranego przez wzmacniacz powoduje znaczny spadek napięcia na dużej tym razem rezystancji R_S i znaczne obniżenie amplitudy sygnału na wejściu wzmacniacza w stosunku do wyjścia wzmacniacza poprzedzającego.

Należy zauważyć, że przy sterowaniu prądowym amplituda napięcia sygnału wyjściowego poprzedzającego stopnia musi być dużo większa niż przy sterowaniu napięciowym, aby uzyskać taką samą amplitudę napięcia na wyjściu. Wynika stąd kilka bardzo cennych spostrzeżeń:

1. Przy sterowaniu prądowym trzeba zapewnić sygnałowi użytecznemu większe wzmocnienie napięciowe w poprzedzających stopniach wzmacniaczy.

2. Większa amplituda napięcia pozwala zmniejszyć zniekształcenia wzmacniaczy pracujących w klasie C. Sygnał szybciej przechodzi przez strefę martwą -0,7V do +0,7V. Relatywnie amplituda sygnału wejściowego jest większa do napięcia odcięcia dla wzmacniaczy ze sterowaniem prądowym.

Z tych spostrzeżeń wynika, że np.: dysponując sygnałem a dużej amplitudzie napięcia i chcąc go wzmocnić tak, aby uzyskać sygnał o znacznie mniejszej amplitudzie napięcia, ale dużo większej obciążalności prądowej warto zastosować wzmacniacz przeciwsobny pracujący w klasie C lub B. Zniekształcenia spowodowane napięciem odcięcia od -0,7V do 0,7V nie będą bardzo duże.

Kolejnym problemem postawionym w ćwiczeniu był wpływ sprzężenia zwrotnego na zniekształcenia wzmacnianego sygnału. Wzmacniacz w klasie C sterowany prądowo (duża rezystancja R_S ) objęty był po kolei czterema różnymi pętlami sprzężenia zwrotnego.

1. Pętla sprzężenia obejmuje tylko wzmacniacz napięciowy przed stopniem końcowym (sygnał zwrotny pobierany jest z wyjścia wzmacniacza napięciowego)

Charakterystyka przejściowa U_wy = f(U_we) i przebieg napięcia na obciążeniu U_wy = f(t).

Sygnał zwrotny pobierany jest z wejścia wzmacniacza mocy.

Charakterystyka przejściowa U_wy = f(U_we) i przebieg napięcia na obciążeniu U_wy = f(t).

Niestety podpunktów 3 i 4 nie udało nam się zrobić ze względu na brak czasu. Pozostały także jeszcze dwa punkty, które obejmowały:

• pomiar zawartości harmonicznych

• wyznaczanie charakterystyk dynamicznych wzmacniacza

Wnioski:

---