POLITECHNIKA WROCŁAWSKA	Kamil Ignatowski – autor Mateusz Urbanek GRUPA 3 - wtorek 7^30	Kierunek ETK Rok studiów 2 Semestr IV letni Rok akademicki 2014/2015
LABORATORIUM PODSTAW ELEKTRONIKI
Data ćwiczenia : 14.04.2015 r.	TEMAT: Liniowy przetwornik sygnału na tranzystorze polowym	Ocena

1. Cel ćwiczenia:

Poznanie właściwości jednego ze wzmacniających układów na tranzystorze polowym (unipolarnym). Będzie to układ o wspólnym źródle (WS); zapoznanie się z budową układu, ustalaniem punktu pracy tranzystora w układzie, zastępczymi parametrami układu. Poznanie metody badania układu, jako liniowego przetwornika sygnałów przemiennych oraz skutków współpracy układu ze źródłem sygnału wejściowego i z obciążeniem wyjścia o określonych rezystancjach.

1. Schematy układów pomiarowych:

Rys.1. Wzmacniacz na tranzystorze polowym, w układzie o wspólnym źródle (WS), z wielkościami stałoprądowymi, określającymi punkt pracy tranzystora (ppQ) wraz ze źródłem sygnału e_g i obciążeniem wyjścia R_L oraz dwa schematy zastępcze do minimalnego opisu właściwości układu, z wielkościami zmiennoprądowymi, małosygnałowymi.

Rys.2. Układ pomiarowy do badania aktywnych czwórników napięciowych, przetwarzających sygnały przemienne.

1. Spis przyrządów pomiarowych:

• Digital multimeter (TRUE RMS) METEX, I29-IVa4537 (funkcje DCV, ACV, frequency i Ω ),

• Oscyloskop LG OS-5020, I29-IVa4444,

• Tranzystor 2N4416 n-FET, I_DSS = (6÷10)mA,

• Generator GoldStar FG-8002, I29-IVa4526.

1. Tabele pomiarowe i obliczenia:

Statystyczny ppQ, przyrząd V: METEX MXD-4660A o RV = 2 MΩ
Pomiary napięć
ED [V]
24,17

• Po podłączeniu układu sprawdziliśmy czy napięcia mają poprawne wartości. Stwierdziliśmy poprawne wielkości dla E_D oraz dla U_G, co świadczyło o braku uszkodzenia tranzystora.

Przykładowe obliczenia:

U_GS =  U_G − U_S  [V]

U_GS = 0, 06 • 10⁻³ − 2, 017 =   − 2, 01694 V

U_DS =  U_D − U_S  [V]

U_DS = 7, 143 − 2, 017 = 6, 126 V

$$I_{D} = \ \frac{- U_{\text{GS}}}{R_{S}}\ \lbrack A\rbrack\ $$

$$I_{D} = \ \frac{2,017}{3300} = 0,0006112 = 0,6112\ mA$$

$$I_{G} = \ \frac{U_{G}}{R_{G}}\ \lbrack A\rbrack$$

$$I_{G} = \ \frac{0,06 \bullet 10^{- 3}}{0,68 \bullet 10^{6}} = 8,82 \bullet 10^{- 11} = 0,09\ nA$$

WYZNACZANIE ŚRODKA PASMA CZĘSTOTLIWOŚCIOWEGO

• W celu wyznaczenia środka pasma częstotliwościowego wzmacniacza WS zastosowaliśmy się do instrukcji zawartych w poleceniu. Załączyliśmy rezystory: obciążający R_L (56k) oraz symulujący rezystancję źródła sygnału R_g (330k).

• Następnie ustawiliśmy pasmo na oscyloskopie od 0 Hz - przełączniki na wejściach kanałów w pozycji DC. Po dobraniu amplitudy sygnału, regulowaliśmy tak częstotliwość, by przesunięcie fazowe między wejściem a wyjściem było −180.

• Tym samym wyznaczyliśmy f_m=0, 693 kHz.

WYZNACZENIE ZAKRESU PRACY LINIOWEJ

Badania parametrów roboczych wzmacniacza WE bez CE przy fm = 0,595 kHz przyrząd V: METEXMXD-466A
Lp.
1.
2.
3.

• Następnie w warunkach transmitancji k_uef czyli z R_L i R_g oraz przy wyznaczonym wcześniej f_m przystąpiliśmy do wyznaczania zakresu liniowej pracy tranzystora.

• Obserwując załamania na końcach charakterystyki przejściowej zapisaliśmy graniczną, skuteczną wartość napięcia na wyjściu dla subiektywnie określonego zakresu pracy liniowej U_OML = 2,487 V.

• Przy około $\frac{1}{2}U_{0ML}$ napięcie na wyjściu wyniosło U_O=1, 2934 V, a na wejściu

E_g=0, 4144 V.

Przykładowe obliczenia:

$$\left| k_{\text{uef}} \right| = \ \frac{U_{O}}{E_{g}}\text{\ \ }\left\lbrack \frac{V}{V} \right\rbrack$$

• $\left| k_{\text{uef}} \right| = \ \frac{1,2934}{0,4144} = 3,1211\ \frac{V}{V}$

• W następnym kroku zastąpiliśmy rezystor R_g zworą, co pozwoliło uzyskać nam warunki transmitancji k_u.

Przykładowe obliczenia:

$$\left| k_{u} \right| = \ \frac{U_{0}}{E_{g}}\ \left\lbrack \frac{V}{V} \right\rbrack$$

$$\left| k_{u} \right| = \ \frac{1,2697}{0,2750} = 4,6171\ \frac{V}{V}$$

• W dalszym ciągu zostawiliśmy zworę zamiast R_g, lecz tym razem odłączyliśmy rezystor R_L. Dało to nam warunki własnej transmitancji napięciowej układu k_u0.

Przykładowe obliczenia:

$$\left| k_{u0} \right| = \ \frac{U_{0}}{E_{g}}\ \left\lbrack \frac{V}{V} \right\rbrack$$

$$\left| k_{u0} \right| = \ \frac{1,3547}{0,2034} = 6,6603\ \frac{V}{V}$$

• W tym momencie zakładając, że wzmacniacz jest liniowym, unilateralnym czwórnikiem, można obliczyć rezystancję wejściową i wyjściową R_i oraz R_o wykorzystując policzone wyżej transmitancje.

Przykładowe obliczenia:

$$k_{\text{uef}} = \ \frac{R_{i}}{R_{i} + R_{g}} \bullet k_{u}\ \overset{\Rightarrow}{}\ R_{i} = \ \frac{k_{\text{uef}}}{k_{u} - k_{\text{uef}}} \bullet R_{g}$$

$$R_{i} = \ \frac{330 \bullet 10^{3} \bullet 3,1211}{4,6171 - 3,1211} = 688431,92 = 688,43\ k\Omega$$

$$k_{u} = \ k_{u0} \bullet \frac{R_{L}}{R_{o} + R_{L}}\ \overset{\Rightarrow}{}\ R_{o} = \ R_{L} \bullet \frac{(k_{u0} - k_{u})}{k_{u}}$$

$$R_{o} = \ \frac{\left( 6,6603 - 4,6171 \right) \bullet 56 \bullet 10^{3}}{4,6171} = 24781,62 = 24,78\ k\Omega$$

WYZNCZENIA PASMA PRACY UKŁADU; CZĘSTOTLIWOŚCI GRANICZNYCH GÓRNEJ I DOLNEJ

• W warunkach transmitancji k_uef, czyli z R_L i R_g przy częstotliwości f_m, wyznaczonej wcześniej, ustawiliśmy na wyjściu napięcie równe około $\frac{1}{2}U_{0ML}$, czyli

U₀=1, 2257 V.

• Po dobraniu stałej odchylania toru Y oscyloskopu, obraz sygnału wyjściowego na ekranie miał wartość międzyszczytową równą L_m=55 mm.

Przykładowe obliczenia:

$$L_{- 3dB} = \ \left( \frac{1}{2} \right)^{\frac{1}{2}}L_{\text{m\ }} \approx 0,707L_{m}\ \lbrack mm\rbrack$$

L_−3dB =  0, 707 • 55 = 38, 89 mm

• Nie zmieniając amplitudy, zmienialiśmy tak częstotliwość w górę, aby obraz na ekranie zmalał do obliczonej powyżej wartości L_−3dB.

• Po uzyskaniu żądanych parametrów zapisaliśmy występującą w tych warunkach częstotliwość, która jest częstotliwością górną graniczną, f_g=14, 076 kHz.

• Dodatkowo odczytaliśmy wymiary elipsy, które są następujące: B = 3, 9 dz,

b = 3, 1 dz.

• W trybie pracy z liniową podstawą czasu stwierdziliśmy, że zmiana przesunięcia fazowego φ_g względem wartości φ_m jest ujemna.

• Całkowite przesunięcie fazowe φ_g jest następujące:

$$\left| \varphi_{g} \right| = arcsin\left( \frac{b}{B} \right)\ \ \lbrack\rbrack$$

$$\left| \varphi_{g} \right| = arcsin\left( \frac{3,1}{3,9} \right) = 52,6$$

φ_g =  φ₀ + φ_g  []

φ_g = −180 − 52, 6 =   − 232, 6

• Postępując podobnie jak w ostatnich pięciu punktach wyznaczyliśmy częstotliwość dolną graniczną, równą f_d=31 Hz. Następnie wyznaczyliśmy parametry elipsy, które wynoszą odpowiednio: B = 3, 9 dz, a b = 3, 5 dz. W trybie pracy z liniową podstawą czasu określiliśmy, że zmiana przesunięcia fazowego φ_d względem wartości φ_m jest dodatnia. Całkowite przesunięcie fazowe φ_d jest następujące:

$$\left| \varphi_{d} \right| = arcsin\left( \frac{b}{B} \right)\ \ \lbrack\rbrack$$

$$\left| \varphi_{g} \right| = arcsin\left( \frac{3,5}{3,9} \right) = 63,8$$

φ_g =  φ₀ + φ_g  []

φ_g = −180 + 63, 8 =   − 116, 2

POMIAR WARTOŚCI REZYSTORÓW STOSOWANYCH W UKŁADZIE

Wartości rezystorów stosowanych w układzie
RS
[kΩ]
3,213

Poprawne teoretyczne transmitancje:

$$k_{u0} = \ - \frac{g_{m} \bullet R_{D}}{1 + g_{m}R_{S}}\ \left\lbrack \frac{V}{V} \right\rbrack$$

$$k_{u0} = \ - \ \frac{1,46 \bullet 27,09}{1 + 1,46 \bullet 3,213} = \ - 6,95\ \frac{V}{V}$$

$$k_{i0} \approx \ - \frac{g_{m}R_{G}}{1 + g_{m}R_{S}}\ \left\lbrack \frac{A}{A} \right\rbrack$$

$$k_{i0} = - \frac{1,46 \bullet 0,001 \bullet 0,6859 \bullet 10^{6}}{1 + 1,46 \bullet 3,213} = \ - 175,97\ \frac{A}{A}$$

$$k_{u} = \ k_{u0}\frac{R_{L}}{R_{D} + R_{L}}\ \left\lbrack \frac{V}{V} \right\rbrack$$

$$k_{u} = \ - 6,95\frac{57,20}{27,09 + 57,20} = \ - 4,72\ \frac{V}{V}$$

$$k_{i} = \ k_{i0}\frac{R_{D}}{R_{D} + R_{L}}\ \left\lbrack \frac{A}{A} \right\rbrack$$

$$k_{i} = \ - 175,97\frac{27,09}{27,09 + 57,20} = \ - 56,55\ \frac{A}{A}$$

$$k_{\text{uef}} = \ k_{u}\frac{R_{G}}{R_{G} + R_{g}}\ \left\lbrack \frac{V}{V} \right\rbrack$$

$$k_{\text{uef}} = \ - 4,72\frac{0,6859}{0,6859 + 0,3278} = \ - 3,19\ \frac{V}{V}$$

$$k_{\text{ief}} = \ k_{i}\frac{R_{g}}{R_{G} + R_{g}}\ \left\lbrack \frac{A}{A} \right\rbrack$$

$$k_{\text{ief}} = \ - 56,55\frac{0,3278}{0,6859 + 0,3278} = \ - 18,32\ \frac{A}{A}$$

Rezystancje wejściowe i wyjściowe z badań:

$$k_{\text{uef}} = \ \frac{R_{i}}{R_{i} + R_{g}} \bullet k_{u}\ \overset{\Rightarrow}{}\ R_{i} = \ \frac{k_{\text{uef}}}{k_{u} - k_{\text{uef}}} \bullet R_{g}$$

$$R_{i} = \ \frac{0,3278 \bullet 10^{6} \bullet 3,1211}{4,6171 - 3,1211} = 683888,09 = 683,89\ k\Omega$$

$$k_{u} = \ k_{u0} \bullet \frac{R_{L}}{R_{o} + R_{L}}\ \overset{\Rightarrow}{}\ R_{o} = \ R_{L} \bullet \frac{k_{u0} - k_{u}}{k_{u}}$$

$$R_{o} = \ \frac{\left( 6,6603 - 4,6171 \right) \bullet 57,20 \bullet 10^{3}}{4,6171} = 25312,65 = 25,31\ k\Omega$$

PORÓWNANIE WYNIKÓW TEORETYCZNYCH Z WYNIKAMI WYNIKAJĄCYMI Z BADAŃ

PORÓWNANIE TRANSMITANCJI
WYNIKI TEORETYCZNE
WYNIKI NA PODSTAWIE BADAŃ

PORÓWNANIE REZYSTORÓW
TEORIA
WYNIKI NA PODSTAWIE BADAŃ

1. Wnioski:

• Po zestawieniu wyników parametrów roboczych z wartościami podanymi z góry w ćwiczeniu zauważyłam lekką odchyłkę. Wartości rezystorów są mniejsze w porównaniu z tymi teoretycznymi. Wpływ na to ma tolerancja jak i niedokładności pomiarowe.

• Z kolei w zestawieniu transmitancji zauważam tendencję zgoła odwrotną. Wartości transmitancji obliczonych na podstawie pomiarów są większe od tych obliczonych przy wartościach teoretycznych.

• Z wiedzy teoretycznej wiem, że charakterystyka prądowo - napięciowa jest w przybliżeniu liniowa kiedy U_GS = 0. Zatem w miarę wzrostu prądu charakterystyka odchyla się od linii prostej.

• Dalszy wzrost napięcia powoduje sytuację, w której tranzystor przechodzi w stan nasycenia. Jest to właśnie stan, w którym charakterystyka odbiega od liniowej.