II EE-DI 2012 19.05. 2012 Rzeszów

LABORATORIUM - ELEKTRONIKA

NUMER ĆWICZENIA: 5

TEMAT ĆWICZENIA:

Wzmacniacz bipolarny z tranzystorem BJT

Schemat badanego układu WE dla tranzystora bipolarnego BC 107

Obliczenia parametrów elementów dla wzmacniacza

-Przyjęte wartości oraz

odczytane z danych katalogowych:

U_CE = 6V

I_C = 20mA

U_CC = 12V

β = 220 - wzmocnienie osiągane przy prądzie I_C = 20mA

U_BE = 0, 65V

R_G = 200Ω

-Obliczenia:

U_RE = 0, 1U_CC = 0, 1 × 12 = 1, 2V

$$I_{B} = \frac{I_{C}}{\beta} = \frac{0,02}{220} = 91uA$$

I_E = I_C + I_B = 20, 091mA

$R_{E} = \frac{U_{\text{RE}}}{I_{E}} = \frac{1,2}{0,02} = 60\mathrm{\Omega}$

U_RC = U_CC − U_CE − U_RE = 12 − 6 − 1, 2 = 4, 8V

$$R_{C} = \frac{U_{\text{RC}}}{I_{C}} = \frac{4,8}{0,02} = 240\mathrm{\Omega}$$

I₁ = 10I_B = 0, 00091A

I₂ = I₁ − I_B = 0, 000819A

U_CB = U_CE − U_BE = 5, 35V

$$R_{1} = \frac{U_{\text{CB}} + U_{\text{RC}}}{I_{1}} = \frac{5,35 + 4,8}{0,00091} = 11,2k\mathrm{\Omega}$$

$$R_{2} = \frac{U_{\text{BE}} + U_{\text{RE}}}{I_{2}} = \frac{0,65 + 1,2}{0,000819} = 2,3k\mathrm{\Omega}$$

$$g_{m} = \frac{I_{C}}{U_{T}} = \frac{0,02}{0,025} = 0,8S$$

$$h_{11e} = \frac{h_{21e}}{g_{m}} = \frac{220}{0,8} = 275\mathrm{\Omega}$$

R_WB = R₁∥R₂∥[h_11e+R_E×(h_21e+1)] = 16, 5kΩ

R_WY = R_C = 240Ω

$$ku = \frac{U_{\text{WY}}}{U_{\text{WE}}} = - \frac{h_{21e} \times R_{C}}{h_{11e} + R_{E} \times \left( h_{21e} + 1 \right)} = - 3,9\frac{V}{V}$$

$$R_{T} = \beta\frac{U_{T}}{I_{E}} = 274\mathrm{\Omega}$$

$$C_{E} > \frac{\beta + 1}{2\pi f_{d} \times (R_{G} + R_{T})} > 290uF$$

Pomiar wartości parametrów dla charakterystyki wyjściowej dla sprawdzenia poprawności dobrania punktu pracy

Rzeczywiste wartości dobranych rezystorów i kondensatorów

R₁ = 11kΩ R₂ = 2, 2kΩ R_C = 220Ω R_E = 56, 2Ω

C_E = 330uF C_S1i C_S2 − kilka  nF

UCC[V]	UCE[V]	IC[mA]
1	1	0
2	2	0
3	3	0,013
4	3,8	1
5	4,1	3,2
6	4,4	5,7
8	4,9	11,2
10	5,3	17,2
12	5,8	21,1
12,5	6,1	21,9

Jak widać z tabeli, przy dobranych już rezystorach polaryzujących, napięcia i prądy są zgodne z warunkami założonymi na początku obliczeń.

Przy prądzie I_C = 20mA wartość U_CE = 6V i U_CC = 12V

Charakterystyka wyjściowa

Pomiar charakterystyki amplitudowej wzmacniacza

- ze sprzężeniem zwrotnym

Sposób pomiaru: ustalamy stałą wartość napięcia wejściowego na generatorze, zmieniając wartość częstotliwości generatorem mierzymy na oscyloskopie wartość napięcia wyjściowego i wejściowego. Następnie obliczamy wzmocnienia. Przesunięcie φ także odczytujemy z ekranu lampy oscyloskopowej wg wzoru $\varphi = \frac{t}{T} \times 360$

Tabela pomiarowa

f[Hz]	UWY[mV]	UWE[mV]	φ	$$Ku\lbrack\frac{V}{V}\rbrack$$	Ku[dB]
8	350	130	12	2,692308	8,602494
10	380	130	10	2,923077	9,316805
20	450	130	5	3,461538	10,78538
50	490	130	2	3,769231	11,52505
150	500	130	0	3,846154	11,70053
400	500	130	0	3,846154	11,70053
1000	500	130	0	3,846154	11,70053
100000	500	130	0	3,846154	11,70053
500000	500	130	0	3,846154	11,70053
600000	480	130	0	3,692308	11,34596
800000	450	130	0	3,461538	10,78538
1000000	410	130	0	3,153846	9,97681
1500000	350	130	0	2,692308	8,602494
2000000	300	130	0	2,307692	7,263558
2300000	210	130	0	1,615385	4,165519

$$\text{Ku}_{\frac{V}{V}} = \frac{U_{\text{WY}}}{U_{\text{WE}}} = \frac{380}{130} = 2,92\frac{V}{V}$$

$$\text{Ku}_{\text{dB}} = 20LOG\left( \text{Ku}_{\frac{V}{V}} \right) = 20 \times LOG\left( 2,92 \right) = 9,32dB$$

Charakterystyka Ku_dB = f(f) ze sprzężeniem zwrotnym

Częstotliwości graniczne są to takie wartości częstotliwości sygnału wejściowego, dla których wzmocnienie napięciowe wzmacniacza maleje względem wzmocnienia maksymalnego o 3dB (czyli do poziomu 0,707 swej wartości maksymalnej), a wzmocnienie mocy maleje do połowy.

Ku_dB = 8, 700533dB

f_d = 8, 5Hz

f_g = 1, 52MHz

B=1519,9kHz

- bez sprzężenia zwrotnego

Tabela pomiarowa

f[Hz]	UWY[V]	UWE[V]	φ	$$Ku\lbrack\frac{V}{V}\rbrack$$	Ku[dB]
10	0,5	0,13	0	3,846154	11,700533
20	1	0,13	0	7,692308	17,721133
50	1,6	0,13	0	12,30769	21,803533
150	3,2	0,13	0	24,61538	27,824133
400	5,1	0,13	0	39,23077	31,872536
1000	6,3	0,13	0	48,46154	33,707944
100000	6,3	0,13	0	48,46154	33,707944
500000	6,3	0,13	5	48,46154	33,707944
600000	6	0,13	7	46,15385	33,284158
800000	5,8	0,13	9	44,61538	32,989693
1000000	5,3	0,13	10	40,76923	32,20665
1500000	4	0,13	12	30,76923	29,762333
2000000	3	0,13	15	23,07692	27,263558

Charakterystyka Ku_dB = f(f) bez sprzężenia zwrotnego

Ku_dB = 30, 70794dB

f_d = 290Hz

f_g = 1, 28MHz

B=1279,7kHz

Porównanie dwóch wykresów pasm przenoszenia. Dla wzmacniacza z Ce i bez Ce

Wzmacniacz bez Ce ze sprzężeniem

B=1519,9kHz

Wzmacniacz z Ce bez sprzężenia

B=1279,7kHz

Wzmacniacz ze sprzężeniem bez Ce posiada mniejsze wzmocnienie ale szersze pasmo przenoszenia niż wzmacniacz bez sprzężenia z Ce.

Wnioski

Celem ćwiczenia było wyznaczenie pasma przenoszenia dla wzmacniacza napięciowego zbudowanego na tranzystorze BC 107.

W pomiarach, kształt sygnału na wejściu i wyjściu wzmacniacza powinien być kontrolowany za pomocą oscyloskopu. Częstotliwość należy zmieniać w zakresie szerszym niż pasmo przenoszenia, najlepiej do wartości przy których wzmocnienie wzmacniacza spadnie dziesięciokrotnie (-20dB). Nam niedokońca udało się uzyskać pełną charakterystykę, z wykresów widać że ledwo udało się wyznaczyć częstotliwości graniczne.

Przed pomiarami należy ustawić odpowiednie napięcie wejściowe aby sygnał na badanych częstotliwościach był nieodkształcony.

Jak widać z pomiarów i charakterystyk, włączenie kondensatora Ce spowodowało widoczne zmiany. Wzmacniacz ze sprzężeniem bez Ce posiada mniejsze wzmocnienie ale szersze pasmo przenoszenia niż wzmacniacz bez sprzężenia z Ce.

Wartość amplitudy napięcia wejściowego musi być stała podczas całego pomiaru, co należy kontrolować przy zmianie częstotliwości.

Tranzystor pracujący w układzie OE jest najczęściej używany w układach elektronicznych ponieważ charakteryzuje się:

- dużym wzmocnieniem prądowym
- dużym wzmocnieniem napięciowym
- dużym wzmocnieniem mocy

Napięcie wejściowe w OE jest odwrócone w fazie o 180 st. W stosunku do napięcia wejściowego. Rezystancja wejściowa jest rzędu kilkuset Ω, a wyjściowa wynosi kilkadziesiąt k Ω.

Tranzystor pracujący w układzie OB. ma:

- małą rezystancję wejściową
- bardzo dużą rezystancje wyjściową
- wzmocnienie prądowe bliskie jedności

    Tranzystor w tym układzie pracuje przy bardzo dużych częstotliwościach granicznych, niekiedy nawet rzędu GHz.

Tranzystor pracujący w układzie OC charakteryzuje się:

- dużą rezystancją wejściową (co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej częstotliwości)
- wzmocnieniem napięciowym równym jedności (stąd jest nazywany również wtórnikiem emiterowym)
- dużym wzmocnieniem prądowym