Ćwiczenie 5. Tranzystory bipolarne. Układ OE.

ĆWICZENIE 5
Tranzystory bipolarne.
Właściwości dynamiczne wzmacniaczy w układzie wspólnego emitera.
I . Cel ćwiczenia
Badanie właściwości dynamicznych wzmacniaczy tranzystorowych pracujących w
układzie wspólnego emitera. Dynamiczna prosta pracy. Wpływ sprzężenia zwrotnego na
właściwości wzmacniaczy.
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.
1
III. Przebieg ćwiczenia
1. Wyznaczyć parametry robocze wzmacniacza pracującego w konfiguracji wspólnego
emitera – OE, RE = 0, RC ≠ 0, RB ≠ ∞.
a) wyznaczyć analitycznie punkt pracy tranzystorów (zależności 2-4, punkt IV), do
obliczeń przyjąć: napięcie zasilania UCC = 15V, napięcie na przewodzącym złączu
B-E UBE = 0,7 V, UEY przyjąć wartość otrzymaną w ćwiczeniu 2, lub 100 V, φT =
26 mV, β – z charakterystyki przejściowej tranzystorów, obliczenia przeprowadzić
dla wszystkich tranzystorów oraz wszystkich kombinacji rezystorów zasilających
(przyjąć wartość rezystora RN = 0), sprawdzić czy tranzystor nie jest nasycony,
b) na podstawie nachylenia dynamicznej prostej pracy oszacować wartość
niezniekształconego napięcia wyjściowego, do obliczeń przyjąć RL = 5,1 kΩ,
c) korzystając z informacji zawartych w tabeli 1 wyznaczyć parametry tranzystora i
parametry robocze wzmacniacza, do obliczeń przyjąć RG = 50 Ω, obliczenia
wykonać tylko dla wzmacniaczy, w których tranzystor nie jest nasycony.
2. Pomiar wybranych parametrów roboczych wzmacniacza pracującego w układzie
wspólnego emitera
a) na podstawie obliczeń wykonanych w poprzednim punkcie, wybrać jedną
konfigurację wzmacniacza (typ tranzystora, jego punkt pracy)
b) ustawić odpowiednio wartości rezystorów polaryzujących, wartość napięcia
zasilania, tak aby tranzystor pracował w założonym punkcie pracy,
c) zewrzeć przewodem zaciski URN,
d) zmierzyć napięcie UCEQ oraz prąd ICQ i porównać z wartościami teoretycznymi,
e) obciążyć układ rezystancją RL = 5,1 kΩ – można wykorzystać dostępny na
stanowisku rezystor dekadowy, pod warunkiem, że nie zostanie przekroczony
maksymalny prąd; uwaga! rezystor ten należy podłączyć do zacisków:
HI-UCEQ oraz LO-URE,
f) podłączyć do układu generator drgań sinusoidalnych, amplitudę sygnału ustalić
tak, aby na wyjściu otrzymać niezniekształcony sygnał, częstotliwość dobrać w
paśmie przenoszenia wzmacniacza, czyli tak aby amplituda sygnału wyjściowego
była maksymalna przy zadanej amplitudzie sygnału wejściowego (w praktyce
około 1 – 10kHz),
g) do wejścia i wyjścia układu podłączyć oscyloskop,
h) wyznaczyć wzmocnienie napięciowe układu KU,
i) regulując amplitudę sygnału wejściowego określić maksymalną amplitudę sygnału
wyjściowego,
j) wyznaczyć częstotliwość graniczną fg (3 dB) wzmacniacza.
3. Wyznaczyć parametry robocze wzmacniacza z emiterowym sprzężeniem zwrotnym,
RE ≠ 0, RC ≠ 0, RB ≠ ∞.
a) dla tranzystora, który został wybrany w punkcie 2 wyznaczyć analitycznie punkt
pracy (zależności 5-7, punkt IV), do obliczeń przyjąć dane jak w punkcie 1.a,
obliczenia przeprowadzić dla wartości RC, RB ustawionych w punkcie 2 oraz
obydwu dostępnych wartości RE,
2
b) na podstawie nachylenia dynamicznej prostej pracy (zal. 1) oszacować wartość
niezniekształconego napięcia wyjściowego, do obliczeń przyjąć RL = 5,1 kΩ,
c) korzystając z informacji zawartych w tabeli 2 wyznaczyć parametry tranzystora i
parametry robocze wzmacniacza, do obliczeń przyjąć RG = 50 Ω, dla obydwu
wartości rezystancji RE.
4. Pomiar wybranych parametrów roboczych wzmacniacza z emiterowym sprzężeniem
zwrotnym
a) na podstawie obliczeń wykonanych w poprzednim punkcie, wybrać jedną
konfigurację wzmacniacza (punkt pracy),
b) ustawić odpowiednio wartości rezystorów polaryzujących, wartość napięcia
zasilania, tak aby tranzystor pracował w założonym punkcie pracy,
c) zewrzeć przewodem zaciski URN,
d) zmierzyć napięcie UCEQ oraz prąd ICQ i porównać z wartościami teoretycznymi,
e) obciążyć układ rezystancją RL = 5,1 kΩ,
f) podłączyć do układu generator drgań sinusoidalnych, amplitudę sygnału ustalić
tak, aby na wyjściu otrzymać niezniekształcony sygnał, częstotliwość dobrać w
paśmie przenoszenia wzmacniacza,
g) do wejścia i wyjścia układu podłączyć oscyloskop,
h) wyznaczyć wzmocnienie napięciowe układu,
i) regulując amplitudę sygnału wejściowego określić maksymalną amplitudę sygnału
wyjściowego,
j) wyznaczyć częstotliwość graniczną (3 dB) wzmacniacza.
IV. Podstawowe wiadomości niezbędne do wykonania ćwiczenia
Wybór punktu pracy wzmacniacza tranzystorowego (statyczne napięcie UCEQ oraz prąd
ICQ) ma decydujący wpływ na jego parametry dynamiczne. Charakter zależności parametrów
tranzystorów od punktu pracy powoduje, że przyjęcie określonych wartości napięć i prądów
polaryzujących jest często wynikiem kompromisu, np. pomiędzy wzmocnieniem i pasmem.
Nie istnieje jednoznaczna metoda określania optymalnego punktu pracy [1].
Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy schemat wzmacniacza pracującego w
konfiguracji OE. Do wejścia wzmacniacza dołączono źródło sygnału EG, o rezystancji
wewnętrznej RG. Do wyjścia wzmacniacza podłączono obciążenie RL. Odseparowanie źródła i
obciążenia od składowych stałych zapewniają odpowiednio kondensatory C1 i C2. W
zakresie średnich częstotliwości, gdzie pojemności C1 i C2 możemy potraktować jako
zwarcie, można zauważyć, że rezystancja obciążenia wzmacniacza jest równoległym
połączeniem RC i RL. Skutkiem tego prosta pracy, która dla sygnałów zmiennych nazywa się
dynamiczną prostą pracy jest bardziej stroma i jej nachylenie, w tym układzie określa
zależność:
= arctg
||
.
(1)
Większe nachylenie prostej dynamicznej powoduje wcześniejsze ograniczenie amplitudy
sygnału wyjściowego. Prosta dynamiczna przechodzi przez statyczny punkt pracy tranzystora,
ponieważ dla wejściowego sygnału sterującego równego zeru punkt pracy tranzystora
przyjmuje położenie UCEQ, ICQ (rys. 3).
3
Rys. 2. Układ wzmacniacza tranzystorowego pracującego w konfiguracji wspólnego emitera
Rys. 3. Rodzina charakterystyk wyjściowych tranzystora z naniesionymi prostymi pracy:
statyczną i dynamiczną
W ćwiczeniu 3 wyznaczone zostały parametry tranzystora w zależności od jego punktu
pracy. Parametry robocze wzmacniacza tranzystorowego, dla konfiguracji dostępnych w
laboratorium (rys. 2, rys. 4) przedstawiono poniżej.
Tab.1. Parametry wzmacniacza w układzie OE
Parametry tranzystora:
=
"
=
"' = "
'
= -. ||
'
= - ||
*+ = −
=
=
Parametry robocze:
+
2$%
−"
+ " (1 − *+ )
-/
*+01 = *+ 2+
2+ =
-/
%5 =
'
'
+ -3
= -4 ||
2$"'
1
'
'
||-3
4
Analityczne zależności pozwalające wyznaczyć punkt pracy tranzystora:
I. =
788 97:;
<:
, I
=
.
,
=
−
- .
(2-4)
Rys. 3. Układ wzmacniacza tranzystorowego z emiterowym sprzężeniem zwrotnym
Tab.2. Parametry wzmacniacza z emiterowym sprzężeniem zwrotnym
Parametry tranzystora:
Parametry robocze:
'
=
"
"' = "
=
*+ = −
+
=
2$%
788 97:;
: A B (CA
-/
+ - ( + 1)
≈−
-
*+01 = *+ 2+
2+ =
−"
+ ( + 1)I. = <
= - ||
'
=
+ - ( + 1)]
= -. ||[
-/
+ " (1 − *+ )
,
)
I
=
.
%5 =
,
=
'
'
+ -3
= -4 ||
2$"'
−
1
'
'
||-3
(- + - ).
(5-7)
V. Pytania kontrolne
1. Parametry robocze wzmacniacza tranzystorowego.
2. Dynamiczna prosta pracy.
3. Pasmo przenoszenia wzmacniacza, 3 dB częstotliwość graniczna.
4. Wpływ sprzężenia zwrotnego na parametry wzmacniacza tranzystorowego.
Literatura
1. A. Prałat [red.] „laboratorium układów elektronicznych. Część II”, Oficyna Wydawnicza PWr Wrocław 2001
2. Z. Nosal, J. Baranowski, „Układy elektroniczne cz. I. Układy analogowe liniowe”, WNT Warszawa 1998
3. A. Guziński, „Liniowe elektroniczne układy analogowe”, WNT Warszawa 1993U. Tietze, Ch. Schenk,
4. „Układy półprzewodnikowe”, WNT Warszawa 1996
5