Badanie wzmacniaczy tranzystorowych i operacyjnych

1. Wzmacniacze tranzystorowe są to układy elektroniczne, których głównym zadaniem jest przekształcenie sygnału wejściowego w sygnał wyjściowy o większej mocy. Jak sama nazwa wskazuje we wzmacniaczu tranzystorowym elementem czynnym jest tranzystor czyli element o trzech elektrodach wzmacniający lub przełączający sygnał.

Wzmacniacze wykorzystywane są w wielu różnych dziedzinach, przykładowe wykorzystanie wzmacniaczy:

-źródło prądu

-prostownik napięć

-filtr aktywny

-wzmacniacz różnicowy etc.

Wyróżniamy wiele rodzajów wzmacniaczy. Można je scharakteryzować ze względu na

-budowę

-moc

-zakres przenoszonych częstotliwości

-wykorzystywane materiały

Wzmacniacze możemy podzielić również na bipolarne i operacyjne. Ponadto wzmacniacze bipolarne występują w trzech niżej wymienionych układach pracy:

- układ pracy OB.

Jest to układ pracujący we wspólnej bazie. Baza tranzystora stanowi elektrodę wspólną dla obwodu wejściowego i wyjściowego. Wzmacniacz ten jest rzadko spotykany w układzie pracy niskich częstotliwości ze względu na niską impedancję w porównaniu z innymi układami

Przykładowy schemat wzmacniacza w trybie pracy OB.

Kolejnym układem pracy wzmacniacza jest układ OE.

Układ ten pracuje w trybie wspólnego emitera.

Przykład wzmacniacza pracującego w układzie OE dla sygnałów przemiennych.

Głównym parametrem tego układu pracy jest wzmocnienie napięciowe równe:

k_U ≈ −R_C/R_E

Następnym układem pracy wzmacniaczy jest układ OC czyli pracy w układzie wspólnego kolektora. Inna nazwa dla tego wzmacniacza to wtórnik emiterowy ponieważ wielkość napięcia na wyjściu i wejściu jest prawie identyczna. Wtórnik emiterowy służy do dopasowania poziomów impedancji między stopniami wzmacniaczy. Do parametrów charakteryzujących ten układ możemy zaliczyć:

Wzmocnienie napięciowe

k_U = 1

Wzmocnienie prądowe
k_I = h_fe + 1

Spadek napięcia na złączu baza-emiter wynoszący około 0.6V

U_E = U_B − 0,6 V

Przykładowy układ pracy wzmacniacza w układzie OC

Innym rodzajem wzmacniaczy są wzmacniacze operacyjne. Wzmacniacze te posiadają dwa wejścia nieodwracające oznaczone symbolem „+” i odwracające oznaczone „-” oraz jedno wyjście. Wzmacniacze te posiadają bardzo mocne wzmocnienie rzędu 10⁶ V/V

Przykładowy schemat wzmacniacza operacyjnego.

2. Tabele pomiarowe.

a)wzmacniacz operacyjny

Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów dla wzmacniacza operacyjnego.

częstotliwość[Hz]	Uwe[mV]	Uwy[V]	ku	L(f)
30	57,00	4,94	86,67	38,76
40	56,70	5,22	92,06	39,28
50	56,90	5,37	94,38	39,50
60	56,90	5,46	95,96	39,64
70	57,00	5,53	97,02	39,74
80	56,90	5,56	97,72	39,80
90	57,00	5,59	98,07	39,83
100	57,00	5,61	98,42	39,86
200	57,00	5,68	99,65	39,97
400	57,00	5,68	99,65	39,97
600	56,90	5,68	99,82	39,98
800	56,90	5,69	100,00	40,00
1000	56,90	5,69	100,00	40,00
2000	35,50	3,43	96,62	39,70
4000	35,70	3,31	92,72	39,34
6000	35,50	3,08	86,76	38,77
8000	35,30	2,82	79,89	38,05
10000	35,90	2,59	72,14	37,16
12000	35,80	2,34	65,36	36,31
14000	35,80	2,12	59,22	35,45
16000	35,80	1,93	53,91	34,63
18000	35,80	1,76	49,16	33,83
20000	35,80	1,62	45,25	33,11
22000	35,60	1,34	37,64	31,51
25000	35,70	1,19	33,33	30,46

Podłączyliśmy wzmacniacz operacyjny i doprowadziliśmy do niego napięcie. Zmieniając częstotliwość obserwowaliśmy zmianę sygnału wyjściowego. W ten sposób można określić częstotliwości, dla których wzmocnienie utrzymuje stały poziom. Zakres tych częstotliwości nazywamy pasmem przenoszenia.

Zmierzone przez nas napięcie na wejściu i na wyjściu ze wzmacniacza pozwala wyznaczyć współczynnik $k = \frac{U_{\text{wy}}}{U_{\text{we}}}$

Wzmocnienie sygnału L(f) w dB obliczamy korzystając ze wzoru:

$$L\left( f \right) = 20*log(\frac{\text{Uwy}}{\text{Uwe}})$$

Wykres. 1 Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza operacyjnego

f_g jest to górna częstotliwość pracy wzmacniacza. Pokazuje do jakiej częstotliwości wzmacniacz pracuje wydajnie tj. odpowiednio moduluje sygnał wejściowy. Widzimy, iż po przekroczeniu tej częstotliwości wzmocnienie spada co pokazuje że wzmacniacz nie powinien pracować w tej częstotliwości.

Oś rzędnych ustalona jest w decybelach natomiast na osi odciętych można odczytać częstotliwość nakreśloną w skali logarytmicznej.

Ustalona wartość wzmocnienia została obniżona o 3 dB, dzięki temu możemy również zaznaczyć pasmo przenoszenia danego wzmacniacza.

b) wzmacniacz tranzystorowy

Analogicznie do pomiarów wyżej tabelę uzyskaliśmy podłączając wzmacniacz tranzystorowy w trybie pracy OE.

Po doprowadzeniu napięcia do układu rozpoczęliśmy pomiary, polegające na zmienianiu częstotliwości sygnału i odczytywaniu zmian napięcia na wyjściu (U_we)

Podobnie jak w poprzednim przypadku otrzymane wyniki pozwoliły na określenie współczynnika wzmocnienia k oraz obliczenie wzmocnienia w dB, z zależności

$$L\left( f \right) = 20*log(\frac{\text{Uwy}}{\text{Uwe}})$$

Częstotliwość[Hz]	Uwe[mV]	Uwy[V]	ku=Uwy/Uwe	L(f) [dB]
30	95,5	2,22	23,25	27,33
40	95,5	2,69	28,17	28,99
50	95,4	3,04	31,87	30,07
60	95,5	3,28	34,35	30,72
70	95,5	3,46	36,23	31,18
80	95,5	3,59	37,59	31,50
90	95,5	3,69	38,64	31,74
100	95,4	3,77	39,52	31,94
200	95,4	4,15	43,50	32,77
400	95,4	4,24	44,44	32,96
600	94,8	4,22	44,51	32,97
800	95,0	4,32	45,47	33,16
1000	95,2	4,24	44,54	32,97
2000	95,4	4,27	44,76	33,02
3000	95,8	4,29	44,78	33,02
4000	96,2	4,30	44,70	33,01
5000	96,3	4,30	44,65	33,00
6000	96,3	4,30	44,65	33,00
7000	96,0	4,31	44,90	33,04
8000	96,0	4,30	44,79	33,02
9000	95,0	4,31	45,37	33,14
10000	95,2	4,27	44,85	33,04
12000	95,0	4,30	45,26	33,11
14000	95,0	4,29	45,16	33,09
16000	95,0	4,28	45,05	33,07
18000	94,9	4,28	45,10	33,08
20000	95,0	4,28	45,05	33,07
40000	94,8	4,26	44,94	33,05
60000	94,5	4,23	44,76	33,02
80000	95,0	4,22	44,42	32,95
100000	94,8	4,20	44,30	32,93
150000	94,5	4,10	43,39	32,75
200000	95,0	3,97	41,79	32,42
250000	94,8	3,83	40,40	32,13
300000	94,2	3,67	38,96	31,81

Wykres 2. Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza tranzystorowego.

Z wykresu tego możemy odczytać pasmo przenoszenia które znajduje się w granicach

Od około 40Hz do ponad 300kHz.

Wzmocnienie zmniejszyliśmy o 3 dB od wartości ustalonej. Oś rzędnych ustalona jest decybelach natomiast od odciętych nakreślona jest w skali logarytmicznej.

Z wykresu możemy odczytać, iż dla sygnałów zbyt wolnych (o niskiej częstotliwości poniżej 40Hz) i zbyt szybkich (powyżej 300kHz) wzmacniacz ma mniejsze wzmocnienie niż dla sygnałów obejmowanych w paśmie przewodzenia co pozwala nam stwierdzić dla jakiego przedziału częstotliwości wzmacniacz ten będzie działał poprawnie. Badanym wzmacniaczem był wzmacniacz pracujący w układzie OE. Przykładowo dla wzmacniacza pracującego w innym układzie np. OB wykres różniłby się gdyż wzmacniacz ten jest dostosowany do pracy w wysokiej częstotliwości.

Możemy dokonać przykładowych obliczeń mocy dla częstotliwości 1000Hz i obciążenia 10 Ohmów:

Dla wzmacniacza operacyjnego:

$$P_{1} = \frac{U^{2}}{R} = \frac{{(5,69)}^{2}}{10} = 3,249W$$

$$P_{1} = \frac{U^{2}}{R} = \frac{{(4,24)}^{2}}{10} = 1,79\ W\backslash n$$

3. Wnioski końcowe

Podczas przeprowadzanego doświadczenia badaliśmy dwa wzmacniacze operacyjny i tranzystorowy pracujący w trybie OE.

Podczas badania zmierzyliśmy napięcie wejściowe jak i wyjściowe badając wzmocnienie danego wzmacniacza, uzyskaliśmy dwie charakterystyki dla operacyjnego charakterystyka nie była symetryczna, pokazywała górną granicę do której możemy zwiększać częstotliwość sygnału. Granica ta bazowała w okolicach 10kHz po przekroczeniu jej wzmocnienie drastycznie spada co pokazuje w jakiej częstotliwości powinien pracować wzmacniacz.

W drugim wzmacniaczu- tranzystorowym charakterystyka przedstawia się bardziej symetrycznie, na górnej części wykresu przyjmuje wartości stałe lub oscylujące w niewielkim zakresie. Jest to wzmocnienie w pracy w paśmie przenoszenia. Większe lub mniejsze częstotliwości doprowadzą do zmniejszenia wzmocnienia. Na mniejszych częstotliwościach występują przemieszczenia fazowe które wynikają z wad konstrukcyjnych i wad materiałów użytych przy wytworzeniu tranzystora. Zanika ono na wyższych częstotliwościach przy przejściu w pasmo przenoszenia.

Porównując oba wzmacniacze widzimy iż wzmacniacz operacyjny ma większe wzmocnienie sygnału niż wzmacniacz tranzystorowy. Odczytać możemy to bezpośrednio z wykresu gdzie wzmocnienie operacyjnego wzmacniacza jest na poziomie około 40 dB a wzmacniacza tranzystorowego wynosi w przybliżeniu 33dB.

Odchyłki w wynikach przy zmianie częstotliwości mogą wynikać z błędów odczytu przy tej ilości pomiarów, nieliczne wahania w paśmie przenoszenia również mogą wynikać z błędów odczytu jak i z budowy samego wzmacniacza. Najmniej dokładnymi pomiarami możemy domyślać się iż są pomiary poza pasmem przenoszenia. Zmiana wzmocnienia w tym rejonie wynika z błędów konstrukcyjnych i impedancji kondensatorów .

Rozminięcie się wykresów dla idealnego wzmacniacza z tymi osiągniętymi w doświadczeniu wynikać może z cechy wzmacniacza. Wzmacniacz badany w porównaniu z idealnym nie ma np. nieskończonego wzmocnienia, nieskończonej impedancji wejściowej i bardzo małej wyjściowej.

Podczas wykonywania ćwiczenia zauważyliśmy na oscylatorze ‘ścięcie’ górnych części sinusoidy sygnału. Powodem powstawania tego było podane napięcie wejściowe o zbyt dużej amplitudzie co spowodowało zniekształcenie sygnału wyjściowego. Określane jest to efektem przesterowania.