Ćwiczenie 6. Tranzystory biloparne. Układ OC

ĆWICZENIE 6
Tranzystory bipolarne.
Właściwości wzmacniaczy w układzie wspólnego kolektora.
I . Cel ćwiczenia
Badanie właściwości wzmacniaczy tranzystorowych pracujących w układzie wspólnego
kolektora.
II. Układ pomiarowy
Wszystkie pomiary należy wykonać z wykorzystaniem makiety: „Punkt pracy
tranzystora bipolarnego” przedstawionej na rysunku poniżej.
Tranzystory:
1. BD243C
2. BC547
3. BF258
4. 2N3055
Rys. 1. Makieta „Punkt pracy tranzystora bipolarnego”
Makieta wymaga zasilania z dwóch zasilaczy AC1 i AC2. Podczas wykonywania
pomiarów należy pamiętać o nieprzekraczaniu dopuszczalnych wartości napięć i prądów.
III. Przebieg ćwiczenia
1. Wyznaczyć parametry robocze wzmacniacza pracującego w konfiguracji wspólnego
kolektora – OC, (RC = 0, RE ≠ 0, RB ≠ ∞)
a) wyznaczyć analitycznie punkt pracy tranzystorów, do obliczeń przyjąć: napięcie
zasilania UCC = 15V, napięcie na przewodzącym złączu B-E UBE = 0,7 V, β – z
charakterystyki przejściowej tranzystorów; RN = 0, obliczenia przeprowadzić dla
wszystkich dostępnych wartości RB i RE;
b) na podstawie nachylenia dynamicznej prostej pracy oszacować wartość
niezniekształconego napięcia wyjściowego, do obliczeń przyjąć RL = 910 Ω,
c) do dalszej analizy wybrać układ o możliwie największej dynamice zmian
napięcia wyjściowego,
d) korzystając z informacji zawartych w punkcie IV analitycznie wyznaczyć
podstawowe parametry robocze wzmacniacza (rwe, rwy, ku, kus), do obliczeń
przyjąć: RG = 10 kΩ, RL = 910 Ω, parametry macierzy he – wyznaczone w
ćwiczeniu 3, lub skorzystać z zależności 7 i 8 przedstawionych w instrukcji do
ćwiczenia 3, punkt IV, przyjąć rbb’ = 0.
2. Pomiar podstawowych parametrów roboczych wzmacniacza pracującego
w konfiguracji wspólnego kolektora
a) ustawić położenie przełączników RC i RE tak, aby otrzymać wzmacniacz
w konfiguracji wspólnego kolektora,
b) przełącznikiem „sterowanie układu” wybrać generator zewnętrzy podłączony do
bazy tranzystora przez pojemność, podłączyć do wejścia generator przez rezystor
dekadowy symulujący rezystancję generatora RG = 10 kΩ,
c) do wyjścia układu dołączyć rezystor obciążający (równolegle do rezystora RE
przez pojemność) – obciążalnik rezystancyjny – RL = 910 Ω,
d) wybrać napięcie zasilania wzmacniacza: UCC, rezystor RB, rezystor RE tak aby
uzyskać założony w punkcie 1 punkt pracy.
e) zmierzyć napięcie UCEQ i IEQ
f) włączyć generator, częstotliwość pracy ustalić w paśmie przenoszenia
wzmacniacza,
g) regulując amplitudę sygnału z generatora określić wartość maksymalnej amplitudy
sygnału wyjściowego,
h) wyznaczyć wzmocnienie napięciowe wzmacniacza – ku (napięcie wejściowe
zmierzyć za rezystorem RG – patrząc od strony generatora)
i) wyznaczyć skuteczne wzmocnienie napięciowe wzmacniacza – kus (napięcie
wejściowe zmierzyć przed rezystorem RG – patrząc od strony generatora),
j) na podstawie znajomości ku i kus obliczyć rezystancję wejściową wzmacniacza
(punkt IV zależność 13),
k) wyznaczyć rezystancję wyjściową wzmacniacza rwy (punkt IV)
l) porównać wyniki eksperymentalne z teoretycznymi.
IV. Podstawowe wiadomości niezbędne do wykonania ćwiczenia
Konfiguracja OE daje najlepsze możliwości budowy wzmacniacza o dużym
wzmocnieniu, jednak nie zawsze jest to najważniejszy parametr, czasami ważniejsze są inne
szczególne właściwości, jak na przykład szerokie pasmo wzmacniacza, duża impedancja
wejściowa, niewielka impedancja wyjściowa [1].
Wzmacniacz z tranzystorem w konfiguracji wspólnego kolektora (rys. 2) nazywany jest
wtórnikiem emiterowym, ponieważ napięcie wyjściowe zbliżone jest do napięcia wejściowego
(wtóruje mu).
Rys. 2. Układ wzmacniacza tranzystorowego pracującego w konfiguracji wspólnego kolektora
W zakresie małych i średnich częstotliwości analiza układu może być wykonana
podobnie jak dla układu wspólnego emitera (OE), korzystając z macierzowego opisu
tranzystora. Możliwe jest użycie macierzy hc, ale wygodniej korzystać z macierzy he, której
wartości są zazwyczaj publikowane w katalogach producentów [1]. Podstawowe parametry
robocze wzmacniacza w układzie wspólnego kolektora przedstawiono poniżej:
rezystancja wejściowa wzmacniacza:
=
=ℎ
||
,
+ ℎ
(1)
+1
,
(2)
gdzie:
=
,
(3)
rezystancja wyjściowa wzmacniacza:
=
,
(4)
gdzie:
!′
# #$
=#
#$
,
(5)
wzmocnienie napięciowe:
%& = ℎ
+1
#'()
*+ ,
,
(6)
wzmocnienie napięciowe skuteczne:
%&- = %& #
*+
*+
= %& ..
(7)
Ze względu na niewielka rezystancję wyjściową i dużą rezystancję wejściową wtórnik
emiterowy nazywany jest niekiedy transformatorem impedancji, bo dostarcza praktycznie
napięcie biegu jałowego źródła ze znacznie niższą rezystancją wewnętrzną [2].
Wybór punktu pracy jest realizowany podobnie jak w układzie wspólnego emitera
z emiterowym sprzężeniem zwrotnym. Analityczne zależności pozwalające wyznaczyć punkt
pracy tranzystora:
I
0
=
122 3145
64 #
7
,
I80 = 9 0 :,
;8<0 = ;88 = 980
<.
(8-10)
Poniżej przedstawiono sposób pomiaru rezystancji wejściowej i wyjściowej
wzmacniacza.
Pomiar rezystancji wejściowej wzmacniacza
1.
Zwieramy rezystor RG (przewodem) modelujący rezystancję generatora, na wejście
wzmacniacza podajemy sygnał z generatora o częstotliwości z zakresu częstotliwości
średnich (np. 3 kHz) i amplitudzie nie powodującej zniekształceń obserwowanego na
oscyloskopie napięcia na wyjściu wzmacniacza (rys. 3).
Rys. 3. Schemat układ do pomiaru rezystancji wejściowej wzmacniacza
Następnie mierzymy wartość napięcia na wyjściu wzmacniacza Uwy1. Napięcie wejściowe
wzmacniacza, równe w tym przypadku sile elektromotorycznej generatora wyznaczamy
z zależności:
;
2.
>?@
?@ #+AB C
DE =
F+A
GH
.
(11)
Rozwieramy rezystancje RG i nie zmieniając amplitudy generatora ponownie mierzymy
wartość napięcia na wyjściu wzmacniacza Uwy2:
;
3.
=>
>?@
=>
?@ #+AB C #
DE =
F+A
GH
.
(12)
Z zależności 11 i 12 oraz znajomości relacji pomiędzy ku i kus otrzymujemy:
=
6I
JH
3
JHK
=
E L.
(13)
Pomiar rezystancji wyjściowej wzmacniacza
Rezystancję wyjściową wyznaczamy traktując wyjście wzmacniacza, jako źródło
napięcia Uwy o rezystancji wewnętrznej rwy równej rezystancji wyjściowej wzmacniacza.
Wykonujemy następujące pomiary:
1. Podłączamy rezystor obciążenia RL, podajemy na wejście wzmacniacza sygnał
z generatora o częstotliwości z zakresu częstotliwości średnich (np. 3 kHz) i amplitudzie
nie powodującej zniekształceń obserwowanego na oscyloskopie napięcia na wyjściu
(rys. 4). Mierzymy wartość napięcia wyjściowego Uwy1.
Rys. 4. Schemat układ do pomiaru rezystancji wyjściowej wzmacniacza
;
2.
3.
=
6M
>?N 6M
; %& .
(14)
Odłączamy rezystancję obciążenia. Nie zmieniając amplitudy sygnału wejściowego
mierzymy ponownie wartość napięcia na wyjściu wzmacniacza Uwy2.
Wyznaczamy rwy:
;
= ; %& .
1?N
= O1
?N
= 1P
(15)
Q.
(16)
V. Pytania kontrolne
1. Parametry robocze wzmacniacza w układzie wspólnego kolektora.
2. Zastosowanie wtórników emiterowych w układach elektronicznych.
3. Wyznaczanie rezystancji wejściowej i wyjściowej wzmacniaczy tranzystorowych.
Literatura
1.
2.
3.
4.
Z. Nosal, J. Baranowski, „Układy elektroniczne cz. I. Układy analogowe liniowe”, WNT Warszawa 1998
U. Tietze, Ch. Schenk, „Układy półprzewodnikowe”, WNT Warszawa 1996
A. Prałat [red.] „laboratorium układów elektronicznych. Część II”, Oficyna Wydawnicza PWr Wrocław 2001
A. Guziński, „Liniowe elektroniczne układy analogowe”, WNT Warszawa 1993