Ćwiczenie - 4 Podstawowe układy pracy tranzystorów Spis treści 1

LABORATORIUM ELEKTRONIKI
Ćwiczenie - 4
Podstawowe układy pracy tranzystorów
Spis treści
1 Cel ćwiczenia
1
2 Podstawy teoretyczne
2.1 Podstawowe układy pracy tranzystora . . . . . . . . . . . . .
2.2 Wzmacniacz w układzie wspólnego kolektora . . . . . . . . .
2.2.1 Ustalanie punktu pracy wzmacniacza w układzie WK
2.3 Wzmacniacz w układzie wspólnego emitera . . . . . . . . . .
2.3.1 Ustalanie punktu pracy tranzystora w układzie WE .
.
.
.
.
.
2
2
2
3
4
5
3 Przebieg ćwiczenia
3.1 Badanie tranzystora bipolarnego w układzie WE . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Wyznaczenie charakterystyki Uwy = f (Uwe ) wzmacniacza w układzie WE
3.1.2 Ustalenie punktu pracy tranzystora w układzie WE . . . . . . . . . . . .
3.1.3 Wyznaczenie charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza WE . . .
3.2 Badanie tranzystora bipolarnego w układzie WK . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Wyznaczenie charakterystyki Uwy = f (Uwe ) wzmacniacza w układzie WK
3.2.2 Ustalenie punktu pracy tranzystora w układzie WK . . . . . . . . . . . .
3.2.3 Wyznaczenie charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza WK . . .
6
6
6
6
7
8
8
8
9
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4 Sprawozdanie
10
5 Niezbędne wyposażenie
10
Protokół
Wyniki pomiarów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
11
13
1
Cel ćwiczenia
• Zbudowanie i zbadanie wzmacniaczy tranzystorowych w układzie wspólny emiter, wspólny
kolektor.
1
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
2
2.1
Podstawy teoretyczne
Podstawowe układy pracy tranzystora
Podstawowymi układami pracy tranzystora bipolarnego są wzmacniacze: wzmacniacz w układzie
wspólnego kolektorze i wzmacniacz w układzie wspólnego emitera. Przy czym wzmacniacz jest
to układ, w którym energia z zasilacza jest zamieniana na energię sygnału wyjściowego, gdzie
sygnał wyjściowy jest funkcją sygnału wejściowego.
2.2
Wzmacniacz w układzie wspólnego kolektora
Wzmacniacz z rysunku 1 w układzie wspólnego kolektora (WK) nazywany również wtórnikiem
emiterowym. Wyjściem układu jest emiter tranzystora. Napięcie na wyjściu jest równe napięciu
wejściowemu (na bazie) pomniejszonemu o spadek napięcie na złączu baza-emiter (spadek na
przewodzącej diodzie) zatem:
Uwy = UE = UB − UBE ≈ Uwe − 0, 6[V ]
Gdy napięcie na wejściu jest mniejsze od 0, 6 to na pięcie na wyjściu jest 0. Prąd emitera:
IE =
Uwe − 0, 6
UE
=
RE
RE
⇒
IE = βIB + IB = IB (β + 1)
Ponadto:
IE = IC + IB
i
IC = βIB
⇒
IB =
IE
β+1
Wzmacniacz w układzie WK nie wzmacnia napięcia ale wzmacnia prąd, czyli jest wzmacniaczem
mocy.
IC
U
β = hF E
IB
UBE
IE
Uwe
RE
UE
Uwy
Rysunek 1: Wzmacniacz o wspólnym kolektorze
Jest to układ z emiterowym sprzężeniem zwrotnym. Po podaniu napięcia na wejście tranzystor się otwiera, zaczyna płynąć prąd kolektora i emitera. Pojawia się napięcia UE a przez co
napięcie UBE maleje i ustala się na poziomie przy którym spełnione jest równanie:
UBE = Uwe − IB (β + 1)RE .
2
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
W wzmacniaczu z rezystorem RE w obwodzie emitera występuje prądowe ujemne sprzężenie
zwrotne.
2.2.1
Ustalanie punktu pracy wzmacniacza w układzie WK
Należy ustalić spoczynkowy punkt pracy wtórnika tak aby prąd kolektora płynął zawsze dla
założonego zakresu sygnału wejściowego oraz aby nie została przekroczona dopuszczalna moc
strat na tranzystorze. Spoczynkowy punkt pracy dobiera się przy założeniu zerowego napięcia
wejściowego. W celu ustalenia spoczynkowego punktu pracy najprostszym rozwiązaniem jest
zastosowanie dzielnika rezystancyjnego - rysunek 2.
U
I R1
IC
R1
β = hF E
UBE
C1
C2
IE
R2
Uwe (t)
RE
Uwy (t)
UE
I R2
Rysunek 2: Wzmacniacz w układzie WK ze sprzężeniem pojemnościowym i dzielnikiem rezystancyjnym ustalającym punkt pracy
Rezystory R1 i R2 najczęściej dobiera się w taki sposób aby przy braku napięcia wejściowego,
napięcie na emiterze równało się połowie napięcia zasilania czyli UE = U2 . Ponadto wiadomo, że
UB = UE + UBE = UE + 0, 6, zatem UR2 = UB = UE + 0, 6 = U2 + 0, 6.
Rezystory dobieramy w taki sposób aby prąd płynący przez dzielnik był o kilka rzędów
większy od prądu bazy, wtedy prąd bazy nie będzie wpływał w znaczny sposób na rozkład
napięć na dzielniku. Zatem pomijając prąd bazy otrzymujemy:
IR1 = IR2
U
=
R1 + R2
IR2
i
UR2
=
=
R2
Z powyższego otrzymujemy:
U
R1 = R2 U2
2
3
− 0, 6
+ 0, 6
U
2
+ 0, 6
R2
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
2.3
Wzmacniacz w układzie wspólnego emitera
Wzmacniacz w układzie wspólnego emitera (WE) przedstawiono na rysunku 3, jest to układ w
którym wyjściem jest kolektor tranzystora.
U
U
RC
URC
RC
UCE
UC
Uwy
RE
Uwe
(a) układ z uziemionym emiterem
Uwy
Uwe
UE
(b) układ z emiterowym sprzężeniem zwrotnym
Rysunek 3: Wzmacniacz w układzie wspólnego emitera
Rozważmy układ z rysunku 3b z emiterowym sprzężeniem zwrotnym. Po podaniu napięcia na
−0,6
UE
≈ Uwe1
.
wejście Uwe = Uwe1 otrzymujemy UE = Uwe1 − UBE ≈ Uwe1 − 0, 6, ponadto IE = R
RE
E
Ze względu na to, że wzmocnienie prądowe tranzystora jest stosunkowo duże można przyjąć
−0,6
że IC ≈ IE i wyznaczyć URC = IC RC ≈ Uwe1
RC . Znając napięcie na rezystorze kolektora
RE
−0,6
RC .
wyznaczyć można napięcie na wyjściu Uwy1 = U − URC ≈ U − Uwe1
RE
Gdy napięcie na wejściu równa się Uwe2 = Uwe1 + ∆Uwe na wyjściu otrzymujemy Uwy2 ≈
−0,6
we −0,6
RC = U − Uwe1 +∆U
RC .
U − Uwe2
RE
RE
Wyznaczy dalej wzmocnienie napięciowe:
Uwe1 +∆Uwe −0,6
Uwe1 −0,6
U
−
R
−
U
−
R
C
C
RE
RE
∆Uwy
Uwy2 − Uwy1
RC
Ku =
=
=
=−
∆Uwe
Uwe2 − Uwe1
Uwe1 + ∆Uwe − Uwe1
RE
Z powyższego wynika, że układ ten jest wzmacniaczem napięcia. Znak minus oznacza, że doRC
datnia zmiana napięcia na wejściu powoduje ujemną R
- krotną zmianę napięcia na wyjściu.
E
Układ z rysunku 3a otrzymujemy w przypadku gdy w układzie z rysunku 3b rezystancja
emitera RE dąży do zera. Zgodnie z powyższymi rozważaniami wzmocnienie napięciowe Ku =
RC
−R
. Zatem gdy RE dąży do zera wzmocnienie teoretycznie dąży do nieskończoności. Jednak
E
w rzeczywistości w przypadku gdy RE = 0 wzmocnienie napięciowe wynosi Ku = − RreC , gdzie re
jest nieznaną rezystancją emitera.
4
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
2.3.1
Ustalanie punktu pracy tranzystora w układzie WE
Na początku dobieramy spoczynkowy prąd kolektora, tak aby dla założonego zakresu napięć na
wejściu moc strat na tranzystorze nie przekraczała mocy maksymalnej. Mając prąd spoczynkowy
kolektora oraz przyjmując napięcie na wyjściu przy braku napięcia na wejściu dobieramy wartość
rezystora kolektorowego RC . Następnie z założonego wzmocnienia dobieramy rezystor emiterowy
RE .
U
I R1
U RC
RC
C2
R1
IC
UCE
UBE
C1
IE
Uwy (t)
Uwe (t)
R2
RE
UE
I R2
Rysunek 4: Wzmacniacz w układzie WE ze sprzężeniem pojemnościowym i dzielnikiem rezystancyjnym ustalającym punkt pracy
Czyli rezystory RC i RE dobieramy w taki sposób aby uzyskać założone wzmocnienie napięciowe oraz w taki sposób aby dla założonego zakresu amplitudy napięcia wejściowego moc strat
na tranzystorze nie przekraczała mocy maksymalnej. Rezystory R1 i R2 najczęściej dobiera się
w taki sposób aby przy braku napięcia wejściowego, na kolektorze napięcie równało się połowie
napięcia zasilania czyli UC = U2 . Zatem gdy UC = U2 napięcie na rezystorze kolektorowym URC =
U
,
2
prąd kolektora IC =
U
2
RC
. Ze względu na duże wzmocnienie prądowe tranzystora przyjmujemy
IE ≈ IC . Napięcie na rezystorze R2 wynosi UR2 = UE + UBE = IE RE + UBE ≈
Pomijając prąd bazy otrzymujemy
rezystancji dzielnika.
U
R1 +R2
=
U R2
.
R2
5
U
2
RC
RE + 0, 6.
Z ostatniego równania otrzymujemy stosunek
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
3
Przebieg ćwiczenia
3.1
3.1.1
Badanie tranzystora bipolarnego w układzie WE
Wyznaczenie charakterystyki Uwy = f (Uwe ) wzmacniacza w układzie WE
Połączyć układ jak na rysunku 5. Na kanale pierwszym zasilacza (CH1) ustawić napięcie zasilania U+15 = 15V oraz ograniczenie prądu na ICH1max = 100mA. Zmieniając napięcie
wejściowe Uwe za pomocą potencjometru w zakresie Uwe ∈ (0V ; 2, 5V ) zmierzyć napięcie na
wyjściu Uwy . Wyniki zapisać w tabeli 1 oraz zaznaczyć na rysunku 11.
U+15
zasilacz
GWInstek
U+15
-CH2+
RC =1kΩ
-CH1+
Uwe
V
APPA
207
V
BC546
Uwy
APPA
62
RE =100Ω
Rysunek 5
3.1.2
Ustalenie punktu pracy tranzystora w układzie WE
W układzie przedstawionym na rysunku 6
ustalić trzy spoczynkowe punkty pracy i
tranzystora tzn. dobrać rezystory R1 i R2
tak aby przy braku sygnału wejściowego uwe (t)
napięcie na kolektorze wynosiło:
- UC1 = 3V ,
- UC2 = 7, 5V ,
- UC3 = 12V .
Parametry dobranych rezystorów zapisać w
tabeli 2.
U+15 = 15V
RC =1kΩ
R1
β = hF E ≈ 100
C1
UC
uwe (t)
R2
RE =100Ω
Rysunek 6
i
C2
BC546
Podczas ustalania punktu pracy skorzystać z wyników uzyskanych w punkcie 3.1.1.
6
uwy (t)
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
3.1.3
Wyznaczenie charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza WE
Połączyć układ jak na rysunku 7. Na wejście układu podać przebieg sinusoidalny o amplitudzie
Uwe = 0.6V i częstotliwości f = 1kHz. Zarejestrować przebiegi napięcia na wejściu i wyjściu
dla trzech punktów spoczynkowych z punktu 3.1.2 (różne konfiguracje rezystorów R1 i R2 ). Na
podstawie otrzymanych przebiegów określić optymalny spoczynkowy punkt pracy pod względem
zakresu amplitudy sygnału wejściowego.
generator
NDN
oscyloskop
Tektronix
OUT
CH1 CH2
U+15 = 15V
zasilacz
GWInstek
RC =1kΩ
R1
U+15
-CH2+
-CH1+
BC546
C2 = 1µF
C1 = 1µF
uwe (t)
uwy (t)
R2
RE =100Ω
Rysunek 7
Dla optymalnego punktu spoczynkowego w układzie z rysunku 7 wyznaczyć charakterystykę
amplitudową i fazową wzmacniacza WE. Na wejście układu podać przebieg sinusoidalny o amplitudzie Uwe ≈ 0.5V . Dokonać pomiaru napięcia międzyszczytowego 2Uwe na wejściu oraz
2Uwy na wyjściu. Pomiary wykonać dla sygnałów o częstotliwości z zakresu od 0, 01kHz do
, AdB = 20 log UUwy
oraz ϕ. Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w
1M Hz. Obliczyć A = UUwy
we
we
tabeli 3. Na rysunku 12 wykreślić charakterystykę amplitudową.
7
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
3.2
3.2.1
Badanie tranzystora bipolarnego w układzie WK
Wyznaczenie charakterystyki Uwy = f (Uwe ) wzmacniacza w układzie WK
Połączyć układ jak na rysunku 8. Na kanale pierwszym zasilacza (CH1) ustawić napięcie zasilania U+15 = 15V oraz ograniczenie prądu na ICH1max = 100mA. Zmieniając napięcie
wejściowe Uwe za pomocą potencjometru w zakresie Uwe ∈ (0V ; 15V ) zmierzyć napięcie na
wyjściu Uwy . Wyniki zapisać w tabeli 4 oraz zaznaczyć na rysunku 13.
U+15
zasilacz
GWInstek
U+15
BC546
-CH1+
Uwe
APPA
V
V
-CH2+
Uwy
RE =1kΩ
APPA
Rysunek 8
3.2.2
Ustalenie punktu pracy tranzystora w układzie WK
W układzie przedstawionym na rysunku 9
ustalić trzy spoczynkowe punkty pracy ii
tranzystora tzn. dobrać rezystory R1 i R2
tak aby przy braku sygnału wejściowego uwe (t)
napięcie na rezystorze emiterowym wynosiło:
- UE1 = 4V ,
- UE2 = 7.5V ,
- UE3 = 12V .
Parametry dobranych rezystorów zapisać w
tabeli 5.
U+15 = 15V
R1
β = hF E ≈ 100
C2
BC546
C1
uwe (t)
R2
UE
RE =1kΩ
Rysunek 9
ii
Podczas ustalania punktu pracy skorzystać z wyników uzyskanych w punkcie 3.2.1.
8
uwy (t)
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
3.2.3
Wyznaczenie charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza WK
Połączyć układ jak na rysunku 10. Na wejście układu podać przebieg sinusoidalny o amplitudzie
Uwe = 7.5V i częstotliwości f = 1kHz. Zarejestrować przebiegi napięcia na wejściu i wyjściu
dla trzech punktów spoczynkowych z punktu 3.2.2 (różne konfiguracje rezystora R1 i R2). Na
podstawie otrzymanych przebiegów określić optymalny spoczynkowy punkt pracy pod względem
zakresu amplitudy sygnału wejściowego.
generator
NDN
oscyloskop
Tektronix
OUT
CH1 CH2
U+15 = 15V
zasilacz
GWInstek
R1
U+15
-CH2+
-CH1+
BC546
C2 =1µF
C1 =1µF
uwe (t)
R2
RE =1kΩ
uwy (t)
Rysunek 10
Dla optymalnego punktu spoczynkowego w układzie z rysunku 10 wyznaczyć charakterystykę
amplitudową i fazową wzmacniacza WK. Na wejście układu podać przebieg sinusoidalny o amplitudzie Uwe ≈ 5V . Dokonać pomiaru napięcia międzyszczytowego 2Uwe na wejściu, 2Uwy na
wyjściu oraz ∆t. Pomiary wykonać dla sygnałów o częstotliwości z zakresu od 0, 01kHz do
1M Hz. Obliczyć A = UUwy
, AdB = 20 log UUwy
oraz ϕ. Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w
we
we
tabeli 6. Na rysunku 14 wykreślić charakterystykę amplitudową.
9
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
4
Sprawozdanie
4.1 Wykreślić i zinterpretować charakterystyki Uwy = f (Uwe ) oraz częstotliwościowe w układzie
WE i WK.
4.2 Zamieścić oraz zinterpretować wybrane przebiegi uzyskane z oscyloskopu.
4.3 Porównać układ WE i WK.
5
Niezbędne wyposażenie
• kalkulator naukowy
• pendrive do 1GB lub aparat fotograficzny do rejestracji przebiegów z oscyloskopu
• protokół
[?, ?]
10
ĆWICZENIE - 4
GRUPA:oooooooooDATA:
Protokół
Wyniki pomiarów
Tabela 1: Charakterystyka Uwy = f (Uwe ), układ WE
Wyniki pomiarów
Wyniki pomiarów
Uwe [V ]
oooo0oooo
0,1
0,2
0,3
Uwe [V ]
ooooooooo
Uwy [V ]
ooooooooo
Uwy [V ]
ooooooooo
2,5
Tabela 2: Ustalanie punku pracy w układzie WE
Dobór dzielnika rezystancyjnego
UC1 = 3
R1[kΩ]
R2[kΩ]
ooooooo ooooooo
UC2 = 7.5
R1[kΩ]
R2[kΩ]
ooooooo ooooooo
UC3 = 12
R1[kΩ]
R2[kΩ]
ooooooo ooooooo
Tabela 3: Charakterystyka amplitudowa układu WE
Wyniki pomiarów
f [kHz]
oooooooo
we
Upp
[V
]
oooooooo
Wyniki obliczeń
wy
Upp
[V
]
oooooooo
∆t[ms]
oooooooo
ooooooooo
A[−]
oooooooo
AdB [dB]
oooooooo
ϕ[◦ ]
oooooooo
ĆWICZENIE - 4
GRUPA:oooooooooDATA:
Tabela 4: Charakterystyka Uwy = f (Uwe ), układ WK
Wyniki pomiarów
Uwe [V ]
oooo0oooo
0,2
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
Wyniki pomiarów
Uwy [V ]
Uwe [V ]
ooooooooo oooo1,5oooo
2
3
4
5
6
7
9
11
13
15
Uwy [V ]
ooooooooo
Tabela 5: Ustalanie punku pracy w układzie WK
Dobór dzielnika rezystancyjnego
UE1 = 4
R1[kΩ]
R2[kΩ]
ooooooo ooooooo
UE2 = 7.5
R1[kΩ]
R2[kΩ]
ooooooo ooooooo
UE3 = 12
R1[kΩ]
R2[kΩ]
ooooooo ooooooo
Tabela 6: Charakterystyka amplitudowa układu WK
Wyniki pomiarów
f [kHz]
ooooo
we [V
Upp
]
ooooo
Wyniki obliczeń
wy
Upp
[V
]
ooooo
Wyniki pomiarów
A[−]
AdB [dB]
f [kHz]
ooooo
ooooo
ooooo
ooooooooo
we [V
Upp
]
ooooo
Wyniki obliczeń
wy
Upp
[V
]
ooooo
A[−]
ooooo
AdB [dB]
ooooo
ĆWICZENIE - 4
GRUPA:oooooooooDATA:
Charakterystyki
Uwy [V ]
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Uwe [V ]
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4
Rysunek 11: Charakterystyka Uwy = f (Uwe ) dla układu WE
AdB [dB]
20
10
0
−10
−20
−30
f [kHz]
0, 1
1
10
100
1000
Rysunek 12: Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WE
ooooooooo
ĆWICZENIE - 4
GRUPA:oooooooooDATA:
Uwy [V ]
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Uwe [V ]
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15
Rysunek 13: Charakterystyka Uwy = f (Uwe ) dla układu WK
AdB [dB]
0
−10
−20
−30
f [kHz]
0, 1
1
10
100
1000
Rysunek 14: Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WK
ooooooooo