1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem wzmacniacza w układzie wspólnego emitera. Układ umożliwia:

• Badanie punktu pracy wzmacniacza w zależności od wartości napięcia zasilania;

• Wyznaczanie charakterystyk przejściowych wzmacniacza;

• Wyznaczanie charakterystyk amplitudowo – częstotliwościowych;

• Wyznaczanie charakterystyki fazowej wzmacniacza;

• Pomiar rezystancji wejściowej i wyjściowej badanego układu.

1. Wstęp teoretyczny

Wzmacniaczem elektronicznym nazywamy urządzenie służące do zwielo­krotnienia (wzmocnienia ) sygnałów elektrycznych (napięcie, prąd lub moc ) . W tym celu doprowadza się do wejścia wzmacniacza sygnały elektr­yczne , a na wyjściu otrzymuje się sygnały wzmocnione .

W zależności od charakteru wzmocnionego sygnału elektrycznego rozróżnia się wzmacniacze:

• prądu stałego

• prądu zmiennego

Ze względu na postać wzmacnianych sygnałów, wzmacniacze dzielimy na :

• wzmacniacze sygnałów sinusoidalnych

• wzmacniacze impulsowe

W zależności od wzmacnianego pasma częstotliwości, wzmacniacze sygna­łów sinusoidalnych dzielimy na :

• szerokopasmowe

• wąskopasmowe

W zależności od rodzaju sygnałów elektrycznych, wzmacniacze dzielimy na :

• wzmacniacze napięciowe (których zadaniem jest uzyskanie na wyjściu możliwie największego i niezniekształconego napięcia w wymaganym paś­mie częstotliwości)

• wzmacniacze prądowe (których zadaniem jest uzyskanie na wyjściu moż­liwie największego i niezniekształconego prądu w wymaganym paśmie czę­stotliwości )

• wzmacniacze mocy (których zadaniem jest dostarczenie do odbiornika możliwie największej mocy, przy dobrej sprawności)

Układ wzmacniacza może być :

• pojedynczy

• przeciwsobny

Dla wszystkich typów wzmacniaczy istnieją pojęcia punktu pracy, charak­terystyki statycznej, charakterystyki dynamicznej .

Klasy pracy wzmacniaczy:

• Wzmacniacze kl. A - w klasie A punkt pracy wybiera siew środku liniowej części charakteryst­yki roboczej . W ciągu całego okresu zmian napięcia wejściowego płynie pr­ąd w obwodzie wyjściowym tranzystora lub lampy. Wzmacniacze klasy A wprowadzają bardzo małe zniekształcenia sygnałów.

• Wzmacniacze kl. B - w klasie B punkt pracy wybiera się na końcu liniowej części charakterysty­ki . Prąd kolektora w tranzystorze i prąd anody w lampie płyną we wzmac­niaczach W. B tylko w przybliżeniu przez jeden półokres napięcia sterującego . Wzmacniacze kl. B są stosowane jako wzmacniacze przeciwsobne, Część okresu odpowiadająca przepływowi prądu kolektorowego lub anodo­wego ( która jest zawarta między dwoma punktami odcięcia prądu ) wyra­żona w stopniach, nazywa się kątem odcięcia lub kątem prądu kolektorowego lub anodowego . Dla wzmacniaczy kl. B kąt ten wynosi 180° .

• Wzmacniacze kl. AB - w tych wzmacniaczach punkt pracy obiera się bezpośrednio między klasą A i klasą B

• Wzmacniacze kl. C - są to wzmacniacze, w których prąd kolektorowy lub anodowy płynie w czasie krótszym niż półokres zmiennego napięcia sterującego. Wzmacniacze tej klasy pracują jako wzmacniacze rezonansowe w.cz.

• Wzmacniacze kl. D - we wzmacniaczach tej klasy element aktywny w czasie cyklu roboczego znajduje się tylko w dwóch stanach :

  • całkowitego zablokowania ₉ kiedy nie płynie przez niego prąd

  • całkowitego odblokowania , kiedy spadek napięcia na nim jest bliski zeru

Wzmacniaczem jednostopniowym lub stopniem wzmacniacza nazywa się podstawowy zespół elementów służących do wzmacniania .

Jeżeli wzmacniacz jednostopniowy nie daje wymaganego wzmocnienia, to stosuje się większą liczbę takich wzmacniaczy połączonych kaskadowo. Jest to wzmacniacz wielostopniowy.

Wzmacniacze sygnałów zmiennych dzielimy na :

• wzmacniacze m.cz.

• wzmacniacze w.cz.

Wzmacniacze m.cz. dzieli się na :

• wzmacniacze m.cz. małych sygnałów

• wzmacniacze dużych sygnałów

Wzmacniacze m.cz. małych sygnałów, są to wzmacniacze, w których amp­litudy wzmacnianych przebiegów są tak małe, że przy wyborze punktu pra­cy nie uwzględnia się zakrzywień charakterystyk tranzystorów lub lamp . Amplitudy wzmacnianych napięć i prądów są wielokrotnie mniejsze od na­pięć i prądów zasilających. W tego typu wzmacniaczach dąży się do uzys­kania dużego wzmocnienia i małych szumów. Problem dopasowania nie jest w tych układach najważniejszy, a stabilizacja termiczna jest łatwa w realizacji, Zniekształcenia w tych wzmacniaczach są pomijalnie małe . Wzmacniacze m.cz. dużych sygnałów to takie, w których amplitudy wzma­cnianych przebiegów są niewiele mniejsze od napięć i prądów zasilających.

Podstawowe parametry wzmacniaczy:

Wielkościami charakteryzującymi wzmacniacze są :

• współczynnik wzmocnienia napięciowego

• współczynnik wzmocnienia prądowego

• współczynnik wzmocnienia mocy

• sprawność

• moc wyjściowa

• zniekształcenia liniowe i nieliniowe

• pasmo przenoszenia ( górna i dolna częstotliwość graniczna )

• współczynnik zniekształceń nieliniowych

• poziom napięć zakłócających

• irnpedancja wejściowa i wyjściowa

Współczynnik wzmocnienia napięciowego ( Ku ) określa , ile razy napięcie wyjściowe Uwy jest większe od napięcia wejściowego Uwe. Jest on w ogól­nym przypadku liczbą zespoloną , dlatego najczęściej podaje się moduł wz­mocnienia .

Ku = Uwy / Uwe

Współczynnik wzmocnienia prądowego ( Ki) określa ile razy wyjściowy prąd Iwy jest większy od prądu wejściowego Iwe

KI = Iwy / Iwe

Współczynnik wzmocnienia mocy jest to iloraz mocy wydzielonej w obwodzie wyjściowym Pwy wzmacniacza do mocy dostarczonej Pdos, przez źródło sygnału do obwodu wejściowego wzmacniacza.

Kp = Pwy / Pdos

Zniekształcenia liniowe to zniekształcenia powodujące , ze w pewnym okre­ślonym paśmie przenoszenia nie wszystkie sygnały o różnych częstotliwo­ściach będą jednakowo wzmacniane Zniekształcenia te określają chara­kterystyki częstotliwościowe. Charakterystyki częstotliwościowe to:

• charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa, określająca zależność modułu wzmocnienia od częstotliwości Ku = f ( f );

• charakterystyka fazowo-częstotliwościowa, określająca zależność kąta fazowego wzmocnienia od częstotliwości φ= f ( f );

Rys. 1 . Charakterystyki częstotliwościowe : a) amplitudowo-częstotliwościowa h) fazowo-częstotliwościowa

Pasmo przenoszenia (B) jest równe różnicy częstotliwości roboczej górnej (f_g) i dolnej (f_d), których wartości wynikają z dopuszczalnych odchy­leń modułu wzmocnienia (Ku) i fazy .

B = f_g - f_d

Częstotliwość graniczna jest to taka częstotliwość, przy której wzmocnienie zmniejsza się dwa razy. Tej wartości odpowiada spadek wzmocnienia o 3 dB w stosunku do częstotliwości środkowej fo.

Zniekształcenia nieliniowe wzmacniacza polegają na tym, że na wyjściu wzmacniacza pojawiają się częstotliwości, których nie było na wejściu. Wartość zniekształceń nieliniowych określa współczynnik zniekształceń (h); jest on równy stosunkowi wartości skutecznej pełnego przebiegu tego sygnału

$$h = \sqrt{\frac{U_{2} + U_{3} + \ldots}{{U_{1} + U}_{2} + U_{3} + \ldots}} \bullet 100\%\ $$

gdzie : U₁ - amplituda pierwszej harmonicznej

U₂ - amplituda drugiej harmonicznej

U₃ - amplituda trzeciej harmonicznej

Współczynnik zniekształceń nieliniowych ulega zmianom jak pokazuje rys. 2 .

Rys. 2 . Zależność współczynnika h od częstotliwości i napięcia wejściowego

Ważnym parametrem jest napięcie wyjściowe Uwy i moc wyjściowa uzyski­wana na wyjściu wzmacniacza przy obciążeniu go mocą znamionową . Napięcie wyjściowe jest to napięcie zbierane na wyjściu wzmacniacza.

Moc wyjściowa - moc otrzymana na wyjściu układu.

Sprawność układu - stosunek całkowitej mocy dostarczonej do układu do mocy otrzymanej na wyjściu .

Podstawowe układy pracy wzmacniaczy

Wzmacniacze buduje się w oparciu o tranzystory . W każdym z ty­ch elementów aktywnych wyróżnia się elektrodę sterującą , emitującą i od­bierającą ładunki elektryczne . Można więc podzielić wzmacniacze ze wspólną elektrodą sterującą, ze wspólną elektrodą emitującą i ze wspólną elektrodą odbierającą.

W tranzystorach bipolarnych odpowiednio:

• baza

• emiter,

• kolektor ,

a w tranzystorach unipolarnych

• bramka,

• źródło ,

• dren .

Dla określonych warunków pracy właściwości wzmacniaczy są podobne niezależnie od elementu aktywnego. Istotną sprawą natomiast jest w jakim układzie element ten pracuje (wspólna elektroda sterująca, elektroda emitująca, czy też wspólna elektroda odbierająca). Wybór elementu akty­wnego zależny jest od stawianych wymagań (zakresu częstotliwości, elimi­nacji zakłóceń oraz kosztów). Na rys.3 pokazano typowe układy wzma­cniaczy tranzystorowych .

Rys. 3. Układy wzmacniaczy tranzystorowych kolejno OE, OB, OC.

Układ o wspólnym emiterze OE

Jest najpowszechniej stosowaną konfiguracją tranzystora bipolarnego we wzmacniaczu małej częstotliwości (rys. 4). W tym układzie źródła stałych E_C i E_B służą do spolaryzowania złączy emiterowego i kolektorowego tranzystora tak, aby znajdował się on w stanie aktywnym. Sygnał wejściowy doprowadza się między bazę a emiter tranzystora, sygnał wyjściowy pobiera się z kolektora

Rys. 4. Wzmacniacz w układzie WE. a) schemat, b) ilustracja działania.

Do wejścia doprowadzamy napięcie U_WE = ΔU_BE o wartości dużo mniejszej niż U_BE wynikające z polaryzacji tranzystora. Wskutek dołączenia tego napięcia nastąpi zmiana prądu bazy. Z prawa Ohma wynika:

$$I_{B} = \frac{U_{\text{BE}}}{r_{\text{be}}} = \frac{U_{\text{we}}}{r_{\text{be}}}$$

gdzie: r_be - rezystancja małosygnałowa baza-emiter tranzystora

Zmiana prądu bazy spowoduje zmianę prądu kolektora. Charakterystyki wyjściowe tranzystora w zakresie aktywnym mają przebieg zbliżony do poziomu, dlatego też możemy przyjąć w przybliżeniu, że I_C zależy tylko od I_B, a nie zależy od U_CE.

Korzystając z wzoru:

$$\left. \ \beta_{0} = \frac{I_{C}}{I_{B}}\text{\ \ \ \ } \right|\ \ U_{\text{CE}} \rightarrow 0$$

i podstawiając go do poprzedniego otrzymujemy:

$$I_{C} = \beta_{0}I_{B} = \beta_{0}\frac{U_{\text{we}}}{r_{\text{be}}}$$

β₀ - małosygnałowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora pracującego w układzie WE

Korzystając z II prawa Kirchhoffa dla obwodu wyjściowego napięcie ma postać:

U_CE = E_C − I_CR_C

Zmiana prądu kolektora o ΔI_C spowoduje zmianę tego napięcia o ΔU_CE (przy stałych wartościach E_C i R_C). Zmiana ta jest sygnałem wyjściowym i wynosi:

$$U_{\text{wy}} = U_{\text{CE}} = - I_{C}R_{C} = - U_{\text{we}}\beta_{0}\frac{R_{C}}{r_{\text{be}}}$$

Wzmocnienie napięciowe układu ma postać:

$$k_{u} = \frac{U_{\text{wy}}}{U_{\text{we}}} = - \beta_{0}\frac{R_{C}}{r_{\text{be}}}$$

Jeżeli uwzględnimy zależność prądu I_C od napięcia U_CE to powyższy wzór przyjmie postać:

$$k_{u} = - \beta_{0}\frac{\left. \ R_{C} \right\| r_{\text{ce}}}{r_{\text{be}}}$$

 R_C∥r_ce oznacza wartość równolegle połączonych rezystancji R_C i r_ce. Znak minus świadczy o tym, że układ odwraca fazę sygnału wejściowego.

Rezystancja wejściowa r_we wzmacniacza w układzie WE składa się z równolegle połączonej rezystancji baza-emiter r_be tranzystora (rezystancji wejściowej tranzystora) i rezystancji obwodu polaryzacji bazy R_B

r_we = r_be || R_B

Rezystancja wyjściowa wzmacniacza pracującego w układzie WE składa się z równolegle połączonej rezystancji kolektor-emiter r_ce tranzystora (rezystancji wyjściowej tranzystora) i rezystancji R_C

r_wy = r_ce || R_C

Wzmocnienie prądowe zależy od rezystancji obciążenia R₀ i ma postać:

$$k_{i} = - \beta_{0}\frac{r_{\text{wy}}}{r_{\text{wy}} + R_{0}}$$

gdy R₀ = 0 to wówczas k_i = - Β₀.

Sygnał wejściowy również może być zmienny w czasie. W takim przypadku prądy i napięcia tranzystora zawierają składowe stałe związane z polaryzacją i nałożone na nie dużo mniejsze składowe zmienne, związane z przenoszeniem sygnału. Podane zależności obowiązują również dla wartości skutecznych i maksymalnych składowych zmiennych.

Sygnały zmienne często doprowadza się do wzmacniacza przez kondensator C_B, a obciążenie dołącza się przez kondensator C_C (rys. powyżej, linie kreskowe). Kondensatory sprzęgające C_B i C_C pozwalają odseparować składowe zmienne od składowych stałych. Reaktancje tych kondensatorów w paśmie przenoszenia wzmacniacza są bardzo małe; dla sygnałów zmiennych stanowią one "zwarcie".

Działanie wzmacniacza przy sygnale wejściowym sinusoidalnym pokazano na rysunku powyżej (podpunkt b). Punkt Q jest punktem pracy układu. Jego położenie zależy od wartości prądów i napięć polaryzujących (stałych).

Właściwości układu o wspólnym emiterze OE:

• W zakresie małych i średnich częstotliwości, przy obciążeniu rezystancyjnym. Układ odwraca fazę sygnału wejściowego o 180° .

• Układ zapewnia dość duże wzmocnienie napięciowe i prądowe oraz duże wzmocnienie mocy.

• Rezystancja wejściowa układu jest umiarkowanie mała, zaś wyjściowa umiarkowanie duża.

1. Opis stanowiska do badania wzmacniacza OE

W skład stanowiska laboratoryjnego wchodzą :

• wzmacniacz OE z jednym źródłem zasilania,

• zasilacz

• 

Rys. 5. Schemat pomiarowy stanowiska laboratoryjnego.

Wzmacniacz OE z jednym źródłem zasilania jest jednostopniowym wzmacniaczem opartym o tranzystor BC 107 B, zasilanym z jednego źródła napięcia. Zmiana rezystancji R_c iR_b2 (patrz płyta czołowa) spełniają rolę rezystancji polaryzacji tranzystora. Zmiana rezystancji R_c i R_b2 powoduje również zmianę punktu pracy wzmacniacza oraz zmianę wzmocnienia i zniekształceń nieliniowych. Zmiana rezystancji R_c jest równoważna ze zmianą nachylenia prostej obciążenia (statycznej i dynamicznej), rezystancji R_c umożliwia dodatkowo zmianę wzmocnień układu.

Rys. 6. Schemat ideowy wzmacniacza OE

Wzmacniacz został obciążony wtórnikiem emiterowym, który ma za zadanie chronić badany układ przed ewentualnymi zwarciami na wyj­ściu układu. Kondensatory C1 i C2 oddzielają tylko składową stałą. Schemat zasilacza stanowiska przedstawiono na rys.7.

Rys. 7. Schemat zasilacza stanowiska laboratoryjnego

Rys. 8. Schemat blokowy stanowiska.

Rys. 9. Płyta czołowa i tylna stanowiska

1. Isostat sieciowy

2. Kontrolka sieci

3. Gniazdo uziemienia Bezpiecznik

4. Gniazdo kabla sieciowego

5. Zmiana rezystancji Rb

6. Zmiana rezystancji Rc

7. Gniazda do pomiaru napięć na tranzystorze

8. Gniazda do pomiaru rezystancji wejściowej

9. Gniazdo do pomiaru, napięcia wejściowego

10. Gniazdo do pomiaru napięcia wyjściowego

11. Gniazdo wejściowe BNC

12. Gniazdo wyjściowe BNC

5. Badanie wzmacniacza bipolarnego w układzie wspólnego emitera OE

5.1. Wybór punktu pracy tranzystora.

Wybór punktu pracy wzmacniacza pracującego w klasie A polega na tym, że znajdujemy rezystancje dla których napięcie na kolektorze spełnia zależność:

Uc = 1/2 Ec

Zmieniając odpowiednio kombinacje rezystancji Rc I Rb mierzymy napięcie na kolektorze. Z poniższej tabeli wynik zbliżony do połowy napięcia zasilającego Ec wskazuje nam punkt pracy kl A.

Rc [kΩ]	Rb [kΩ]	Uc [V]

Ec = 12 V

5.2. Wyznaczenie charakterystyki przejściowej.

Wyznaczenie charakterystyki przejściowej polega na pomiarze napięcia wyjściowego przy zmianie napięcia wejściowego. Pomiary dla wzmacniaczy m.cz. należy dokonać przy f=1 kHz. Układ do wyznaczenia charakterystyki przejściowej przedstawiono na rys.10.

Rys.10. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki przejściowej

Wyniki zapisujemy w poniższych tabelach. Charakterystyka przejściom służy do wyznaczania poziomu napięcia wejściowego, wartość napięcia wejściowego musi być taka abyśmy pracowali w prostoliniowej części przejściowej.

5.3 Wyznaczenie charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej.

Schemat układu pomiarowego przedstawia rys.11

Rys. 11. Schemat układu do wyznaczania charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej.

Pomiar polega na odczytaniu napięcia wyjściowego przy stałej wartości napięcia wejściowego. Poziom napięcia wejściowego wyzna­czany z charakterystyki przejściowej zmienia się w granicach od 50 Hz do 500 kHz. Wyniki pomiarów zapisujemy w poniższej tabeli dla Uwe=100 mV, f= 5Hz - 2 MHz

5.4. Pomiar rezystancji wejściowej.

Schemat układu pomiarowego do obliczania rezystancji wejściowej wzmacniacza przedstawiono na rys.12.

Rys.12. Schemat układu pomiarowego do obliczania rezystancji wejściowej

Powyższy układ możemy zastąpić układem zastępczym.

Rys. 13. Układ zastępczy wyjaśniający zasadę pomiaru rezystancji.

Jeżeli pominiemy rezystancję wewnętrzną generatora Rg to stosunek napięć Uc i Uwe będzie się przedstawiał następująco:

$$\frac{U_{g}}{U_{\text{we}}} = \frac{R_{d} + U_{\text{we}}}{U_{\text{we}}}$$

Jeżeli ponadto będziemy dysponowali rezystorem dodatkowym Rd o zmiennej wartości , to można ustawić tej rezystancji, że stosunek Uc/Uwe = 2 co daje bezpośrednio:

$$R_{\text{we}} = R_{d}\frac{U_{\text{we}}}{U_{g} - U_{\text{we}}}$$

R_we = R_d

A więc wystarczy odczytać wskazania woltomierza mierzącego U_c przed dodatkowym rezystorem R_d i następnie odczytać U_we przy odpowiednim nastawie tego rezystora. Pomiar R_we przeprowadza się przy R₀=oo

6. Opracowanie sprawozdania.

• Wykreślić podstawowe charakterystyki.

• Dokonać niezbędnych wyliczeń i podać przykłady.

• Zaznaczyć pasmo przenoszenia wzmacniacza i podaj jego wartość

• Omówić uzyskane wyniki.

• Jaka role we wzmacniaczu spełniają kondensatory C1 i C2?

• Jaki wpływ na położenie punktu pracy ma rezystancja Rc?

• Jaki wpływ na wzmocnienie ma rezystancje Rc?

• Podać przykłady zastosowań wzmacniaczy OE?