Laboratorium układów elektronicznych Zasilanie i
Transkrypt
Laboratorium układów elektronicznych Zasilanie i
Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer 1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych Zagadnienia do przygotowania • Układy zasilania tranzystorów bipolarnych • Wpływ temperatury na podstawowe parametry tranzystora bipolarnego • Współczynniki stabilizacji prądu kolektora • Układ lustra prądowego • Zasilanie tranzystorów unipolarnych • Zasilanie dwubramkowych tranzystorów MOSFET Literatura [1]. Guziński A., Liniowe elektroniczne układy analogowe, WNT, Warszawa 1993. [2]. Kuta S., Elementy i układy elektroniczne, cz.I. AGH UWND, Kraków 2000. [3]. Nosal Z., Baranowski J., Układy elektroniczne cz.I. Układy analogowe liniowe. WNT, Warszawa 1998. Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych 1. Układy zasilania tranzystorów bipolarnych Ogólny układ zasilania tranzystora bipolarnego n-p-n pokazano na rys. 1, a jego równoważny schemat zastępczy dla prądu stałego na rys. 2. Wartości rezystorów i napięć zasilających dwubateryjny układ zastępczy z rys. 2 określają poniższe wzory: R6 R1 R5 R3 UCE R2 EC UBE IE EB R4 Rys.1. Schemat ogólnego układu zasilania tranzystora bipolarnego n-p-n. RB = R3 + R1 R2 R1 + R2 + R6 1.1 R E = R4 + R 2 R6 R1 + R2 + R6 1.2 RC = R5 + R1 R6 R1 + R2 + R6 1.3 E BB = R1 + R6 R2 EB EC + R1 + R2 + R6 R1 + R2 + R6 1.4 ECC = R6 R1 + R2 EB EC + R1 + R2 + R6 R1 + R2 + R6 1.5 Znając wartości elementów dwubateryjnego układu zastępczego z rys. 2, prąd kolektora IC można obliczyć ze wzoru (1.6), Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 2 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych RC IC RB IB UCE ECC UBE IE EBB RE Rys. 2. Dwubateryjny układ zasilania tranzystora bipolarnego. IC = β 0 ( E BB − U BE ) + ( β 0 + 1)( RB + RE ) I CB 0 RB + ( β 0 + 1) RE 1.6 gdzie: β0 - stałoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego ICB0 - prąd zerowy tranzystora gdy IE = 0 (w tranzystorach germanowych jest to prąd nasycenia IS złącza baza – kolektor, a w tranzystorach krzemowych jest to prąd generacji termicznej Ig złącza baza – kolektor). a napięcie kolektor emiter UCE ze wzoru (1.7): U CE = ECC − RC I C − RE I E Prąd emitera IE 1.7 IE = IB + IC wynosi: β +1 β + 1 I C − 0 I CB 0 I E = 0 β β 0 0 1.8 Uwzględniając zależności (1.7) i (1.8) napięcie kolektor emiter UCE wyniesie: U CE = ECC + β0 + 1 β +1 RE I CB 0 − I C RC + 0 RE β0 β0 Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 1.9 3 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych Jak wynika ze wzoru (1.6), przy stałym napięciu zasilania prąd kolektora jest funkcją trzech parametrów tranzystora bipolarnego: UBE , β0, ICB0 : I C = f (U BE , β 0 , I CB 0 ) 1.10 Zmiany punktu pracy tranzystora mogą być spowodowane wpływem temperatury, starzeniem się rezystorów lub rozrzutem produkcyjnym parametrów tranzystora. Różniczka zupełna funkcji (1.10) wynosi: dI C = ∂I C ∂I ∂I C dI CB 0 dU BE + C dβ 0 + ∂I CB 0 ∂β 0 ∂U BE 1.11 Zastępując różniczkę zupełną skończonymi przyrostami, otrzymamy: ∆I C = S u ∆U BE + S β ∆β 0 + S i ∆I CB 0 gdzie: SU = ∂I C , ∂U BE Sβ = ∂I C , ∂β 0 SI = 1.12 ∂I C . ∂I CB 0 Pochodne cząstkowe prądu kolektora IC nazywane są współczynnikami stabilizacji prądu kolektora. Im współczynniki stabilizacji SU,, Sβ, SI są mniejsze tym lepsza jest stabilizacja prądu kolektora IC (zmiany ∆I C są mniejsze). Dla układu dwubateryjnego z rys. 2 współczynniki te wynoszą: β0 RB + ( β 0 + 1) RE 1.13 ( β 0 + 1)( RB + RE ) RB + ( β 0 + 1) RE 1.14 Su = − Si = W krzemowych tranzystorach prąd zerowy ICB0 jest bardzo mały i możemy go pominąć we wzorach (1.6), (1.8) i (1.9) otrzymamy wówczas: IC ≅ β 0 ( E BB − U BE ) RB + ( β 0 + 1)( RB β +1 U CE ≅ ECC − I C RC + 0 RE β0 Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 1.15 1.16 4 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych Obliczając pochodną cząstkową ∂I C ∂β 0 zależności (1.15) otrzymamy współczynnik stabilizacji prądu kolektora Sβ: Sβ ≅ RB + RE β 0 R B + ( β 0 + 1) RE 1.17 IC W praktyce inżynierskiej stosuje się prostsze układy zasilania niż układ pokazany na rys. 1. Tranzystory bipolarne zasilane są najczęściej z jednej baterii. Układy te pokazano na rysunkach 3 ÷ 8. Układ z rysunku 3 możemy potraktować jako układ dwubateryjny z rysunku 2, w którym EBB = EC, RB = R1, RE = 0, stąd podstawiając te dane do wzoru (1.6) otrzymujemy wzór (1.18) na prąd kolektora Ic. IC = β 0 ( EC − U BE ) + ( β 0 + 1) I CB 0 R1 R1 1.18 EC R1 RC Rys. 3. Układ zasilania stałym prądem bazy. Jak widać z powyższego wzoru prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do stałoprądowego współczynnika wzmocnienia prądowego β0, co może znacznie zmieniać punkt pracy tranzystora. Układ ten jest szczególnie wrażliwy na zmiany β0 tranzystora. Rezystor R1 w tym układzie polaryzacji jest rzędu megaomów. Tak duże rezystory nie są realizowalne w układach monolitycznych. Układ zasilania ze sprzężeniem kolektorowym pokazano na rys. 4. Napięciowe sprzężenia zwrotne przez rezystor RF stabilizuje napięcie UCE. Wzrost tego napięcia Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 5 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych powoduje zwiększenie prądu bazy IB, wzrośnie więc prąd kolektora IC, co spowoduje zmniejszenie napięcia kolektor emiter Uce. Dla układu z rysunku 4 możemy napisać : E C = RC ( I C + I B ) + R F I B + U BE 1.19 I C = β 0 I B + ( β 0 + 1) I CB 0 1.20 Eliminując z układu równań (1.19), (1.20) prąd bazy IB, otrzymamy wzór (1.21) na prąd kolektora IC w układzie z rys.4. EC RC RF Rys. 4. Układ zasilania ze sprzężeniem kolektorowym. IC = β 0 ( EC − U BE ) + ( β 0 + 1)( RF + RC ) I CB 0 RF + ( β 0 + 1) RC 1.21 Układ z rysunku 5 możemy traktować jako układ dwubateryjny, w którym EBB = EC, RB = R1 , stąd podstawiając te dane do wzoru (1.6) otrzymujemy wzór (1.22) na prąd kolektora Ic. IC = β 0 ( EC − U BE ) + ( β 0 + 1)( R1 + RE ) I CB 0 R1 + ( β 0 + 1) RE Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 1.22 6 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych EC R1 RC RE Rys. 5. Układ zasilania stały prądem bazy i ze sprzężeniem emiterowym. W układzie polaryzacji tranzystora z rys. 5 sprzężenie zwrotne prądowe poprzez rezystor RE stabilizuje prąd emitera IE. Wzrost prądu emitera zmniejszy napięcie UBE, zmaleje prąd bazy i zmniejszy prąd emitera. Układ polaryzacji tranzystora z rys. 6 nie jest objęty sprzężeniem zwrotnym i ma podobne właściwości jak układ z rysunku 3. Jest on szczególnie wrażliwy na zmiany stałoprądowego współczynnika wzmocnienia prądowego β0. Prąd kolektora obliczamy ze wzoru (1.23): EC R1 RC R2 Rys. 6. Potencjometryczny układ zasilania bez sprzężenia emiterowego. Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 7 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych IC = β 0 ( E BB − U BE ) + ( β 0 + 1) RB I CB 0 RB 1.23 gdzie: RB = Potencjometryczny układ R1 R2 R2 , a E BB = EC . R1 + R2 R1 + R2 zasilania z rys. 7 ze sprzężeniem emiterowym stabilizuje prąd emitera i jest najczęściej stosowany w układach dyskretnych. EC RC R1 R2 RE Rys. 7. Potencjometryczny układ zasilania ze sprzężeniem emiterowym. Prąd kolektora określa wzór (1.24): IC = β 0 ( E BB − U BE ) + ( β 0 + 1)( RB + RE ) I CB 0 RB + ( β 0 + 1) RE 1.24 gdzie: RB = R2 R1 R2 , a E BB = EC R1 + R2 R1 + R2 Układ potencjometryczny ze sprzężeniem emiterowym i kolektorowym pokazano na rys. 8. Prąd kolektora układu z rys. 8 można obliczyć ze wzoru (1.6) zastępując ten układ równoważnym układem dwubateryjnym, obliczając wartości rezystorów: RB , RE, RC , oraz wartości napięć zasilających EBB, ECC i podstawiając je do wzoru (1.6). E BB = R2 EC R F + R2 + Rc ECC = R F + R2 EC R F + R2 + Rc Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 8 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych RB = R F R2 RF + R2 + Rc RC = R E = Re + R 2 Rc R F + R2 + Rc RF Rc RF + R2 + Rc EC Rc RF R2 Re Rys. 8. Potencjometryczny układ zasilania ze sprzężeniem emiterowym i kolektorowym. W układach scalonych unika się stosowania rezystorów ze względu na rozrzuty produkcyjne wartości rezystancji, ponadto zakres wartości rezystancji wytwarzanych ograniczony jest do kilkudziesięciu kiloomów. Dlatego rezystory zastępuje się źródłami prądowymi. Rezystory pracujące jako obciążenia zastępuje się tranzystorami będącymi obciążeniami dynamicznymi. Na rys. 9a pokazano układ lustra prądowego wykorzystywanego bardzo często do zasilania tranzystorów w układach scalonych. Jeżeli tranzystory są identyczne to dla tego układu można napisać: E C = ( I C + 2 I B ) R1 + U BE 1.25 I C = β 0 I B + ( β 0 + 1) I CB 0 ) 1.26 oraz: Rozwiązując układ równań (1.25), (1.26) otrzymamy: IC = β 0 ( EC − U BE ) + 2( β 0 + 1) R1 I CB 0 ( β 0 + 2) R1 Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 1.27 9 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych Gdy wymagane są małe prądy źródła i mała wrażliwość źródła prądowego na zmiany napięcia zasilającego stosuje się w układach scalonych stałoprądowe źródło Widlara z rys.9b. Prąd tego źródła wynosi [1]: IC2 = I E UT U ln C1 ≈ T ln C RE I C 2 RE R1 I C 2 a) EC IC 2IB b) EC RC R1 IC IC1 R1 1.28 RC IC2 IB1+IB2 T1 T2 IB T1 IB T2 IB1 UBE IB2 UBE RE Rys. 9. Źródła stałoprądowe: a – lustro prądowe, b – źródło Widlara. Współczynniki stabilizacji prądu kolektora dla lustra prądowego wynoszą: Su = − β0 ( β 0 + 2) R1 1 R1 1.29 2( β 0 + 1) ≈2 ( β 0 + 2) 1.30 2I C 2I R ≈ β0 + 2 β0 + 2 1.31 Si = Sβ ≅ ≈− 2. Układy zasilania tranzystorów unipolarnych 2.1. Wstęp Zasadnicze różnice układów zasilania występują między tranzystorami MOSFET pracującymi z kanałem wzbogacanym a tranzystorami JFET i MOSFET pracującymi ze zubożaniem. Projektowanie takich układów zasilania przedstawiono w pracy [1]. Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 10 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych 2.2. Układy zasilania tranzystorów MOSFET z kanałem wzbogacanym +UDD R1 RD +UDD R1 UDS. RD R3 UDS UGS UGS R2 R2 RS RS Rys. 10. Układy zasilania tranzystorów MOSFET z kanałem n wzbogacanym. Układy zasilania tranzystorów MOSFET z kanałem wzbogacanym n i p pokazano na rysunkach 10 i 11. Tranzystory te pracujące w zakresie nasycenia (pentodowym), wtedy gdy napięcie dren źródło UDS jest większe od różnicy napięć bramka źródło i napięcia progowego UT tj. UDS > UGS – UT posiadają jednakowe znaki napięć UDS i UGS , zatem mogą być zasilane z jednej baterii. Napięcia UDS. i UGS są dodatnie w tranzystorach z kanałem n i ujemne w tranzystorach z kanałem p. Tranzystory MOSFET charakteryzują się dużym rozrzutem produkcyjnym parametrów i dlatego zasila się je układami potencjometrycznymi z rezystorem źródłowym RS. Układy zasilania podobne są do układów zasilania tranzystorów bipolarnych. zastąpić EGG = układem dwubateryjnym w Układy z rysunków 10 i 11 można RGG = R1 R2 , R1 + R2 którym: EDD = UDD,: R2 U DD . R1 + R2 Punkt pracy tych tranzystorów dla IG = 0 opisany jest układem dwóch równań: Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 11 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych E GG = U GS + RS I D 1.32 U DD = U DS + ( R D + RS ) I D 1.33 stąd punkt pracy określają wzory (1.32) i (1.33): ID = EGG −UGS RS 1.32 R U DS = U DD − ( RD + RS ) I D = U DD − ( EGG − U GS ) D + 1 RS gdzie: EGG = 1.33 R2 U DD . R1 + R2 -UDD R1 RD -UDD R1 RD UDS. UDS. UGS. UGS. R2 RS R2 RS Rys. 11. Układy zasilania tranzystorów MOSFET z kanałem p wzbogacanym. 3. Układy zasilania tranzystorów JFET i MOSFET z kanałem zubażanym W tranzystorach JFET i MOSFET z kanałem zubażanym napięcia UDS i UGS mają różne znaki, zatem mogą być zasilane układami dwubateryjnymi (rys.12) lub układami z automatycznym minusem (tranzystory JFET i MOSFET z kanałami n ) automatycznym plusem (tranzystory JFET i MOSFET z kanałami p) Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska rys. 13 lub z rys. 14, czy też 12 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych układami potencjometrycznymi z rezystorem źródłowym jak pokazano na rysunku 15. W układach dwubateryjnych z rys. 12, zgodnie z zaznaczonymi kierunkami napięć UGS, UDS i prądu drenu ID punkt pracy opisują dwa równania: E GG = U GS − RS I D 1.34 E DD = U DS + ( R D + RS ) I D 1.35 ID RD ID RG RD RG UDS UDS EGG EDD EGG UGS EDD UGS RS RS kanał n ID RD ID RG RD RG UDS. UDS. EDD EGG UGS EGG RS UGS EDD RS kanał p Rys. 12. Dwubateryjne układy zasilania tranzystorów JFET i MOSFET z kanałem zubażanym. W układach z rys. 13 (automatyczny minus) i rys. 14 (automatyczny plus) zgodnie z zaznaczonymi kierunkami napięć punkt pracy tranzystora opisują równania (1.34) i (1.35) jeżeli uwzględnimy fakt, że EGG = 0, otrzymamy wówczas: U GS = R S I D 1.36 E DD = U DS + ( R D + RS ) I D 1.37 Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 13 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych Przy dużych rozrzutach produkcyjnych parametrów tranzystorów JFET i MOSFET stosuje się zmodyfikowany układ potencjometryczny z rys. 15. Rezystor R3 zwiększa jedynie rezystancje wejściową układu, nie wpływa na punkt pracy tranzystora. UDD UDD RD RD UDS. UDS. UGS. UGS. RG RS RG RS Rys 13. Układy zasilania tranzystorów JFET i MOSFET z automatycznym minusem. - UDD RD - UDD RD UDS. UDS. UGS. RG UGS. RS RG RS Rys 14. Układy zasilania tranzystorów JFET i MOSFET z automatycznym plusem. Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 14 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych W praktyce najczęściej stosowane są układy polaryzacji tranzystorów z ujemnym sprzężeniem zwrotnym dla prądu stałego: - układ z ze stałym prądem bazy i ze sprzężeniem emiterowym, -.układ potencjometryczny ze sprzężeniem emiterowym (źródłowym w tranzystorach unipolarnych ), - układ ze sprzężeniem kolektorowym R1 RD R1 RD ID ID R3 R3 UDS. UDS. ED ED UGS UGS R2 R2 RS RS RD R1 R3 R1 ID RD R3 ID UDS UDS ED UGS ED UGS R2 RS RS Rys 15. Układ potencjometryczny zmodyfikowany do zasilania tranzystorów JFET i MOSFET z kanałem zubażanym. 4. Wzmacniacz w układzie wspólnego źródła Chcąc obliczyć parametry wzmacniacza należy tranzystor JFET zastąpić liniowym modelem małosygnałowym. Model ten pokazano na rys.16. Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 15 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych G D Cgd Cgs gmUgs ~ Cds gds Rys. 16. Model liniowy tranzystora JFET dla małych sygnałów Macierz admitancyjna [y] tego modelu po uziemieniu źródła podano poniżej. − jωC gd jω (C gs + C gd ) [ y] = g ds + jω (C ds + C gd ) g m − jωC gd 4.1 W zakresie średnich częstotliwości otrzymamy następująca macierz [y]: 0 g ds 0 [ y] = g m 4.2 ponieważ kondensatory Cgs , Cgd , Cds są bardzo małe i można je pominąć. Schemat wzmacniacza na tranzystorze BF 245B z rysunku 20 w zakresie AC2 pokazano na rysunku 17, na którym tranzystor JFET zamieniono trójnikiem o macierzy admitancyjnej [y] podanej wzorem (4.2). G Rgen R3 100 k U1 D [y] S RD U2 RL 10 k Eg ~ R1 R2 Rys. 17. Wzmacniacz w zakresie średnich częstotliwości jako czwórnik aktywny Macierz admitancyjna [Y] czwórnika oznaczonego na tym rysunku linią przerywaną jest następująca: Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 16 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych 1 R [Y ] = G g m 1 g ds + R D 0 gdzie : RG = 100kΩ + R1R 2 R1 + R 2 4.3 Znając macierz [Y] czwórnika możemy obliczyć wzmocnienie KU ze wzoru (4.4) KU = U2 Y21 gm =− =− = − g m ( Rds RD RL ) 1 1 U1 Y22 + YL g ds + + RD RL 4.4 Ponieważ rezystancja wyjściowa tranzystora Rds. jest na ogół dużo większa od równoległego połączenia rezystancji RD i rezystancji obciążenia RL, która jest na stałe wlutowana w makiecie pomiarowej wzmacniacza i wynosi 10 kΩ. Wzmocnienie wzmacniacza możemy obliczyć ze wzoru (4.5). Transkonduktancję gm tranzystora BF 245B należy wyznaczyć z charakterystyki przejściowej w punkcie pracy tranzystora. 4.5 K U ≅ − g m ( RD RL ) Impedancję wejściową można obliczyć ze wzoru (4.5) Z WE = 1 = YWE 1 Y Y Y11 − 12 21 Y22 + YL 4.5 W zakresie AC2 Y12 = 0, a Y11 = 1/RG, stąd rezystancja wejściowa wzmacniacza wyniesie: RWE = RG = 100kΩ + R1R 2 R1 + R 2 4.6 Podobnie rezystancja wyjściowa wzmacniacza wyniesie: Z WY = 1 = YWY 1 1 = = ( Rds R D ) ≈ R D Y12Y21 Y22 Y22 − Y11 + Yg 4.7 Wzmocnienie skuteczne wzmacniacza w zakresie średnich częstotliwości jest równe: KUSK = U2 RWE = KU Eg RWE + Rgen 4.8 Tak więc, jeżeli rezystancja wewnętrzna generatora sterującego wzmacniacz jest dużo mniejsza od 100 kΩ to wzmocnienia KU i KUSK będą prawie równe. Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 17 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych 5.Przebieg ćwiczenia 1. Ustawić napięcie zasilania makiety min. 15V 2. Zmierzyć woltomierzem cyfrowym napięcia na bazach, kolektorach i emiterach tranzystorów (T1÷T4) względem masy i wyznaczyć punkty pracy (UCEQ, ICQ ) tranzystorów (T1÷T4) w temperaturze otoczenia. 3. Włączyć grzanie układu scalonego i po upływie około 3 min zmierzyć ponownie woltomierzem cyfrowym napięcia na bazach, kolektorach i emiterach tranzystorów (T1÷T4) względem masy. 4. Wyznaczyć na podstawie pomiarów określić zmiany punktu pracy (∆UCEQ, ∆ICQ ) spowodowane wzrostem temperatury oraz zmiany ∆UBE tranzystora T1. 5. Przyrost temperatury podłoża ∆T = układu scalonego oszacować ze wzoru ∆U BE . − 2mV / K 6. Przyjmując β0 = 110 obliczyć na podstawie danych ze schematu elektrycznego współczynniki stabilizacji prądu kolektora SU, Si, Sβ oraz obliczyć ∆ICQ na podstawie wzoru: ∆ICQ = SU ∆UBE,+ Sβ ∆β0+ Si ∆ICB0. Składnik sumy Si ∆ICB0 pominąć. 6. Zmontować zaprojektowany układ zasilania tranzystora JFET zgodnie z własnym projektem zmierzyć woltomierzem cyfrowym napięcie UDS (dren – źródło) oraz napięcie zasilania i wyznaczyć punkt pracy tranzystora. 7. Zmierzyć wzmocnienie napięciowe KU oraz częstotliwość dolną i górną wzmacniacza z tranzystorem BF245. 8. Obliczyć wzmocnienie napięciowe KU. 9. Dla wzmacniacza z tranzystorem dwubramkowym zmierzyć zależność KU = f(UG2) przy częstotliwości generatora f = 100 kHz. Kolejność wykonywania ćwiczenia uzgodnić z prowadzącym. 5. Zadanie projektowe Zaprojektować potencjometryczny zmodyfikowany układ zasilania tranzystora BF 245B o następujących parametrach: napięcie zasilana: ED = 15 V, punkt pracy tranzystora : IDQ = 1, 2, 3, 4, 5 mA ∆IDQ= ± 10% ID UDSQ = 5, 6, 7, 8V Parametry tranzystora BF 245B Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 18 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych 6 mA ≤ IDSS ≤ 15 mA 1,9 V ≤ -UP ≤ 4,3 V 5.1 Przykład obliczenia układu zasilania tranzystora BF245B Równanie opisujące charakterystykę przejściową tranzystora JFET przedstawia wzór (1.38): U I D = I DSS 1 − GS UP 2 1.38 Stąd można obliczyć napięcie UGS jeżeli znane są wartości ID, IDSS i UP I D UGS = U P 1 − I DSS 1.39 I D2 UGS2 = UPmax1 − I DSSmax 1.40 Z rys.16 mamy: I D1 UGS1 = U P min1 − 1.41 I DSSmin Wstawiając dane tranzystora BF245B i dane z zadania projektowego IDQ = 1 mA, ∆IDQ= ± 10% IDQ oraz UDSQ = 5V do wzorów (1.41) i (1.41) mamy: I D2 = −4,3V 1− 1,1mA = −3,173V U GS2 = U P max1− I DSS max 16mA I D2 = −1,9V 1− 0,9mA = −1,164V U GS1 = U P min 1− I DSS min 6mA 1.42 1.43 Rezystor RS w gałęzi źródła obliczymy ze wzoru: RS = U GS2 −UGs1 − 3,173V +1,164V = = 10,045kΩ I D2 − I D1 1,1mA− 0,9mA 1.44 Przyjmujemy rezystor z szeregu E24 większy od obliczonego RS = 11kΩ. Spadek napięcia na rezystorze RS wyniesie URs = 1mA × 11kΩ = 11V Jeżeli do 11V dodamy UDSQ = 5V to otrzymamy 16V tj. więcej niż napięcie zasilania na płytce makiety, które wynosi 15V, zatem dla tych danych projektowych nie da się Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 19 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych zrealizować układu zasilającego z rysunku 19. Aby projekt był realizowalny należy zwiększyć napięcie zasilania o spadek napięcia na rezystorze RD lub wybrać inne dane do projektu np. IDQ = 1 mA, ∆IDQ= ± 20% IDQ oraz UDSQ = 6V. ID IDSSmax − 1 RS IDSSmin ID2 ID1 Upmax Upmin UGS2 UGS1 EGG Rys.18. Ilustracja sposobu doboru rezystora źródłowego RS przy rozrzucie produkcyjnym parametrów tranzystora JFET w układzie potencjometrycznym zmodyfikowanym z rys 15. Mamy wówczas: I D2 = 4,3V 1− 1,2mA = −3,122V U GS2 = U P max 1− 16mA I DSSmax I D2 = 1,9V 1− 0,8mA = −1,206V U GS1 = U P min 1− 6mA I DSSmin RS = U GS2 −UGs1 − 3,122V +1,206 = = 4,79kΩ I D2 − I D1 1,2mA− 0,8mA 1.45 1.46 1.47 Przyjmujemy rezystor z szeregu E24 większy od obliczonego RS = 5,1kΩ Rezystor RD będzie równy: RD = ED − UDSQ − I DQRS I DQ = 15V − 6V − 1mA⋅ 5,1k = 3,9kΩ 1mA Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 1.41 20 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych Pomijając prąd bramki IG ≈ 0 możemy obliczyć rezystory R1 i R2. Należy skorzystać z oczywistych zależności: E GG = U R 2 = U RS + U GSQ = U RS + U GS 2 + U GS1 − 3,122 − 1,206 = 5,1V + V = 2,936V 2 2 1.48 R2 ED = R1 + R2 1.49 oraz: U R2 = E R 1+ 1 R2 Stąd: R1 E 15V = D −1 = − 1 = 4,109 R2 U R 2 2,936V 1.50 Przyjmując np. R1 =.110kΩ otrzymujemy = 26,771kΩ ≈ 27k z szeregu E24. Schemat makiety pomiarowej z tranzystorami bipolarnymi pokazano na rys. 19. Dwa układy scalone UL 1111 (LM 3086) zawierają po pięć tranzystorów. Jeden z tranzystorów w układzie wtórnika emiterowego służy do podgrzewania podłoża układu scalonego. Pozostałe cztery tranzystory z każdego układu scalonego wykorzystano do budowy różnych układów zasilania tranzystorów. Punkty pracy tranzystorów w temperaturze pokojowej we wszystkich układach są podobne ICQ ≈ 1mA, UCEQ ≈ 4,5 V. Wszystkie tranzystory zasilane są napięciem stabilizowanym 12V, a statyczna prosta pracy jest taka sama we wszystkich układach polaryzacji. Makieta pomiarowa z tranzystorami unipolarnymi (rys. 20) zawiera dwa wzmacniacze w konfiguracji wspólnego źródła, jeden na tranzystorze BF 245 a drugi na tranzystorze dwubramkowym BF 961. Elementy układu polaryzacji tranzystora BF 245 rezystory R1, R2, RD, RS należy obliczyć w ramach zadania projektowego i zamontować w makiecie. Pozostałe elementy wzmacniaczy są na płytce drukowanej makiety Wzmacniacz na tranzystorze dwubramkowym BF 961 możemy traktować jako kaskodowe połączenie OS – OG dwóch tranzystorów MOS, ponieważ bramka górnego tranzystora jest zwarta do masy przez kondensator 47 nF. Wzrost napięcia UGS2 drugiej bramce zwiększa napięcie na dolnym tranzystorze na i wzmocnienie Ku wzmacniacza rośnie (zwiększa się |y21s|). Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 21 grzanie 2,33M 7,5k 7,5k 100k 7,5k 51k 5,1k 4,7k 430k T3 T4 T5 +12V T1 T2 6,8k 6,8k 20k 2,4k +15V 7812 240 UBE 11k 7,5k 1.8k 7,5k grzanie 4,7k T4 T5 T1 T2 +12V T3 7812 6,8k UBE 47 Rys. 19. Schemat makiety pomiarowej z tranzystorami bipolarnymi +15V 240 Laboratorium układów elektronicznych Ćwiczenie numer:1 Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych i unipolarnych RD CF R1 10µF 100k BF 245B R3 R2 +15V 100µ 1µF RS +18V 7815 10k 20k 1k 10k 2,7k 47n 47n BF 961 +12V 4,7n +15V 7812 10k 100k 360 680n Rys. 20. Schemat makiety pomiarowej z tranzystorami unipolarnymi Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska 23