Laboratorium układów analogowych i cyfrowych
Ćwicz. Nr….	Badanie własności wzmacniaczy w układzie OE,OB,OC	Str. 1

Cel ćwiczenia: Poznanie właściwości wzmacniaczy pracujących w różnych konfiguracjach. Nabycie

umiejętności wyznaczania parametrów statycznych i dynamicznych poszczególnych układów

Wykaz przyrządów:

• zasilacz stabilizowany

• generator przebiegów sinusoidalnych

• oscyloskop dwukanałowy

• rezystor dekadowy

1. Wprowadzenie teoretyczne

1. Parametry wzmacniaczy

Wzmacniacz jest to urządzenie elektroniczne, którego zadaniem jest proporcjonalne zwiększenie amplitudy wszystkich składowych widma sygnału wejściowego, bez zmiany ich wzajemnych proporcji.

Do podstawowych parametrów wzmacniaczy należą:

- wzmocnienie: napięciowe , prądowe i mocy

- dolna i górna częstotliwość graniczna - rezystancja wejściowa i wyjściowa - zniekształcenia nieliniowe

Wzmocnienie określane jest jako stosunek wartości skutecznej sygnału wyjściowego do wartości skutecznej sygnału wejściowego.

Wzmocnienie napięciowe wyraża się wzorem:

Zgodnie z tą definicją wzmocnienie prądowe jest równe:

Natomiast wzmocnienie mocy:

Wzmocnienie wzmacniacza jest zależne od częstotliwości sygnału wejściowego. Oznacza to, że jeśli

na wejście wzmacniacza będzie podany sygnał o stałej amplitudzie , ale zmiennej częstotliwości, to na jego wyjściu wraz ze zmianą częstotliwości, będzie zmieniała się amplituda sygnału wyjściowego.

Właściwości wzmacniacza w zależności od częstotliwości sygnału wejściowego określają dwie zależne od siebie charakterystyki:

- Amplitudowa - k_u=f(f)

- Fazowa - =f(f)

Rys1. Charakterystyki częstotliwościowe wzmacniacza: a) amplitudowa

b) fazowa

Laboratorium układów analogowych i cyfrowych
Ćwicz. Nr….	Badanie własności wzmacniaczy w układzie OE,OB,OC	Str. 2

Z przebiegu charakterystyki amplitudowej można określić częstotliwości graniczne wzmacniacza. częstotliwość graniczna jest to taka częstotliwość sygnału wejściowego, przy której wzmocnienie napięciowe wzmacniacza maleje względem wzmocnienia maksymalnego o 3dB ( czyli do poziomu 0,707 swej wartości maksymalnej), a wzmocnienie mocy do połowy.

Znając częstotliwość górną i dolną można określić pasmo przenoszenia wzmacniacza:

B= f_g - f_d

Wartość napięcia wyjściowego w zależności od wartości napięcia wejściowego opisuje się za pomocą charakterystyki przejściowej wzmacniacza ( charakterystyki dynamicznej).

rys.2.Charakterystyka przejściowa

rzeczywistego wzmacniacza małej

częstotliwości

Powstaje ona w wyniku wykreślenia zależności u_wy od U_we dla sygnału sinusoidalnego o częstotliwości f=const.

U_P - jest to maksymalne napięcie jakie można

doprowadzić do wejścia układu, aby

pracował on w liniowym zakresie chara-

kterystyki.

Z charakterystyki tej można wyznaczyć dynamikę wzmacniacza:

Dynamika współczesnych wzmacniaczy przekracza 100dB.

Zniekształcenia nieliniowe - są to zniekształcenia wynikające z nieliniowości charakterystyki przenoszenia wzmacniacza.

Współczynnik zniekształceń nieliniowych wyznacza się ze wzoru:

gdzie :

Jest to stosunek wartości skutecznej wyższych harmonicznych do wartości skutecznej pełnego napięcia wyjściowego.

Rezystancja wejściowa

rys.3. Schemat zastępczy wzmacniacza

Laboratorium układów analogowych i cyfrowych
Ćwicz. Nr….	Badanie własności wzmacniaczy w układzie OE,OB,OC	Str. 3

Rezystancja wejściowa jest to rezystancja „widziana” z zacisków wejściowych układu, przy rozwartym wyjściu.

Rezystancja wyjściowa R_wy - jest to rezystancja „widziana” z zacisków wyjściowych układu przy zwartym wejściu.

1.1.2. Parametry wzmacniacza w układzie OE

Podstawowa funkcja wzmacniacza - zwiększenie mocy sygnałów może być realizowana przez zastosowanie w układzie wzmacniacza elementów czynnych. Obecnie stosuje się głównie tranzystory bipolarne lub unipolarne w trzech podstawowych konfiguracjach: OE, OB., OC. We wzmacniaczach małej częstotliwości najpowszechniej stosowana jest konfiguracja OE. Schemat takiego wzmacniacza przedstawia poniższy rysunek:

rys. 4 Schemat wzmacniacza w układzie OE

Parametry wzmacniacza zbudowanego na tranzystorze oblicza się na podstawie schematu zastępczego dla sygnałów zmiennych ( małych, średnich lub wielkich częstotliwości) Poniższy rysunek przedstawia schemat zastępczy dla średnich częstotliwości.

rys.5. Schemat zastępczy wzmacniacza w układzie OE dla średnich częstotliwości

W schemacie tym kondensatory traktuje się jako zwarcie, ponieważ:

Rezystancja wejściowa dla tego układu „widziana” z zacisków wejściowych jest to równoległe połączenie R_B i R_T.

Laboratorium układów analogowych i cyfrowych
Ćwicz. Nr….	Badanie własności wzmacniaczy w układzie OE,OB,OC	Str. 4

gdzie : R_T= r_bb' +r_b'_e = h_11e

Rezystancja wyjściowa „widziana“ z zacisków wyjściowych:

Wzmocnienie prądowe:

Wzmocnienie napięciowe:

Pasmo przenoszenia wzmacniacza - B

Jak zostało powiedziane wcześniej o paśmie przenoszenia wzmacniacza decydują częstotliwości górna i dolna.

Na wartość częstotliwości górnej mają wpływ pojemności pasożytnicze wzmacniacza (pojemności tranzystora oraz pojemność montażowa). Pojemności te tworzą z rezystancją źródła sygnału filtry górnozaporowe ograniczające częstotliwość od góry.

Pojemność baza-kolektor ( C_T) jest elementem ujemnego sprzężenia zwrotnego (napięciowego równoległego) i jest powodem wystąpienia tzw. efektu Millera.

Polega on na tym, że pojemność C_BC nie mająca połączenia z masą przekazywana jest na wejście układu zwielokrotniona wzmocnieniem wzmacniacza ( K_u -krotnie).

rys.6. schemat wzmacniacza OE z uwzględnieniem pojemności pasożytniczych

Sumaryczna pojemność wejściowa wzmacniacza jest równa:

Ponieważ pojemność C_m to zwykle kilka pF, można ją zatem pominąć i wtedy:

Pojemność wyjściowa tworzona jest przez pojemności C_BC i C_CE

Jest ona znacznie mniejsza od pojemności wejściowej. zatem o częstotliwości górnej będzie decydować C_we, a ściślej filtr górnozaporowy stworzony przez rezystancję źródła sygnału i C_we.

Laboratorium układów analogowych i cyfrowych
Ćwicz. Nr….	Badanie własności wzmacniaczy w układzie OE,OB,OC	Str. 5

O częstotliwości dolnej wzmacniacza decydują pojemności kondensatorów znajdujących się w

układzie.
Każdy z tych kondensatorów tworzy z odpowiednimi rezystancjami filtry .

Pierwszy filtr stanowi obwód wejściowy -C_S1,R_g,R_B i R_T

rys.7 Schemat zastępczy w zakresie małych częstotliwości

Stała czasowa tego filtru to:

Drugi filtr to obwód emitera tzn. kondensator C_E i rezystancje R_g, R_B, R_T, R_O i R_E, a jego stała

czasowa to:
, a ponieważ:
,

to stała czasowa tego filtru wynosi:

Trzeci filtr stanowi obwód wyjściowy tzn. C_S2 i rezystory R_C i R_O , którego stała czasowa to:

Jak wiemy, częstotliwość graniczna każdego z tych filtrów to:

O częstotliwości dolnej wzmacniacza decyduje największa z trzech częstotliwości.

1.1.3. Parametry wzmacniacza w układzie OB

rys. 8 Schemat ideowy wzmacniacza w układzie OB

Laboratorium układów analogowych i cyfrowych
Ćwicz. Nr….	Badanie własności wzmacniaczy w układzie OE,OB,OC	Str. 6

Schemat ideowy wzmacniacza przedstawia rysunek 8

W układzie tym sygnał podawany jest na emiter tranzystora, a baza jest dla składowej zmiennej zwarta do masy przez kondensator C_B.

Największą zaletą tego układu jest fakt, że nie występuje w nim efekt Millera. Ma on zatem małą pojemność wejściową, co powoduje znaczne rozszerzenie pasma przenoszenia.

Rezystancja wejściowa - jest wielokrotnie mniejsza ( w przybliżeniu h_21e razy) mniejsza niż w układzie OE.

Jest to równoległe połączenie rezystancji R_E ( patrz schemat zastępczy rys. 9) i rezystancji tranzystora w układzie OB.

rys. 9 Schemat zastępczy wzmacniacza w układzie OB dla sygnałów średniej częstotliwości

Rezystancja wyjściowa - jest równa w przybliżeniu :

Wzmocnienie napięciowe podobne do wzmocnienia napięciowego w układzie OE i wyraża się wzorem:

przy czym:
, a

Wzmocnienie prądowe w tym układzie jest mniejsze od jedności i określa je wzór:

Wzmacniacz OB nie odwraca fazy, a jego górna częstotliwość graniczna jest dużo większa niż dla wzmacniacza w układzie OE.

1.1.4. Parametry wzmacniacza w układzie OC

Schemat ideowy wzmacniacza w układzie wspólnego kolektora przedstawia poniższy rysunek:

rys.10. Schemat ideowy wzmacniacza w układzie OC

Laboratorium układów analogowych i cyfrowych
Ćwicz. Nr….	Badanie własności wzmacniaczy w układzie OE,OB,OC	Str. 7

W układzie tym rezystancja kolektora jest zwykle równa zero, a sygnał wyjściowy pobierany jest z emitera.

Napięcie wyjściowe , będące spadkiem napięcia rezystorze R_E jest w całości przekazywane do obwodu wejściowego ( rezystor R_E jest elementem wspólnym obwodu wejściowego i wyjściowego).

Rezystor R_E wprowadza do obwodu wejściowego spadek napięcia skierowany przeciwnie do napięcia sterującego.

Spadek napięcia na R_E jest wytworzony przez prąd wyjściowy, czyli prąd emitera. Prąd ten jest h_21e razy większy od prądu bazy. Zatem prąd wejściowy płynący pod wpływem wypadkowe napięcia w obwodzie wejściowym ( U_g - U_RE) jest zmniejszony tak , jak gdyby w obwodzie występował rezystor h_21eR_E.

Rezystancja wejściowa R_we jest więc równa:

przy czym:

patrz rys. 10 i schemat zastępczy rys.11

rys. 11. Schemat zastępczy dla średnich częstotliwości

Rezystancja wyjściowa określana jest wzorem:

Wartość rezystancji wejściowej osiąga kilkanaście do kilkudziesięciu omów.

Wzmocnienie napięciowe w tym układzie jest bliskie jedności ( zawsze nieco mniejsze) :

Wzmocnienie prądowe wynosi:

Napięcie wyjściowe jest w fazie z napięciem wejściowym, a wzmocnienie napięciowe bliskie jedności. Dlatego układ OC określa się mianem wtórnika napięcia.

W układzie tym także nie występuje efekt Millera , wobec czego częstotliwość graniczna jest większa niż w układzie OE.

Poniższa tabela pokazuje porównanie parametrów wzmacniaczy tranzystorowych pracujących w różnych konfiguracjach.

Konfiguracja parametr	OE	OB	OC
wzmocnienie napięciowe	duże ok. 60	duże ok. 60	małe ≤ 1
wzmocnienie prądowe	duże ok.100	małe ≤ 1	duże ok.100
rezystancja wejściowa	średnia kilka kΩ	mała poniżej 500Ω	duża
rezystancja wyjściowa	średnia kilka kΩ	duża kilkadziesiąt kΩ	mała poniżej 500Ω

Laboratorium układów analogowych i cyfrowych
Ćwicz. Nr….	Badanie własności wzmacniaczy w układzie OE,OB,OC	Str. 8

2. Wykonanie ćwiczenia

2.1.Wyznaczanie charakterystyki przejściowej ( dynamicznej) - U_wy=f(U_we)

Układ pomiarowy

• połączyć układ według powyższego schematu

• W modelu dydaktycznym wcisnąć przycisk oznaczony OE

• ustawić generator na częstotliwość 1kHz

• zmieniać amplitudę sygnału podawanego na wejście wzmacniacza od zera

( lub wartości minimalnej) do momentu przesterowania wzmacniacza

- odczytywać napięcie wejściowe i wyjściowe z oscyloskopu i zapisać w

tabeli według wzoru:

f=1kHz
Uwe	V
Uwy	V
K	V/V

• wykonać analogiczne pomiary dla układów OB i OC

• obliczyć i wpisać do tabeli wzmocnienie dla każdego punktu pomiarowego

• określić i zaznaczyć napięcie przesterowania

• powtórzyć analogiczne pomiary dla układu OB i OC

• w sprawozdaniu wykreślić zależność U_wy=f(U_we) w jednym układzie współrzędnych

• obliczyć dynamikę poszczególnych układów

• zanotować nasuwające się wnioski

2.2. Wyznaczanie charakterystyki amplitudowej wzmacniacza - K_U=f(f) przy

U_we=const.

• pomiary należy wykonać w układzie pomiarowym z punktu 2.1. dla poszczególnych konfiguracji wzmacniacza,

• wyniki pomiarów notować w tabelach według wzoru:

Uwe= const.=.............
f	Hz
Uwy	V
KU	V/V
KUdB	dB

• artoś

Laboratorium układów analogowych i cyfrowych
Ćwicz. Nr….	Badanie własności wzmacniaczy w układzie OE,OB,OC	Str. 9

• wartość napięcia wejściowego należy ustalić na podstawie pomiarów z punktu 2.1. przyjmując U_we=0,5Up

• na podstawie wykonanych pomiarów wykreślić charakterystyki K_U=f(f) w

jednym układzie współrzędnych

• na wykresach zaznaczyć częstotliwość dolną i górną dla każdej konfiguracji

oraz wyznaczyć pasmo przenoszenia,

• zanotować nasuwające się spostrzeżenia,

2.3. Pomiar rezystancji wejściowej

Układ pomiarowy




Warunki pomiaru

• Napięcie wejściowe równe ok. ½ U_P ( napięcie progowe)

• częstotliwość generatora f=1kHz

• Rezystor R_d = 0

• Przy ustawionych parametrach zmierzyć napięcie na wyjściu wzmacniacza

• Następnie utrzymując stałe napięcie wejściowe zwiększać rezystancję R_d do momentu, kiedy napięcie wyjściowe zmaleje do połowy.

W sytuacji gdy rezystancja R_d jest równa zeru , całe napięcie z generatora odkła-da się na rezystancji wejściowej wzmacniacza i ulega wzmocnieniu. Podczas

zwiększania rezystora R_d napięcie wejściowe dzieli się pomiędzy rezystancję wzmacniacza i rezystancję rezystora regulowanego. Jeśli R_we=R_d napięcie

z generatora podzieli się po połowie i napięcie wejściowe zmniejszy się dwukrotnie. Zostanie wzmocnione, ale napięcie na wyjściu będzie też dwukrotnie mniejsze. Zatem można stwierdzić, że R_we ma taką samą wartość jak R_d.

Rezystancję wejściową należy zmierzyć dla wszystkich wcześniej badanych konfiguracji wzmacniaczy i zamieścić zbiorczej tabeli:

konfiguracja	Rwe
OE
OB
OC

Laboratorium układów analogowych i cyfrowych
Ćwicz. Nr	Badanie wpływu ujemnego sprzężenia zwrotnego	Str. 10

Uwaga: Jeśli rezystancja wejściowa wzmacniacza jest większa od wartości posiadanego rezystora dekadowego, należy zastosować rezystor o stałej wartości np. 1M i wyznaczyć napięcie wyjściowe dla R_d=0 ( U_wy1) i R_d=1M (U_wy2).

Rezystancję wejściową obliczamy wtedy z następującego wzoru:




2.4. Pomiar rezystancji wyjściowej

Układ pomiarowy




Wykonanie pomiaru

• ustawić napięcie wejściowe i częstotliwość jak w punkcie 2.3.

- zmierzyć napięcie wyjściowe przy odłączonym rezystorze R_d2

• podłączyć rezystor R_d2 ( wartość rezystora na maksimum) i zmniejszać

jego wartość do momentu kiedy napięcie na wyjściu zmaleje do połowy,

• Rezystancja wyjściowa ma taką samą wartość jak wartość wskazywana

na dekadzie.

Uwaga: Na pięcie na wejściu powinno przez cały czas mieć wartość stałą , a napięcie na

wyjściu nie powinno być zniekształcone.

- wykonać pomiary dla trzech przypadków jak w punkcie 2.3.

- wyniki pomiarów zanotować w tabeli wg wzoru:

Konfiguracja	Rwy
OE
OB
OC

Laboratorium układów analogowych i cyfrowych
Ćwicz. Nr	Badanie wpływu ujemnego sprzężenia zwrotnego	Str. 11

3. Wykonanie sprawozdania

W sprawozdaniu należy zamieścić:

a) temat ćwiczenia

b) data wykonania ćwiczenia i cel ćwiczenia

c) wykaz aparatury kontrolno-pomiarowej używanej w ćwiczeniu

d) schematy ideowe badanych wzmacniaczy

e) schematy układów pomiarowych poszczególnych parametrów

f) tabele pomiarowe

g) wykresy zależności mierzonych parametrów

h) wnioski

4. Zagadnienia do samodzielnego opracowania

1. Narysuj charakterystykę przejściową wzmacniacza i opisz, jakie parametry można na jej

podstawie wyznaczyć?

2. Co to jest pasmo przenoszenia i jak je wyznacza z charakterystyki częstotliwościowej?

3. Napięcie wejściowe wzmocnienia wynosi: U_we=80mV, U_wy=0,8V. Oblicz wzmocnienie wzmacniacza. Wynik podaj w V/V i w dB.

4. Narysuj schemat wzmacniacza w układzie OE i omów rolę poszczególnych elementów.

5. Omów właściwości wzmacniacza w układzie OB.

6. Porównaj parametry wzmacniaczy OE i OB.

7. Na czym polega efekt Millera?

8. Narysuj schemat i omów zalety i wady wtórnika.

9. Narysuj schemat i omów sposób pomiaru rezystancji wejściowej wzmacniacza.

10. Narysuj schemat i omów sposób pomiaru rezystancji wyjściowej.




---