instrukcja
Transkrypt
instrukcja
L A B O R A T O R I U M U K Ł A D Ó W L I N I O W Y C H 14 Ujemne sprzężenie zwrotne Ćwiczenie opracował Jacek Jakusz napięcie wyjściowe. Dokładny opis pomiaru 1. Wstęp Ćwiczenie umożliwia pomiar i porównanie właściwości tego samego wzmacniacza pracującego w następujących konfiguracjach: A –wzmacniacz z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego, B - wzmacniacz z zamkniętą pętlą (1) sprzężenia zwrotnego. C - wzmacniacz z zamkniętą pętlą (2) sprzężenia zwrotnego. Badany układ to dwustopniowy wzmacniacz, który tworzą dwa tranzystory bipolarne pracujące w konfiguracji wspólny emiter (CE). Wzmacniacz ten jest objęty ujemnym, napięciowo-szeregowym sprzężeniem zwrotnym. Pomiary układu z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego służą jako odniesienie. W ramach ćwiczenia wykonuje się pomiary: wzmocnienia w środku pasma przepustowego, rezystancji wejściowej, dolnej oraz górnej 3-decybelowej częstotliwości granicznej, Poszczególne konfiguracje wybiera się przy pomocy przełącznika obrotowego, który poprzez przekaźniki przełącza odpowiednie układy. Dla uniezależnienia się od parametrów przyrządów pomiarowych oraz jakości połączeń, wzmacniacz ma wbudowany bufor o wzmocnieniu jednostkowym zarówno na wejściu jak i na wyjściu. Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy zapoznać się z jego przebiegiem (podstawowe informacje zamieszczono w niniejszym opracowaniu). Prowadzący ma obowiązek sprawdzić przygotowanie do ćwiczenia. 2. Pomiary Dla każdego z układów A, B, i C należy: a) Zmierzyć dolną i górną 3-decybelową graniczną ( f L3dB , f H 3dB ). częstotliwość Pomiar należy wykonać w następujący sposób: - dla częstotliwości sygnału wejściowego f = 18 kHz ustawić wartość skuteczną napięcia sygnału wejściowego tak, aby na wyjściu badanego układu uzyskać wartość napięcia wejściowego Vwy = 300mV, - (tzn. dla A ≈1mV, dla B ≈10mV, dla C ≈5mV) zachowując stałą wartość napięcia wejściowego zmniejszać (dla pomiaru częstotliwości granicznej dolnej) lub zwiększać (dla pomiaru częstotliwości granicznej górnej) częstotliwość sygnału wejściowego aż do uzyskania napięcia wyjściowego równego 300mV / 2 ≈ 212mV uzyskana odpowiednią częstotliwością graniczną. b) Określić częstotliwość środkową wartość f0 = generatora RS. Należy nacisnąć przycisk Rin i zanotować napięcie wyjściowe. Dokładny opis pomiaru Rin znajduje się w części teoretycznej. d) Zmierzyć rezystancję wyjściową (sygnał wejściowy o częstotliwości 18kHz, amplituda j.w.) - Rezystancję wyjściową mierzy się wykorzystując dodatkowy rezystor R L ' włączany równolegle z rezystancją obciążenia R L Rout 3. Opracowanie wyników 1) Zmierzone charakterystyki częstotliwościowe nanieść na osobnych wykresach. Oś pionowa powinna być wzmocnieniem wyrażonym w mierze logarytmicznej tj. 20 log | K u | , oś pozioma (częstotliwość) powinna być logarytmiczna. Dla układów A,B i C obliczyć, na podstawie wzorów zamieszczonych w protokole: • punkty pracy tranzystorów, • wzmocnienie małosygnałowe Ku, • rezystancję wejściową i wyjściową, Zamieścić własne wnioski i spostrzeżenia. Porównać układy pomiędzy sobą, a także skomentować zgodność obliczeń teoretycznych z pomiarami. 4. Teoria (dla zainteresowanych) 4.1 Właściwości ujemnego sprzężenia zwrotnego Zastosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego do układów wzmacniających powoduje: 1) stabilizację wzmocnienia – uniezależnianie się od wpływu zmian wzmocnienia elementu aktywnego w pod wpływem temperatury, napięcia zasilającego itp.; 2) możliwość modyfikacji impedancji wejściowej i wyjściowej; 3) zmniejszenie zniekształceń nieliniowych; 4) poszerzenie pasma układu. Wady ujemnego sprzężenia zwrotnego: zmniejszenie wzmocnienia możliwość wzbudzania się układu Schemat idealnego sprzężenia zwrotnego przedstawiono na rys. 1 + Σ xi xs xf − i zanotować 10-03-09 A xo B Rys. 1. i zmierzyć wzmocnienie w środku pasma vo/vs . c) Zmierzyć rezystancję wejściową (sygnał wejściowy o częstotliwości 18kHz, amplituda j.w.) – Rezystancję wejściową mierzy się wykorzystując dodatkowy rezystor RS' włączony szeregowo z rezystancją wewnętrzną wzmacniacza. Należy nacisnąć przycisk f) Zmierzyć amplitudową charakterystykę częstotliwościową. jest f L3dB ⋅ f H 3dB Rout znajduje się w części teoretycznej. e) Zmierzyć zniekształcenia nieliniowe dla f = 18 kHz . Schemat idealnego sprzężenia zwrotnego Wzmocnienie układu z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego: Af ≡ xo xo Axi A = = = x s xi + x f xi + ABxi 1 + AB AB - wzmocnienie pętli 1+AB=F - różnica zwrotna Wpływ ujemnego sprzężenia zwrotnego na charakterystykę częstotliwościową liniowego wzmacniacza zostanie przeanalizowany na przykładzie Załóżmy, że charakterystyka częstotliwościowa liniowego wzmacniacza bez sprzężenia jest postaci: A( s ) = (1 + ω L AM s )(1 + s ω H ) 2-2 Wzmocnienie układu dla średnich pulsacji (ωL << ω << ωH) wynosi AM , a jego pasmo ograniczają dwie graniczne pulsacje (ωL - dolna i ωH - górna). Ponadto zakładamy, że charakterystyka członu sprzężenia zwrotnego B jest stała, niezależna od częstotliwości. Wówczas po zamknięciu pętli sprzężenia zwrotnego otrzymamy: Af = wzmocnienie w środku pasma: ω Lf = dolną pulsację graniczną: górną (1 + AM B ) pulsację = ωL F vf dA dA Uz = A = dUz dUz A Uz Bvo Rys. 3. Model wzmacniacza sprzężeniem zwrotnym. A = SUz ΔA Uz ΔUz A Rys. 4. Model zastępczy wzmacniacza. Rif = Ri (1 + AB ) A 1 1 = = ΔA A f 1 + AB F Rezystancja wyjściowa Rof = A Af A ΔUz Uz RS SUzf A SUz vs ΔA A ΔUz = SUz A Uz W ćwiczeniu, w badanym wzmacniaczu zastosowano napięciowo-szeregowe ujemne sprzężenie zwrotne. Stąd też w dalszej części zostanie omówiony tylko ten rodzaj sprzężenia. Topologię sprzężenia przedstawia rys. 2. Dla tego rodzaju sprzężenia pobierane jest napięcie z wyjścia i podawane przez czwórnik sprzężenia zwrotnego na wejście (również napięcie) -szeregowo ze źródłem sygnału. W analizie przyjęto założenia: a) układy A i B są unilateralne, b) układ A jest wzmacniaczem napięciowym o wzmocnieniu A, rezystancji wejściowej Ri i rezystancji wyjściowej Ro, c) układ B o transmitancji napięciowej B nie obciąża układu A (tzn. podłączenie układu B nie zmienia wzmocnienia napięciowego układu A = vo/vi ). vi wzmacniacz napięciowy vo vs h11 v1 czwórnik sprzężenia Rys. 2. Topologia sprzężenia napięciowo-szeregowego. wzmacniacz napięciowy A [V/V] vo RL i1 h21i1 h12v2 i2 h22 v2 Rys. 5. Model rzeczywistego wzmacniacza z napięciowoszeregowym sprzężeniem zwrotnym. pasywny (nie wzmacnia sygnału) i dlatego można bez większego błędu założyć: transmitancja „w przód” czwórnika sprzężenia zwrotnego jest pomijalnie mała w porównaniu ze wzmocnieniem układu aktywnego A (tzn. h21=0), transmitancja napięciowa czwórnika sprzężenia w kierunku zwrotnym: B=h12=v1/vo przy i1=0. Idealny czwórnik A należy uzupełnić o rezystancje wnoszone przez układ sprzężenia zwrotnego tj. o elementy h11 oraz 1/h22 . Należy również włączyć do układu A rezystancje: źródła sygnału RS i obciążenia RL . Po przekształceniu otrzymujemy: R1 = h11 = vf Ro (1 + AB ) W układzie rzeczywistym zazwyczaj czwórnik sprzężenia jest A SAf = vo A = v s 1 + AB Rezystancja wejściowa: ΔA f = SUzf vo Afvs vs lub wzorem (przydatnym przy pomiarach) ΔA f napięciowo-szeregowym Rof Rif Af = Ważnym parametrem jest czułość wzmocnienia układu z ujemnym sprzężeniem zwrotnym na zmianę wzmocnienia układu z otwartą pętlą sprzężenia. Wyraża się ona wzorem: ponieważ z Wzmocnienie układu: dla skończonych przyrostów A vo graniczną: ω Hf = ω H (1 + AM B ) = ω H F . SAf = vo Avi B , Jak wynika z powyższych zależności ujemne sprzężenie zwrotne powoduje poszerzenie pasma wzmacniacza. Dla wzmacniacza opisanego funkcją jednobiegunową pole wzmocnienia (iloczyn wzmocnienia i pasma wzmacniacza) pozostaje nie zmienione. Ważną właściwością ujemnego sprzężenia zwrotnego jest wpływ na czułość wzmocnienia przy zmianach napięcia zasilającego, temperatury itp.. Czułość wzmocnienia układu na zmianę napięcia zasilającego wyraża się wzorem: A S Uz RO Ri vi vs AM A = M , 1 + AM B F ωL A ii v1 |v = 0 i1 o R2 = v 1 = 2 |i1 =0 h22 i2 W ten sposób układ rzeczywisty został doprowadzony do struktury idealnej (z rys.3), w której zamiast czwórnika A wprowadzony został zmodyfikowany czwórnik A’, uwzględniający wpływ czwórnika sprzężenia, rezystancji źródła sygnału RS i rezystancji obciążenia RL . 2-3 zmodyfikowany RS wzmacniacz napięciowy A [V/V] vi' R1 vs VCC czwórnik A' vo' R2 RL RC2 RC1 RB1 IC1 Q2 IC2 Q1 h12vo' vf' vo' RE1 RB2 RE2 czwórnik B Rys. 6. Układ zmodyfikowany. Rys. 9. Schemat do wyznaczenia punktu pracy tranzystora. Podsumowanie transformacji układu rzeczywistego: czwórnik sprzężenia V B1 ≈ VCC czwórnik sprzężenia R1 R2 podstawowy wzmacniacz napięciowy RS vi' R2 RL v' o v' i v' f vo ' Af = v' o (2) IC2 ≈ I E2 = czwórnik sprzężenia B= VB1 − 0,7V RE1 VCE1 = VCC − (RC1 + RE1 )I C1 VB 2 = VCC − RC1 I C1 vo ' (3) (4) VB 2 − 0,7V RE 2 (5) VCE 2 = VCC − (RC 2 + R E 2 )I C 2 Rys. 6. Posumowanie przekształceń. A' = (1) I C1 ≈ I E1 = R1 vf' RB 2 R B1 + R B 2 (6) 4.3. Analiza małosygnałowa dwustopniowego wzmacniacza z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego – układ nr A. vo A' = v s 1 + A' B 4.2. Analiza dwustopniowego wzmacniacza z napięciowoszeregowym ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Punkty pracy każdego tranzystora, należy wyznaczyć przy założeniu, że prąd stały bazy IB jest pomijalnie mały oraz że napięcie baza-emiter VBE jest stałe i wynosi 0.7V. B środek pasma: Zastępczy schemat małosygnałowy z zakresie średnich częstotliwości (w paśmie przepustowym) jest tworzony przy założeniu, że pojemności sprzęgające i bocznikujące stanowią zwarcie dla sygnałów zmiennych, natomiast pojemności pasożytnicze tranzystora są rozwarciem. Napięcie zasilania, ponieważ ma stały potencjał, jest również traktowane jako masa. Cμ Cμ B vπ rπ C π C B C re Cπ g m vπ α ie ie E E Rys. 7. Małosygnałowe schematy zastępcze typu π i typu T tranzystora bipolarnego. W analizie małosygnałowej należy Parametry modelu małosygnałowego: gm = IC , VT rπ = β gm , α= przyjąć β β +1 , VT=25mV. re = rπ , β +1 gm Cπ = − Cμ 2π ⋅ f T 4.2.1 Punkt pracy Punkt pracy liczony jest przy zaniedbaniu prądu bazy. Punkt pracy jest identyczny dla układu z otwartą i zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego Rys. 10. Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza dla środka pasma. Rezystancję wejściową i wyjściową wyznacza się z rys.10: Rin = RB1 RB 2 ( re1 + RE1 )( β1 + 1) (7) Rout = RC 2 (8) natomiast wzmocnienie małosygnałowe (rys.10): vo v v i v = o π 2 e1 i v s vπ 2 ie1 vi v s vo α ( RC1 || rπ 2 ) Rin = g m 2 (RC 2 R L ) vs re1 + R E1 Rin + RS (9) (10) wysokie częstotliwości: Częstotliwość graniczna górna wyznaczona jest w oparciu o stałe czasowe powiązane z odpowiednimi pojemnościami 2-4 pasożytniczymi. Każdą stałą czasową liczy się jako iloczyn pojemności i rezystancji widzianej z zacisków tej pojemności. Poszczególne stałe czasowe wynoszą: ( ) τ L1 = C C1 R S + R B1 R B 2 (( β 1 + 1) R E1 + rπ 1 ) ⎛ rπ 2 + RC1 ⎞ ⎟ β 2 + 1 ⎟⎠ τ L 2 = C E 2 ⎜⎜ R E 2 τ L3 (21) (22) ⎝ = CC 2 (RC 2 + RL ) (23) Przybliżona częstotliwość graniczna dolna może być określona wzorem: Rys. 11. Zastępczy schemat małosygnałowy dla wyznaczenia częstotliwości granicznej górnej. f L3dB ≈ Korzystając z twierdzenia Millera można zamienić pojemność Cμ tranzystora na pojemności CMi i CMo: C Mi1 ⎛ r g ( R || r ) ⎞ = C μ1 ⎜⎜1 + π 1 m1 C1 π 2 ⎟⎟ = rπ 1 + R E1 ( β 1 + 1) ⎠ ⎝ ⎛ R || r ⎞ = C μ1 ⎜⎜1 + C1 π 2 ⎟⎟ r e1 + R E1 ⎠ ⎝ ⎛ r + RE 1 ⎞ ⎟⎟ C Mo1 = Cμ1 ⎜⎜1 + e1 ⎝ RC1 || rπ 2 ⎠ C Mi 2 = C μ 2 (1 + g m 2 RC 2 || R L ) (13) (14) Teraz można łatwo wyznaczyć stałe czasowe związane z poszczególnymi pojemnościami: + 1 ⎛ R S R B1 R B 2 + R E1 ⎞ ⎟ ⎜ ⎟ 1 g R + m1 E1 ⎝ ⎠ = (C Mo1 + C Mi 2 + Cπ 2 ) ⋅ (RC1 rπ 2 ) RB2 1 Na rys. 14 przedstawiony jest schemat wzmacniacza dla sygnałów zmiennych w środku pasma przepustowego. (20) 2π ⋅ τ H2 1 + τ H2 2 + τ H2 3 + τ H2 4 RS C C1 C C2 R E 1 RE2 g m2v π2 RC2 RL RL R out RF vs RB2 vo Q2 Q1 Rof R E1 Rys. 14. Schemat wzmacniacza z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego dla sygnałów zmiennych w środku pasma przepustowego. Układy A i B przedstawione są na rys. 15 i 16. vo R B1 Q1 C E2 Rys. 12. Zastępczy schemat małosygnałowy wzmacniacza dla częstotliwości niskich. RC2 R C1 RB1 R in RS niskie częstotliwości: Częstotliwość graniczna dolna wyznaczona jest w oparciu o stałe czasowe powiązane z odpowiednimi pojemnościami sprzęgającymi lub bocznikującymi (licząc stałe czasowe dla każdej z pojemności, pozostałe należy traktować jako zwarcie). Pojemności pasożytnicze traktuje się jako rozwarcia. vπ2 RE2 CE2 Rys. 13. Schemat wzmacniacza z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego z zaznaczonymi miejscami przerwania pętli dla wyodrębnienia układu podstawowego A i czwórnika sprzężenia B. R if rπ2 RL RE1 ale lepiej zastosować wzór dokładniejszy: rπ1 vo RF (19) 2π ⋅ (τ H 1 + τ H 2 + τ H 3 + τ H 4 ) R C1 CC2 (17) 1 vπ1 gm1vπ1 R C2 Q2 Q1 CC1 vs Przybliżona częstotliwość graniczna górna może być określona wzorem: R B1||RB2 (25) RC1 R B1 RS (18) vs 1 τ L23 (16) τ H 4 = C Mo 2 ⋅ (RC 2 RL ) f H 3dB ≈ + τ L22 CF τ H 2 = Cπ 1 ⎜ rπ 1 f H 3dB ≈ 1 τ L21 Na rys. 13 przedstawiony jest schemat wzmacniacza. Sprzężenie zwrotne działa tylko dla sygnałów zmiennych z powodu pojemności CF , która ze względu na bardzo dużą wartość nie ma żadnego wpływu na charakterystyki częstotliwościowe układu. Na rysunku określono miejsca przerwania pętli sprzężenia zwrotnego dla wyodrębnienia wzmacniacza podstawowego A i czwórnika sprzężenia B. V CC τ H 1 = C Mi1 ⋅ (R B1 R B 2 || R S || ( re1 + R E1 )( β 1 + 1) ) (15) τ H3 1 2π 4.4. Analiza małosygnałowa dwustopniowego wzmacniacza z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego – układ B,C. (12) ⎛ ⎞ 1 ⎟ C Mo 2 = C μ 2 ⎜1 + ⎜ g m 2 RC 2 R L ⎟⎠ ⎝ (24) ale lepiej zastosować wzór dokładniejszy: f L3dB ≈ (11) ⎛ 1 1 1 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ + + ⎝ τ L1 τ L 2 τ L3 ⎠ 1 2π vi R B2 RC2 R C1 Q2 vo 2-5 Rin = ( Rif − RS ' ) RB1 RB 2 Rys. 15. Wzmacniacz podstawowy – układ A. vf ' Rezystancja wyjściowa układu bez sprzężenia (liczona dla układu zmodyfikowanego A’): RF vo RE1 (34) ' RO = R C 2 R L ( R E 1 + R F ) Rys. 16. Czwórnik sprzężenia zwrotnego – układ B. B= v' f v 'o = RE1 RE 1 + RF (26) R1 = h11 = R E1 R F (27) 1 = RE1 + RF h22 R2 = (28) RS ' RO R C2 Q2 Q1 vo' R Rof = h11 RE1 RF ze sprzężeniem RO (1 + A' B ) (36) Rezystancja wyjściowa rzeczywistego układu ze sprzężeniem: ⇒ Rout = Rof R L R L − Rof (37) 5. Pomiar rezystancji wejściowej Rezystancję wejściową mierzy się wykorzystując dodatkowy rezystor RS' włączony szeregowo z rezystancją wewnętrzną RL F v i' Rezystancja wyjściowa układu (przekształconego do struktury idealnej): 1 1 1 = + Rof Rout R L RC1 Ri (35) generatora RS. Podczas normalnej pracy jest on zwierany przełącznikiem umieszczonym na płycie czołowej. Po 1/h22 RE1 naciśnięciu przycisku oznaczonego Rin następuje dołączenie rezystora RS' w szereg z RS, co powoduje zmniejszenie wzmocnienia. Rys. 17. Układ zmodyfikowany A’. Rys. 19. Metoda pomiaru rezystancji wejściowej wzmacniacza. Rys. 18. Model małosygnałowy układu A’. Oznaczając jako Ponieważ pętla sprzężenia zwrotnego nie obejmuje dzielnika RB1 i RB2 to włączamy go do rezystancji źródła Thevenina: R S ' = R B1 R B 2 R S (29) Wzmocnienie układu zmodyfikowanego jest określone wzorem: A' = ⋅ vo ' α ( R || r ) = g m 2 (RC 2 RL ( RE1 + RF ) ) 1 C1 π 2 ⋅ re1 + RE1 RF vi ' ( re1 + RE1 RF )( β1 + 1) v0 ' = K ⋅ (30) Wzmocnienie układu ze sprzężeniem wynosi więc: vo A' = v s 1 + A' B (31) Rezystancja wejściowa układu bez sprzężenia (liczona dla układu zmodyfikowanego A’): Ri = R S ' + ( β 1 + 1)( re1 + R E1 R F ) Rezystancja wejściowa układu (przekształconego do struktury idealnej): Rif = Ri (1 + A' B ) (32) ze sprzężeniem (33) Rezystancja wejściowa rzeczywistego układu ze sprzężeniem: Rin ⋅ vs Rin + R S + R S ' v 0 Rin + R S + R S ' = v0 ' Rin + R S Rin = ( re1 + RE1 RF )( β1 + 1) + RS ' Af = vo oraz vo' odpowiednio napięcia wyjściowe przy zwartym i rozwartym rezystorze RS' otrzymujemy: Rin (38) v0 = K ⋅ ⋅ vs Rin + R S v0 ' ⋅ R S '− R S v0 − v0 ' (39) (40) (41) 6. Pomiar rezystancji wyjściowej wzmacniaczy Rezystancję wyjściową mierzy się wykorzystując dodatkowy rezystor R L ' włączany równolegle z rezystancją obciążenia R L wzmacniacza. Podczas normalnej pracy R L ' jest odłączony. W czasie pomiaru rezystancji dołącza się go przełącznikiem umieszczonym na płycie czołowej i oznaczonym Rout . Po naciśnięciu przycisku następuje dołączenie rezystora RL’, co powoduje zmniejszenie wzmocnienia. R in A B układ C Rout 2-6 51kΩ 6.2kΩ 8.2kΩ 560Ω 2.2kΩ 1.2kΩ 5.1kΩ 18kΩ 36kΩ 2kΩ 1kΩ 6.8μF 680nF Literatura: [1] Z. J. Staszak, J. Glinianowicz, D. Czarnecki „Materiały pomocnicze do przedmiotu Układy Elektroniczne Liniowe”. [2] A. Guziński, „Linowe elektroniczne układy analogowe” WNT 1992. [3] A. Filipkowski, „Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe”, WNT 1978. WYJŚCIE Vcc vo RL Bufor Ro u t CE2 RE2 RFC CF RFB C B WEJŚCIE RE1 RB2 vs 200 4.5pF 150MHz +12V SIEĆ Wartość β1,2 Cμ1,2 fT1,2 VCC RB1 RB2 RC1 RE1 RC2 RE2 RL RFB RFC RS’ RL’ ,RS CC1, CC2 CE2 RS Parametr RS ' 7. Parametry tranzystorów i dane elementów: Bufor (44) RL RL ⋅ RL ' RL ⋅ v0 ' − RL ' v0 − v0 ' Q2 Rout = A (4) Q1 v 0 ' ( R L || R L '+ Rout ) v 0 ( R L + Rout ) = R L || R L ' RL RB1 (43) CC1 R L || R L ' ⋅ vs R L || R L '+ Rout RI N v0 ' = K ⋅ CC2 (42) RC2 RL ⋅ vs R L + Rout RC1 v0 = K ⋅ 12V 13V 11V vo oraz vo‘ odpowiednio napięcia wyjściowe przy rozwartym i zwartym rezystorze otrzymujemy: VCC Oznaczając jako UJEMNE SPRZĘŻENIE ZWROTNE Rys. 20. Metoda pomiaru rezystancji wyjściowej wzmacniacza.