Politechnika Świętokrzyska w Kielcach Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki
Laboratorium elektroniki
Nr ćwiczenia: 5	Temat: Wzmacniacze na tranzystorach polowych	Gr. 16A, Zespół 2 Piotrowski Marcin Purski Radosław
Ocena:	Data wykonania: 11.01.2012 r.	Data oddania: 24.01.2013 r.

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było poznanie zasady działania i własności wzmacniacza małej częstotliwości na tranzystorze MOS ze wzbogacanym kanałem typu p poprzez wyznaczenie jego charakterystyk częstotliwościowych: amplitudowej i fazowej oraz charakterystycznych parametrów: dolnej i górnej częstotliwości granicznej, szerokości pasma.

2. Schematy pomiarowe

Rys.1. Układ do pomiaru wzmacniacza małej częstotliwości z tranzystorem polowym MOS kanałem wzbogaconym typu p w układzie WS.

3. Tabele pomiarowe

Tab1. Pomiar charakterystyki fazowej wzmacniacza na tranzystorze polowym

Lp.	R0=10k Cs =25
		f[Hz]	a[V]	b[V]
1.	20	0,11	0,16	0,76	223,54
2.	50	0,6	0,63	1,26	252,19
3	100	1,02	1,2	1,02	238,44
4	200	0,98	1,54	0,69	219,53
5	500	0,48	1,8	0,27	195,47
6	1k	0,24	1,8	0,13	187,45
7	2k	0,12	1,82	0,66	217,82
8	5k	0	1,88	0	180,00
9	10k	0	1,88	0	180,00
10	20k	0,12	1,88	0,64	216,67
11	50k	0,22	1,78	0,12	186,88
12	100k	0,46	1,78	0,26	194,90
13	200k	0,78	1,6	0,51	209,22
14	500k	0,88	1,18	0,84	228,13
15	1M	0,62	0,66	1,22	249,90
16	2M	0,36	0,38	1,24	251,05
17	5M	0,15	0,18	0,99	236,72
18	10M	0,08	0,15	0,56	212,09

Tab.2 Pomiar charakterystyki amplitudowej wzmacniacza na tranzystorze polowym K_u=K_u(f)

Lp.	R0=10k Cs =2
		f[Hz]	Uwe[V]	Uwy[V]
1.	20	0,504	0,16	0,32	-22,79
2.	50	0,500	0,6	1,2	3,65
3	100	0,504	1,15	2,28	16,48
4	200	0,500	1,56	3,12	22,76
5	500	0,504	1,76	3,49	25
6	1k	0,500	1,78	3,56	25,4
7	2k	0,500	1,78	3,56	25,4
8	5k	0,500	1,8	3,6	25,62
9	10k	0,504	1,8	3,57	25,45
10	20k	0,504	1,8	3,57	25,45
11	50k	0,504	1,78	3,53	25,23
12	100k	0,508	1,72	3,39	24,42
13	200k	0,508	1,62	3,19	23,2
14	500k	0,508	1,11	2,18	15,59
15	1M	0,504	0,68	1,35	6
16	2M	0,496	0,37	0,75	-5,75
17	5M	0,464	0,19	0,41	-17,83
18	10M	0,368	0,16	0,43	-16,88

Tab.3 Pomiar charakterystyki amplitudowej wzmacniacza na tranzystorze polowym K_u=K_u(f)

Lp.	R0=560k Cs =25
		f[Hz]	Uwe[V]	Uwy[V]
1.	20	0,504	1,27	2,52	8,03
2.	50	0,504	2,14	4,25	12,56
3	100	0,504	2,50	4,96	13,91
4	200	0,504	2,64	5,24	14,38
5	500	0,500	2,70	5,4	14,65
6	1k	0,504	2,72	5,4	14,64
7	2k	0,500	2,72	5,44	14,71
8	5k	0,500	2,70	5,4	14,65
9	10k	0,504	2,72	5,4	14,64
10	20k	0,504	2,72	5,4	14,64
11	50k	0,504	2,66	5,28	14,45
12	100k	0,508	2,56	5,04	14,05
13	200k	0,512	2,24	4,38	12,82
14	500k	0,512	1,4	2,73	8,74
15	1M	0,504	0,76	1,51	3,57
16	2M	0,504	0,41	0,81	-1,79
17	5M	0,464	0,19	0,41	-7,76
18	10M	0,360	0,15	0,42	-7,6

Tab.4 Pomiar charakterystyki amplitudowej wzmacniacza na tranzystorze polowym K_u=K_u(f)

Lp.	R0=10k Cs =25
		f[Hz]	Uwe[V]	Uwy [V]
1.	20	0,504	0,16	0,33	-22,17
2.	50	0,504	0,64	1,27	4,78
3	100	0,504	1,22	2,42	17,68
4	200	0,504	1,70	3,37	24,3
5	500	0,500	1,92	3,84	26,91
6	1k	0,504	1,96	3,89	27,17
7	2k	0,500	1,98	3,96	27,52
8	5k	0,500	1,98	3,96	27,52
9	10k	0,504	2,00	3,97	27,58
10	20k	0,504	1,98	3,93	27,37
11	50k	0,504	1,96	3,89	27,17
12	100k	0,508	1,92	3,78	26,6
13	200k	0,512	1,76	3,44	24,71
14	500k	0,512	1,22	2,38	17,34
15	1M	0,504	0,74	1,48	7,84
16	2M	0,504	0,40	0,81	-4,21
17	5M	0,464	0,19	0,42	-17,35
18	10M	0,360	0,15	0,43	-16,88

5. Obliczenia:

Dla poszczególnych przeprowadzonych pomiarów charakterystyki fazowej obliczymy kąt φ

5.1 Obliczenia dla układu z R₀=560kΩ, C_s=0µF.

f_d = 200 Hz

f_g = 600 kHz

Lp.	Uwe=0,5V R0=10kΩ Cs=25µF
		f[Hz]
1	20	264,2894
2	50	255,9638
3	100	243,4349
4	200	225
5	500	201,8014
6	1k	191,3099
7	2k	185,7106
8	5k	182,2906
9	10k	181,1458
10	20k	180,5729
11	50k	180,2292
12	100k	180,1146
13	200k	180,0573
14	500k	140,1944
15	1M	120,9638
16	2M	106,6992
17	5M	96,84277
18	10M	93,43363

Lp.	Uwe=0,5V R0=10kΩ Cs=25µF
		f[Hz]
1	20	264,2894
2	50	255,9638
3	100	243,4349
4	200	225
5	500	201,8014
6	1k	191,3099
7	2k	185,7106
8	5k	182,2906
9	10k	181,1458
10	20k	180,5729
11	50k	180,2292
12	100k	180,1146
13	200k	180,0573
14	500k	140,1944
15	1M	120,9638
16	2M	106,6992
17	5M	96,84277
18	10M	93,43363

5.2 Obliczenia dla układu z R₀=10kΩ, C_s=25µF.

f_d = 200 Hz

f_g = 250 kHz

Lp	Uwe=0,5V R0=10kΩ Cs=25µF
		f[Hz]
1	20	264,2894
2	50	255,9638
3	100	243,4349
4	200	225
5	500	201,8014
6	1k	191,3099
7	2k	185,7106
8	5k	182,2906
9	10k	181,1458
10	20k	180,5729
11	50k	180,2292
12	100k	180,1146
13	200k	141,3402
14	500k	116,5651
15	1M	104,0362
16	2M	97,12502
17	5M	92,86241
18	10M	91,4321

Układ dla R₀=560kΩ, C_s=25µF.

F_d=40Hz

F_g=300kHz

Lp	R0=560kΩ Cs=25µF
		f[Hz]	φ
1	20	243,43
2	50	218,66
3	100	201,80
4	200	191,31
5	500	184,57
6	1k	182,29
7	2k	181,15
8	5k	180,46
9	10k	180,23
10	20k	180,11
11	50k	180,05
12	100k	180,02
13	200k	146,31
14	500k	120,96
15	1M	106,70
16	2M	98,53
17	5M	93,43
18	10M	91,72

Układ dla R₀=10kΩ, C_s= 25 µF.

F_d=230Hz

F_g=200kHz

Lp	R0=10kΩ Cs=25µF
		f[Hz]	φ
1	20	265,03
2	50	257,74
3	100	246,50
4	200	228,99
5	500	204,70
6	1k	192,95
7	2k	186,56
8	5k	182,63
9	10k	181,32
10	20k	180,66
11	50k	180,26
12	100k	206,57
13	200k	135,00
14	500k	111,80
15	1M	101,31
16	2M	95,71
17	5M	92,29
18	10M	91,15

Układ dla R₀=10kΩ, C_s= 2 µF.

F_d=200Hz

F_g=200kHz

Lp	R0=10kΩ Cs= - µF
		f[Hz]	φ
1	20	264,29
2	50	255,96
3	100	243,43
4	200	225,00
5	500	201,80
6	1k	191,31
7	2k	185,71
8	5k	182,29
9	10k	181,15
10	20k	180,57
11	50k	180,23
12	100k	206,57
13	200k	135,00
14	500k	111,80
15	1M	101,31
16	2M	95,71
17	5M	92,29
18	10M	91,15

Wnioski

Na podstawie pomiarów dokonanych na laboratorium i wykreślonych charakterystyk amplitudowej i fazowej, możliwe jest określenie wzmocnienia prądowego powstałego dzięki zastosowaniu wzmacniacza na tranzystorze typu MOS.

Na podstawie pomiarów i wykresu charakterystyki amplitudowej Ku=Ku(f) wzmacniacza na tranzystorze polowym dla układu z włączonym rezystorem R₀=1kΩ i kondensatorem Cs=25µF, możemy zauważyć początkowo nagły wzrost napięcia wyjścia Uwy[V] i wzmocnienia Ku[dB] wraz z rosnącą częstotliwością, aż do momentu osiągnięcia przez układ częstotliwości granicznej dolnej fd=342Hz. Wzmocnienie k_u [V/V] w tym miejscu zaczyna się stabilizować i dla częstotliwości od około 1kHz do 500kHz wartość wzmocnienia utrzymuje się niemal na jednakowym poziomie, wahającym się w przedziale od ok. 1,09 - 1,19. Wzmocnienie i jednocześnie napięcie wyjściowe zaczęło wyraźnie spadać już od częstotliwości 500kHz, a częstotliwość górna graniczna w naszym wypadku wyniosła 1,2MHz. Dla wartości częstotliwości górnej i dolnej granicznej, napięcie wyjścia przyjęło wartość 0,83V, a szerokość pasma przenoszenia B wyniosła 1,1997MHz.

Podobną zależność można zauważyć analizując wykreśloną przez nas charakterystykę amplitudową dla układu z włączonym rezystorem R₀=10kΩ i kondensatorem Cs=25µF. W tym wypadku częstotliwość dolna graniczna wynosi 220Hz, a górna394kHz. Graniczne U_wy przy tych wartościach wyniosło 2,92V, a szerokość pasma przenoszenia 393.78kHz. Porównując oba pomiary, można zauważyć, iż dla układu z rezystorem R₀=1kΩ wzmocnienie prądowe okazało się być znacznie większe, niż w przypadku układu z rezystorem R₀=10kΩ. Jednocześnie obserwujemy, że przy zastosowaniu opornika o mniejszej rezystancji pasmo przenoszenia ma większą szerokość, dla analizowanych przez nas wartości jest to wzrost około trzykrotny. Wynika to ze znacznego przesunięcia górnej częstotliwości granicznej w stosunku to układu z rezystorem o niższej oporności. Otrzymane przez nas wyniki pokazują, że włączając opornik o większej wartości otrzymujemy większą wartość napięcia granicznego.

Gdy spojrzymy na wyniki pomiaru charakterystyki fazowej wzmacniacza, φ=φ(f) (w przypadku badania układu z R₀=10kΩ i Cs=25µF) i nasze obliczenia możemy zauważyć, że istnieje zakres częstotliwości leżący wewnątrz pasma przenoszenia, dla którego przesunięcie fazowe przyjmuje stałą wartość -180º. Można też zauważyć, że dla małych i średnich częstotliwości, przy obciążeniu rezystancyjnym układ odwraca fazę o 180º. Otrzymany przez nas wykres ma nieco inny przebieg niż można by było oczekiwać. W porównaniu do wykresu dla tych samych wartości oporu i pojemności kondensatora przedstawionego w prezentacji nie powinno pojawić się przegięcie funkcji przy częstotliwości bliskiej 100kHz. Prawdopodobnie jest to błąd wynikający z błędnego odczytu lub niedoskonałości sprzętu pomiarowego.

Przeprowadzone przez nas pomiary za pomocą oscyloskopu pozwalają na zauważenie kąta przesunięcia fazowego (φ) między sinusoidą przedstawiającą sygnał wejściowy i wyjściowy. Dla R_o= 10 k Ω , C_s= 25 przy częstotliwości mniejszej niż częstotliwość dolna graniczna (f=100Hz, f_d=220Hz), przesunięcie to jest niewielkie i wynosi ono około -90º. Zaś dla częstotliwości większej niż częstotliwość górna graniczna (f=1MHz, f_g=394kHz), przesunięcie przyjmuje kąt zbliżony do -270º. Dla pasma przenoszenia, kąt przesunięcia fazowego mieści się między -90º, a -270º, przy czym największe wzmocnienie prądu ma miejsce, gdy φ=-180º.

Dla R_o= 1k Ω i C_s= 25 dzieje się podobnie, przy czym dla f=1MHz nie została osiągnięta częstotliwość górna graniczna (f_g=1.2MHz),dlatego kąt φ jest trochę większy niż -270º.

---