Badanie wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest poznanie skuteczności działań sprzężeń zwrotnych stosowanych w wzmacniaczach, wyznaczenie podstawowych parametrów wzmacniaczy, oraz wyznaczenie charakterystyki przejściowej i częstotliwościowej.

1. Wstęp teoretyczny.

Podstawy sprzężenia zwrotnego. Definicja i klasyfikacja.

Sprzężenie zwrotne odgrywa bardzo istotną rolę we wzmacniaczach m. cz. Ogólnie biorąc sprzężenie zwrotne polega na przekazywaniu sygnału z wyjścia układu na jego wejście.

Sprzężenie zwrotne może być:

• dodatnie, jeżeli w wyniku działania sprzężenia zwrotnego następuje wzrost sygnału wejściowego podawanego bezpośrednio na układ;

• ujemne, jeżeli sprzężenie zwrotne powoduje zmniejszenie sygnału wejściowego podawanego bezpośrednio na układ.

Każdy układ ze sprzężeniem zwrotnym zawiera zamkniętą drogę sygnału podawanego z wyjścia na wejście, zwaną pętlą sprzężenia zwrotnego. W zależności od liczby takich pętli rozróżnia się:

• układy z pojedynczą pętlą;

• układy wielo-pętlowe.

Sposoby pobierania sygnału z wyjścia układu przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 1. Sposoby pobierania sygnału wyjścia układu: a) sprzężenie napięciowe; b) sprzężenie prądowe; c) sprzężenie mieszane.

Rodzaj i właściwości zastosowanego sprzężenia zwrotnego są uzależnione od sposobu pobierania sygnału z wyjścia układu oraz sposobu wprowadzenia go na wejście. W związku z tym sprzężenie zwrotne można podzielić, ze względu na sposób pobierania sygnału z wejścia na:

• sprzężenie napięciowe, w którym sygnał zwrotny jest proporcjonalny do napięcia wyjściowego;

• sprzężenie mieszane (mostkowe), które polega na równoczesnym zastosowaniu napięciowego i prądowego sprzężenia zwrotnego;

• sprzężenie prądowe, w którym sygnał zwrotny jest proporcjonalny do prądu wyjściowego

Sposoby wprowadzania sygnału zwrotnego na wejście układu przedstawiono na rys 2.

Rys. 2. Sposoby wprowadzania sygnału zwrotnego na wejście układu: a) sprzężenie szeregowe; b) sprzężenie równoległe; c) sprzężenie mieszane.

Ze względu na sposób wprowadzania sygnału zwrotnego na wejście układu rozróżnia się:

• sprzężenie szeregowe, w którym sygnał zwrotny wprowadzany jest szeregowo względem sygnału wejściowego;

• sprzężenie równoległe, w którym sygnał zwrotny podawany jest równolegle względem sygnału wejściowego;

• sprzężenie mieszane (mostkowe), które polega na równoczesnym zastosowaniu sprzężenia równoległego i szeregowego;

Podstawowe równanie sprzężenia zwrotnego.

Współczynnik wzmocnienia napięciowego wzmacniacza jest równy stosunkowi modułu napięcia wyjściowego do napięcia wejściowego i oznacza się przez Ku. Współczynnik Ku bywa często nazywany wzmocnieniem układu z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego.

$$K_{u} = \frac{U_{\text{wy}}}{U_{\text{we}}}$$

Rys. 3. Schemat blokowy wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego.

Jeśli do układu przedstawionego na rysunku 3 dołączy się pętlę sprzężenia zwrotnego, to część napięcia wyjściowego jest doprowadzana z powrotem na wejście układu.

Rys. 4. Schemat blokowy wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem zwrotnym.

Całkowite napięcie wejściowe składa się z sygnału początkowego oraz napięcia pochodzącego ze sprzężenia zwrotnego. Napięcie zwrotne podawane z wyjścia na wejście wynosi β_fU₂', zaś całkowite napięcie wejściowe wzmacniacza wynosi β_fU­₂'+U_l, a napięciowe U₂ wyraża się zależnością:

U₂^′ = K_uU₁ + K_uβ_fU₂^′

zatem wypadkowe wzmocnienie układu ze sprzężeniem zwrotnym wynosi:

$$K_{u}^{'} = \frac{U_{2}^{'}}{U_{1}} = \frac{K_{u}}{1 - K_{u}\beta_{f}}$$

Ujemne sprzężenie zwrotne.

W przypadku zastosowania ujemnego sprzężenia zwrotnego sygnał sprzężenia zwrotnego, który jest podawany z wyjścia na wejście układu, jest przesunięty w fazie o 180° względem sygnału wejściowego i dlatego współczynnik sprzężenia zwrotnego (3f w wyrażeniach algebraicznych jest ujemny i stąd wyrażenie na Ku' przybiera postać:

$$K_{u}^{'} = \frac{K_{u}}{1 - K_{u}{( - \beta}_{f})} = \frac{K_{u}}{1 + K_{u}\beta_{f}}$$

Jak wynika z powyższego wzoru ujemne sprzężenie zwrotne zmniejsza wypadkowe wzmocnienie wzmacniacza ( Ku' <Ks) i jest często nazywane sprzężeniem degeneracyjnym.

Wpływ ujemnego sprzężenia zwrotnego na parametry wzmacniaczy

Zastosowanie w układach wzmacniaczy ujemnego sprzężenia zwrotnego powoduje polepszenie niektórych właściwości wzmacniaczy.

Zmniejszenie wrażliwości układu na zmiany parametrów elementów wzmacniających.

Jeżeli w równaniu

$$K_{u}^{'} = \frac{U_{2}^{'}}{U_{1}} = \frac{K_{u}}{1 - K_{u}\beta_{f}}$$

podzielić licznik i mianownik przez Ks, otrzyma się:

$$K_{u}^{'} = \frac{1}{\frac{1}{K_{u}} - \beta_{f}}$$

Jeśli K_u ≫ 1, to wyrażenie $\frac{1}{K_{u}}\ $dąży do 0 i równocześnie przybiera postać

$$K_{u}^{'} \approx \frac{1}{\beta_{f}}$$

Wartość wzmocnienia obliczonego ze wzoru jest niezależna od zmian parametrów elementów wzmacniających ( np. tranzystorów), które są uzależnione od wielu czynników np. zmian temperatury, wąchania napięcia zasilającego, itp. Wzmocnienie zależy tylko od wartości elementów użytych w pętli sprzężenia zwrotnego.

Zmniejszenie sygnałów zakłócających.

Pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego przekazuje nie tylko sygnał z wyjścia na wejście, ale także część sygnałów zakłócających. Jeżeli za Uz oznaczymy zakłócenia na wejściu, to można zapisać, że wypadkowe zakłócenia na wyjściu wynoszą:

U_z^′ = K_uU_z − K_uβ_fU_z^′

po przekształceniu:

U_z^′(1 + K_uβ_f)=K_uU_z

czyli:

$$U_{z}^{'} = \frac{K_{u}U_{z}}{1 + K_{u}\beta_{f}}$$

Z zależności tej wynika, że zakłócenia wyjściu układu ze sprzężeniem zwrotnym ujemnym są mniejsze niż układu bez pętli sprzężenia zwrotnego, ponieważ U_z^′ < U_z .

Możliwości regulacji impedancji wejściowej i wyjściowej.

U₁^′ = U₁ + β_fU₂^′

Czyli U₁^′ > U₁, zatem impedancja wejściowa układu ze sprzężeniem szeregowym wzrasta.

W przypadku równoległego sprzężenia zwrotnego napięcie na wejściu układu nie ulega zmianie, natomiast prąd wejściowy I₁^′ > I₁, czyli impedancja wejściowa maleje.

Ogólny wpływ na impedancję wejściową przy ujemnym sprzężeniu przedstawia tabela 1,

Tabela 1. Wpływ ujemnego sprzężenia na impedancje wejściową i wyjściową

Impedancja układu	Rodzaj sprzężenia zwrotnego
	napięciowe
	szeregowe
wejściowa	wzrasta
wyjściowa	maleje

Powiększenie pasma przenoszonych częstotliwości.

Pasmo przenoszenia układu bez sprzężenia zwrotnego jest zawarte między częstotliwościami f_d i f_g ( spadek wzmocnienia w dolnej części charakterystyki przy f_d - jest spowodowany skończonymi wartościami pojemności kondensatorów sprzęgających i blokujących, natomiast w górnym zakresie przy f_g – na wzmocnienie wpływają pasożytnicze pojemności, a także właściwości samych elementów wzmacniających).

Przy zastosowaniu ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmocnienie maleje oraz jednocześnie pasmo ulega rozszerzeniu i zawiera się miedzy f_d­’ i f_g^’. Obowiązuje w tym przypadku zasada wymiany wzmocnienia i pasma. Wzmocnienie maleje takim stosunku, w jakim zostaje powiększone pasmo.

Rys. 5. Przykładowe charakterystyki częstotliwościowe.

Sprzężenie zwrotne umożliwia łatwe kształtowanie charakterystyk częstotliwościowych wzmacniaczy.

Wpływ poszczególnych rodzajów sprzężenia zwrotnego na parametry wzmacniacza ilustruje tabela 2.

Tabela 2. Wpływ ujemnego sprzężenia zwrotnego na parametry wzmacniacza

1. Opis układu

W ćwiczeniu zastosowano dwustopniowy wzmacniacz małej częstotliwości zbudowany na tranzystorach BC 107 , został on przedstawiony na rys .6.

Zasada działania.

Tranzystory polaryzowane są poprzez dzielniki napięć, odpowiednio:

• 1 stopniu tranzystor T1 przez rezystory R2 i R3,

• 2 stopniu tranzystor T2 przez rezystory R8 i R9.

Kondensator C1 na wejściu układu oddziela składową stałą od sygnału wejściowego, a kondensator C3 sprzęga stopnie wzmacniacza.

W układzie tym zastosowano następujące sprzężenia:

Prądowe szeregowe ( sprzężenie emiterowe)

Sprzężenie to zastosowano w 1 stopniu włącza sieje przełącznikiem El (przełączniki M, KI, E2 wyłączone i przełącznik wyboru stopnia pracy w pozycji 1 st.). Rezystor R6 wnosi ujemne sprzężenie zwrotne tzn . powoduje linearyzację charakterystyk , zmniejszenie zniekształceń nieliniowych oraz stabilizację termiczną punktu pracy . Jeżeli chwilowa wartość napięcia wejściowego rośnie, to rośnie również prąd bazy powodując wzrost prądu emitera. Wzrost prądu emitera powoduje wzrost spadku napięcia na rezystorze R6. wtedy maleje napięcie baza - emiter tranzystora. Chcąc zlikwidować sprzężenie zwrotne dla składowej zmiennej, rezystor R6 zbocznikować kondensatorem C4 poprzez wyłączenie przełącznika El. Również w 2 stopniu zastosowano ujemne sprzężenie zwrotne emiterowe, jest ono włączane przełącznikiem E2. Jego działanie jest takie samo jak w 1 stopniu.

Rys. 6. Schemat ideowy stanowiska laboratoryjnego

Napięciowe równoległe ( sprzężenie kolektorowe).

Załączone przełączniki El i KI ( wyłączone M i przełącznik wyboru pracy ustawiony w pozycji 1 st.). Sprzężenie to występuje na rezystorze R4 . Jeżeli wystąpi wzrost napięcia wejściowego , to wzrośnie również prąd bazy powodując wzrost prądów kolektora i emitera . Maleje wtedy napięcie kolektor - emiter, a co za tym idzie maleje napięcie na kolektorze tranzystora Tl, które jest podawane na bazę tranzystora powodując zmniejszenie napięcia baza - emiter. Kondensator C2 zapobiega zmianie polaryzacji bazy tranzystora Tl. Poza tym wpływa on na wielkość sprzężenia. Wraz ze wzrostem częstotliwości rośnie sprzężenie, gdy częstotliwość maleje, maleje również sprzężenie.

Napięciowe szeregowe ( sprzężenie międzystopniowe).

Załączone przełączniki El, E2 i M, przełącznik wyboru stopnia pracy w pozycji 2 st. ( wyłączony K1). Sygnał z wyjścia stopnia drugiego ( kolektor tranzystora T2) jest podawany na emiter tranzystora Tl . Wraz ze wzrostem napięcia wejściowego rośnie prąd emitera tranzystora Tl. Np. na wyjściu pierwszego stopnia jest odwrócona faza o 180° względem napięcia wejściowego i jest ono podane na wejście tranzystora T2. Tam znów sygnał zostaje odwrócony. Tak, więc sygnały na wyjściu układu i na wejściu są zgodne w fazie. Napięcie podawane na emiter tranzystora Tl z wyjścia układu powoduje zmniejszenie napięcia baza - emiter.

1. Opis płyty czołowej stanowiska laboratoryjnego.

Rys. 7. Widok płyty czołowej stanowiska laboratoryjnego

1. Zasilanie układu zaczyna pracować w momencie włączenia wtyczki do gniazdka

• wytwarzane jest niestabilizowane napięcie stałe ok. 30 V. Przełącznik oznaczony „ zaś " ( zasilanie) podaje napięcie na przełanczany stabilizator monolityczny.

• zaświeci się dioda LED. Jasność świecenia diody zmienia się w zależności od ustawionego przełącznikiem obrotowym napięcia ( 6, 12, 24 V).

1. Gniazdo BNC oraz czerwone gniazdo bananowe oznaczone Ug służą do doprowadzania i pomiaru sygnału z generatora.

2. Gniazda bananowe oznaczone U we służą do pomiaru napięcia na wejściu 1 stopnia wzmacniacza.

!!! Uwaga !!!

Pomiędzy czerwone gniazda bananowe oznaczone Uwe i Ug jest włączony rezystor 1 kΩ pozwalający na pomiar oporności wejściowej 1 stopnia wzmacniacza.

1. Gniazda BNC i bananowe oznaczone Uwy służą do pomiaru sygnału na wyjściu
   układu. Gniazda podłączone są wprost przez kondensator (pojemność) do
   wyjściowego wtórnika emiterowego. Wtórnik ten w rodzaju pracy jedno stopniowej podłączony jest do wyjścia 1 stopnia, w rodzaju pracy dwustopniowej do wyjścia 2 stopnia. Dzięki temu mierzone stopnie wzmacniaczy nie są obciążone przez przyrządy pomiarowe.

2. Klawisze oznaczone El i E2 służą do włączania i wyłączania ujemnego
   sprzężenia zwrotnego emiterowego. Przełącznik oznaczony K1 włącza i wyłącza
   ujemne sprzężenie zwrotne kolektor - baza 1 stopnia. Przełącznik oznaczony M
   steruje sprzężeniem zwrotnym międzystopniowym przy pracy obu stopni wzmacniacza

3. Uwagi !!!

1. Nie używać klawisza M przy pracy jednostopniowej z włączonym przełącznikiem El.

2. Proponuje się rozpoczynać pracę z włączonym ujemnym sprzężeniem zwrotnym obu stopni ( włączone klawisze El i E2) dzięki temu wzmocnienie 1 stopnia wynosi ok. 5, zaś 2 stopnia ok. 3 razy. Wyłączenie sprzężeń emiterowych da w efekcie wzmocnienie każdego stopnia rzędu 150 razy (jest to wzmocnienie prądowe tranzystora).

1. Opis ćwiczenia

Schemat blokowy do badania układu przedstawiono na rysunku 8, który będzie użyty to wszystkich punktów ćwiczenia.

Rys. 8. Schemat blokowy do badania układu wzmacniaczy z ujemnymi sprzężeniami zwrotnymi

1. Wyznaczanie minimalnego napięcia wysterowania. Pomiary wykonujemy przy częstotliwości f = 1 k Hz dla 1 stopnia i kaskady, przy różnych sprzężeniach i bez sprzężeń zwrotnych.

Pomiar ten polega na uzyskaniu takiej wartości napięcia wejściowego, przy której na wyjściu sygnał będzie możliwy do odczytania ( zobrazowanie na oscyloskopie ma mieć kształt sinusoidy).

1. Wyznaczenie charakterystyki przejściowej Uwy = f(Uwe) .

Połączyć schemat zgodnie z rysunkiem 8 a następnie ustawiając napięcie wejściowe Uwe przy f = 1 kHz dokonać pomiaru napięcia wyjściowego. Wyniki zapisać w tabeli 3.

Sprzężenie prądowe	Uwe [mV]
	Uwy [mV]
Sprzężenie napięciowe równoległe	Uwe [mV]
	Uwy [mV]
Sprzężenie napięciowe szeregowe	Uwe [mV]
	Uwy [mV]

1. Wyznaczenie wzmocnienia napięciowe Ku.

Wyznaczyć wzmocnienie dla układu otwartego, czyli bez sprzężeń zwrotnych K_u, a następnie dla układów pracujących ze sprzężeniami zwrotnymiK_u′ zgodnie z tabelą 3.

A następnie obliczyć wartość współczynnikaβ_f. Możemy je wyznaczyć z przebiegu charakterystyki przejściowej dla układy bez sprzężeń, oraz z charakterystyki częstotliwościowej dla układów ze sprzężeniami.

1. Wyznaczanie charakterystyki częstotliwościowej Uwy = f ( f)

Z generatora podajemy sygnał na wejście układu o ustalonej wartości. Następnie zmieniamy częstotliwość od 60 – 1 MHz podawaną z generatora do układu, odchodząc od poziomu maksymalnego wzmocnienia o 3 dB w dół i w górę pasma. Pomiary przeprowadzić przy różnych rodzajach ujemnych sprzężeń zwrotnych a wyniki zapisać w tabeli 4

Tabela 4. Wyznaczanie charakterystyki częstotliwościowej dla ujemnego sprzężenia prądowego, napięciowe równoległe oraz napięciowe szeregowe

f [Hz]
Uwy [V]
Ku [dB]

1. Pomiar rezystancji wejściowej Rwe

Odczytujemy napięcie Ug z generatora i napięcie Uwe podawane na układ przy częstotliwości f = 1 k Hz. Wyniki pomiarów podstawiamy do wzoru:

$$R_{\text{we}} = \frac{R}{\frac{U_{g}}{U_{\text{we}}} - 1}$$

1. Pomiar rezystancji wyjściowej Rwy

Do pomiaru tej rezystancji musimy dołączyć dodatkowy rezystor nastawny do gniazd bananowych na wyjściu układu. Następnie tak dobieramy jego rezystancję, aby sygnał na wyjściu układu zmniejszył się dwukrotnie. Rezystancję wyjściową odczytujemy z rezystora nastawnego. Jest ona mniejsza od rezystora R 14.

1. Pomiar zniekształceń nieliniowych

Dołączamy miernik zniekształceń nieliniowych i odczytujemy zniekształcenia przy różnych rodzajach sprzężenia i bez sprzężeń.

Rodzaj układu	h [%]
Bez sprzężenia
Sprzężenie prądowe
Sprzężenie napięciowe równoległe
Sprzężenie napięciowe szeregowe

1. Opracowanie sprawozdania.

1. Dla wyznaczonych przebiegów charakterystyki przejściowej określić napięcie wejściowe Uwe dla układu do badania charakterystyki amplitudowo – częstotliwościowej.

2. Dla wyznaczonych charakterystyk amplitudowo – częstotliwościowych określić górna i dolna częstotliwość graniczna oraz obliczyć pasmo przenoszenia.

3. Które ze sprzężeń najmniej wpływa na zniekształcenia liniowe wzmacniacza?

4. Korzystając z tabeli 2 dokonać porównania z wynikami uzyskanymi w ćwiczeniu.

5. Określić i uzasadnić, które sprzężenie jest dla wzmacniacz najbardziej korzystniejsze.