1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem wzmacniacza w układzie wspólnego kolektora (wtórnika emiterowego). Układ umożliwia zdjęcie charakterystyk:

• przejściowej;

• amplitudowo-częstotliwościowej oraz pomiar;

oraz dokonać pomiarów:

• rezystancji wejściowej;

• zniekształceń nieliniowych;

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 kolektorze WC

Schemat wzmacniacza pokazano na rysunku4. Układ ten nazywamy również wtórnikiem emiterowym. Napięcie wejściowe jest doprowadzone między bazę a emiter. Wskutek tego zmienia się prąd kolektora I_C jak również prąd emitera I_E tranzystora. W wyniku czego ulega zmianie spadek napięcia na rezystorze R_E, który jest sygnałem wyjściowym.

Rys. 4. Schemat wzmacniacza z tranzystorem bipolarnym w układzie OC.

Napięcie U_BE baza-emiter tranzystora zmienia się nieznacznie przy zmianach prądu kolektora, dlatego też napięcie wyjściowe jest prawie takie samo jak napięcie wejściowe

U_RE = U_wy ≈ U_we

Wzmocnienie napięciowe układu o wspólnym kolektorze wynosi

$$k_{u} = \frac{U_{\text{wy}}}{U_{\text{we}}} \approx 1$$

Potencjał emitera tranzystora nadąża za potencjałem bazy stąd nazwa układu - wtórnik emiterowy.

Właściwości układu o wspólnym kolektorze OC:

• W zakresie małych częstotliwości, przy obciążeniu rezystancyjnym. Układ nie odwraca fazy sygnału wejściowego.

• Wzmocnienie prądowe jest tego samego rzędu co w układzie OE.

• Wzmocnienie napięciowe jest bliskie jedności, stąd nazwa wtórnik.

• Rezystancja wyjściowa jest mała, a rezystancja wejściowa może być duża. Rezystancję wejściową zmniejsza znacznie bocznikujące działanie rezystorów polaryzujących bazę.

• Układ transformuje (przenosi) rezystancję z obwodu emitera do obwodu bazy jako rezystancję (Βo + 1) razy większą, natomiast każdą rezystancję z obwodu bazy przenosi do obwodu emitera jako rezystancję (Βo + 1) razy mniejszą. Dlatego też taki układ nazywamy także transformatorem rezystancji.

Ze względu na dużą rezystancję wejściową i małą rezystancję wyjściową, układ o wspólnym kolektorze stosujemy jako układy dopasowujące lub separujące.

1. Opis płyty czołowej stanowiska do badania wzmacniacza OC

Rys. 5. Widok płyty czołowej

1. wejścia bananowe do pomiaru U_g, U_we, R

2. zmiana rezystancji R_dz

3. wejścia bananowe do pomiaru U_wy

4. wejście układu ( do generatora )

5. wyjście układu ( do oscyloskopu)

Rys.6. Schemat ideowy wzmacniacza OC.

5. Badanie wzmacniacza bipolarnego w układzie wspólnego kolektora OC

Zestawić układ według poniższego schematu blokowego.

Rys. 7. Schemat pomiarowy.

1. Wpływ napięcia wejściowego U_we na zmiana napięcia wyjściowego U_wy przy trzech różnych położeniach R_dz.

Ustawić wartość napięcia wejściowego U_we =0,5 V przy częstotliwości f = 1kHz. Zmieniając wartości rezystancji R_dz odczytywać wartości napięcia wyjściowego U_wy. Wyniki umieścić w tabeli 1.

Tab. 1.

Rdz	Uwe [V]	Uwy [V]
1
2
3

1. Charakterystyka przejściowa.

Ustawić wartość częstotliwości sygnału wejściowego na f = 1kHz. Zmieniając wartość napięcia wejściowego U­_we od 0 do 3V co 50mV odczytywać wartości napięcia wyjściowego i zapisująca w tabeli 2.

Tab. 2.

U­we	V
U­wy	V

Na podstawie wyników sporządzić charakterystykę przejściową U_wy = f (U_we) i wyznaczyć wartość napięcia wejściowego przy którym napięcie wyjściowe jest określane prze prostolinijną część charakterystyki przejściowej.

1. Charakterystyka amplitudowo – częstotliwościowa.

Ustawić wartość napięcia wyznaczona w puncie 5.2. Zmieniając wartość częstotliwości od 50 Hz do 1.2 MHz odczytywać wartkości napięcia wyjściowego U_wy a wyniki zapisać w tabeli 3.

Tab. 3.

f	kHz
U­wy	V
Ku	dB

Na podstawie danych sporządzić charakterystyką Ku = f (f) w skali logarytmicznej.

Dla wyliczenia wartości wzmocnienia zastosować wzór :

$$Ku = 20\log\left( \frac{U_{\text{wy}}}{U_{\text{we}}} \right)$$

Zaznaczyć pasmo przenoszenia B

1. Pomiar rezystancji wejściowej R_we

Rys. 8. Pomiar rezystancji wejściowej wzmacniacza.

Dokonać pomiaru napięć U_g i U_we zgodnie z rysunkiem 8.

Stosując wzór

Rwe =R / [( Ug / Uwe ) - 1]

Wyznaczyć wartość rezystancji wejściowej wzmacniacza OC.

1. Pomiar zniekształceń nieliniowych

Pomiaru dokonujemy miernikiem zniekształceń liniowych a wartość zniekształceń wyrażona jest w procentach.

1. Opracowanie sprawozdania.

• Wykreślić podstawowe charakterystyki.

• Dokonać niezbędnych wyliczeń i podać przykłady.

• Zaznaczyć pasmo przenoszenia wzmacniacza i podaj jego wartość

• Omówić uzyskane wyniki.