KATEDRA ELEKTRONIKI

LABORATORIUM Z PODSTAW ELEKTRONIKI

Zespół: Rafał Kaszyca Rafał Kobak Seweryn Kwieciński

Grupa: 2 Rok: 2

1. Cel Ćwiczenia

Celem ćwiczenia była obserwacja zależności parametrów wzmacniacza od parametrów elementów RC, czyli oporności R i pojemności C użytej w danym układzie. Badanie obejmowało następujące parametry wzmacniacza: wzmocnienia napięciowe k_u częstotliwości graniczne f_g oraz f_d dla których sygnał wyjściowy obniża się o określoną wartość (3dB), a także szerokości pasma przenoszenia. Część otrzymanych wartości eksperymentalnych została poddana w konfrontacji z wartościami wyznaczonymi w drodze teoretycznych obliczeń. Celem ćwiczenia było również zilustrowanie jakościowych i ilościowych związków między podstawowymi parametrami roboczymi wzmacniacza a parametrami elementów układu.

2. Część symulacyjna

Symulacja wzmacniacza RC w konfiguracji 1b

Wartości elementów zostały odczytane z płytki DWT1:

- rezystancja R_c = 11kΩ,

- rezystancja R­_e­ = 10kΩ

- rezystancja R_b2= 68kΩ

- zasilanie U_CC = 15 V,

Dane tranzystora:

β = 400

U_cesat = 0,2V

U_bes = 0,75V

Założenia projektowe:

- maksymalna amplituda wyjściowa żeby wzmaniacz nie był przesterowany

Po otrzymaniu płytki DWT1 okazało się że brakuje rezystora R_b1 zatem trzeba było go dobrać:

Analityczny dobór punktu pracy tranzystora BC107

U_CE­­­­(P) ==7,6[ V]

Przyjmuję że I­­­­­_b1=100I_b zatem:

Po obliczeniu rezystora R_b1 dokonana została symulacja. Został przyjęty opornik 100kΩ (najbliższy z szeregu E24)

Poniżej schemat symulacji

Następnie zostały poczynione starania aby przy podaniu na wejście wzmacniacza sygnału o wymuszeniu sinusoidalnym i częstotliwości 1kHz dobrać tak amplitude tego sygnału by na wyjściu otrzymać nie zniekształcony sygnał. Taki sygnał został otrzymany przy amlitudzie sygnału wejściowego ok. 40mV czyli 80mV peak to peak. Widać to na poniższym oscylogramie:

Aby określić pasmo przenoszenia i faze zrobiliśmy charakterystyki bodego:

Oto charakterystyka amplitudowa:

Badając na niej spadek wartości wzmocnienia o 3dB od maksymalnego, otrzymaliśmy pasmo przenoszenia wzmacniacza które wyniosło od 11Hz do 240kHz

Charakterystyka fazowa

Możemy z niej wyczytać że przy ok. 7kHz następuje zmiana fazy.

Pomiar zniekształceń na kolektorze tranzystora w układzie wzmacniacza RC

Do kolektora tranzystora dołączony został miernik zniekształceń. Zmierzone zostału zniekształcenia przebiegu wyjściowego dla zadanego w układzie rezystora Rs przy jego wartości normalnej 10kΩ i 10Ω

Oto wskazanie miernika przy Rs=10kΩ

A to przy Rs=10Ω

Jak widać wielkość rezystora Rs pełni bardzo ważna role – filtruje nieporządane zakłucenia sygnału. Przy 10Ω wynosiły one ponad 3 razy więcej niż przy 10kΩ.

Pomiar wzmocnienia skutecznego k_us , wzmocnienia napięciowego k_u, oraz

rezystancji wejściowej wzmacniacza R_we

Za pomocą analizy Transient wyznaczyliśmy napięcia na odpowiednich węzłach tak aby sygnał wyjsciowy był nie zniekształcony:

- węzeł 1 – między kondensatorem a rezystorem Rs który oznacze dalej WE1

- węzeł 2 – baza tranzystora który oznacze dalej WE2

Na wyjściu dla obu wejść, napięcie było różne lecz zbliżone do siebie. Niedokładność odczytu tego napięcia wynika z tego że uznawanie kiedy wzmacniacz przesterowuje się nie zawsze wychodzi w tym samym momencie. Mimo wszystko z dobrym przybliżeniem można uznać że U_WYpp=6,1V

Dla WE1:

U_WE1pp=80mV

Dla WE2

U_WE2pp=250mV

Obliczam wzocnienie skuteczne wzmacniacza k_us oraz wzomcnienie napięciowe k_u oraz rezystancje wejściową R_we

$$k_{\text{us}} = \ \frac{U_{\text{WYpp}}}{U_{WE1pp}} = 76$$

$$k_{u} = \ \frac{U_{\text{WYpp}}}{U_{WE2\text{pp}}} = 24$$

$$I_{\text{WEpp}} = \ \frac{U_{WE2\text{pp}} - U_{WE1pp}}{R_{s}} = \frac{250m - 80m}{10k} = 17\lbrack uA\rbrack$$

$$R_{\text{we}} = \ \frac{U_{WE1\text{pp}}}{I_{\text{WE}\text{pp}}} = \frac{80m}{17u} = 4705\ \mathrm{\Omega}$$

2. Cześć praktyczna

Obserwacja przebiegów sygnału wejściowego i wyjściowego wzmacniacza

za pomocą oscyloskopu

Na WE1 oraz na WE2 płyty montażowej DWT1 został podany sygnał z generatora fali sinusoidalnej. Jedna z sond oscyloskopu została podłączona w punkcie WE1 a później do WE2 wzmacniacza RC, drugą sondę oscyloskopu daliśmy na wyjście WY wzmacniacza. Generator podawał sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1 kHz.

Używając generatora dobraliśmy sygnał o takiej amplitudzie, aby uzyskać na wyjściu wzmacniacza niezniekształcony sygnał o maksymalnej amplitudzie na obu kanałach.

Dla WE1:

U_WE1pp=78mV

U_WY1pp=5,52V

Dla WE2

U_WE2pp=246mV

U_WY1pp=5,64V

W wyniku niedokładności przyżądów ale przedeszystkim człowieka nie U_WYpp różnią się niewiele dlatego przyjmę jaku U_WYpp wartość średnią: U_WYpp=5,58V.

Teraz obliczam wzocnienie skuteczne wzmacniacza k_us oraz wzomcnienie napięciowe k_u oraz rezystancje wejściową R_we

$$k_{\text{us}} = \ \frac{U_{\text{WYpp}}}{U_{WE1pp}} = 70$$

$$k_{u} = \ \frac{U_{\text{WYpp}}}{U_{WE2pp}} = 23$$

$$I_{\text{WEpp}} = \ \frac{U_{WE2pp} - U_{WE1pp}}{R_{s}} = \frac{246m - 78m}{10k} = 16,8\lbrack uA\rbrack$$

$$R_{\text{we}} = \ \frac{U_{WE1pp}}{I_{\text{WEpp}}} = \frac{78m}{16,8u} = 7800\text{\ Ω}$$

Pomiar dolnej częstotliwości granicznej wzmacniacza f_d, górnej

częstotliwości granicznej wzmacniacza f_g oraz 3 dB pasma przenoszenia

Do wyznaczenia dolnej i górnej częstotliwości granicznej wzmacniacza fg i fd zastosowaliśmy oscyloskop. Ze względu że na WE1 wzmacniacz był za bardzo przesterowany pomiarów dokonywaliśmy na WE2. Na wejście wzmacniacza WE2 podany został sygnał sinusoidalny z generatora o częstotliwości 1 kHz i takiej amplitudzie, aby sygnał wyjściowy był bez zniekształceń, następnie obliczyliśmy 0.707 jego wartości.

Zmieniała była częstotliwość sygnału wejściowego w obu kierunkach narastająco i opadająco, aż do momentu gdy poziom sygnału wyjściowego zmaleje do 0.707 początkowej wartości.

Podczas badania kontrolowaliśmy stale czy amplituda sygnału wejściowego pozostaje stała. Zmieniała się tylko jego częstotliwość.

f_d=74Hz

f_g=822kHz

3. Wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia

Drogą symulacyjną i praktyczną dowiedliśmy że dobrze został obliczony punkt pracy (dobrze dobrany rezystor R_b1). Przy doborze punktu pracy tranzystora należy mieć na uwadze to aby tranzystor wzmacniał obie połówki napięcia zmiennego , w przeciwnym razie gdy punkt pracy tranzystora będzie położony zbyt blisko obszaru odcięcia nie będą poprawnie przenoszone ujemnie połówki napięcia wejściowego. Punkt pacy nie może być też położony zbyt blisko obszaru odcięcia, gdyż wzmacniacz będzie się przesterowywał się. Przy przesterowaniu na wejście wzmacniacza podajemy napięcie o zwiększonej amplitudzie w wyniku czego wzrasta prąd kolektora, powoduje to obserwowany stan nasycenia tranzystora (część płaska przebiegu napięcia). Ważne jest również, aby wzmacniacz nie obciążał źródła sygnału, dlatego powinien mieć możliwie dużą rezystancje wejściową.

Wyniki otrzymane na drodze pomiaru, w pewnych miejscach odbiegają od wyników symulacji

Pomiary symulacyjne:	Pomiary rzeczywiste:
ku=24 kus=76 Rwe=4,7 kΩ UWE1pp=80 mV UWE2pp=250 mV UWYpp=6,1 V IWEpp=17 uA fd=11 Hz fg=240kHz	ku=23 kus=70 Rwe=7,8 kΩ UWE1pp=78 mV UWE2pp=246 mV UWYpp=5,58 V IWEpp=16,8 uA fd=74Hz fg=822kHz

Szczególna rozbieżność występuje w wynikach pasma przenoszenia. Może mieć to związek z problematycznym ustawianiem generatora ponieważ wartości odczytywane z oscyloskopu wachały się znacznie i ciężko było je ustabilizować. Oprócz tego trzeba było zwracać uwagę na to czy wzmacniacz nie przesterowuje się. Pozostałe wyniki są w normie. W części symulacyjnej mamy wartości troszkę większe co może również wynikać z tego że w pomiarach prakrycznych mieliśmy doczynienia z rzeczywistymi elementami.