Temat: Badanie wzmacniacza zbudowanego na tranzystorze bipolarnym w konfiguracji OE.
I. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z układem OE oraz sposobem wyznaczanie podstawowych parametrów i charakterystyk za pomocą programu WORKBENCH.
Wzmacniacz jest urządzeniem elektronicznym, w którym napięcie ( lub moc ) wyjściowe sygnału jest większe od napięcia ( mocy ) wejściowego, potrzebnego do jego sterowania. Zwiększenie ( wzmocnienie ) napięcia ( lub mocy ) odbywa się kosztem energii elektrycznej dostarczanej z źródła napięcia stałego. Wzmacniacz jest tak zaprojektowany,
aby wzmacniał sygnały w wybranym paśmie częstotliwości.
Dla wzmacnianego sygnału układ wzmacniacza stanowi czwórnik ( rys.1 ).
Rys.1: Ogólny schemat wzmacniacza
Do zacisków wejściowych wzmacniacza dołączone zostaje źródło sygnału eg o impedancji Zg ,
a do zacisków wyjściowych – impedancja obciążenia Z o .Napięcie wyjściowe U wy i prąd wyjściowy I wy są powiązane z napięciem wejściowym U we i prądem wejściowym I we zależnościami :
U wy = Ku U we
I wy = Ki I we
Współczynniki Ku i Ki nazywane są odpowiednio współczynnikami wzmocnienia napięciowego i wzmocnienia prądowego lub w skrócie wzmocnieniem napięciowym lub
prądowym. Oba współczynniki w ogólnym przypadku są wielkościami zespolonymi.
Wzmocnienie napięciowe, prądowe czy mocy wzmacniaczy często określa się w decybelach
( dB ). Wówczas :
W zależności od przeznaczenia wymaga się od wzmacniacza dużego wzmocnienia napięciowego, prądowego lub mocy.
Wzmacniacz wzmacniając sygnały wejściowe, nie powinien powodować zmiany ich kształtu. Jednak w wzmacniaczach rzeczywistych powstają m.in. dwojakiego rodzaju zniekształcenia sygnałów :
1. zniekształcenia nieliniowe – wywołane np. przez nieliniowość charakterystyk statycznych niektórych elementów wzmacniacza ( tranzystora, transformatora z rdzeniem itp.) oraz szumy i zakłócenia . W wyniku nieliniowości elementów wzmacniacza, zależność między napięciem ( lub prądem ) wejściowym i wyjściowym nazywana charakterystyką przenoszenia lub liniowości nie jest liniowa ( rys.2).
Rys.2 : Charakterystyka przejściowa ( liniowości ) wzmacniacza.
W obszarze sygnałów o małej amplitudzie (Uwe ≤ Uwe max ) charakterystyka wykazuje prostoliniową zależność, ulega zakrzywieniu w miarę wzrostu amplitudy sygnału wejściowego. Im silniejsze zakrzywienie charakterystyki, tym większe zniekształcenia sygnału wyjściowego powoduje wzmacniacz.
W każdym wzmacniaczu pojawiają się pewne napięcia zmienne niezależne od sygnału, są to szumy powodowane np. przez pracujące elementy półprzewodnikowe
i rezystancyjne oraz tętnienia napięcia spowodowane niedoskonałą filtracją źródeł zasilania. Poziom szumów i zakłóceń ogranicza możliwości wzmacniania sygnałów użytecznych o bardzo małej amplitudzie, gdyż te powinny posiadać amplitudę znacznie większą. Ze względu na powyższe zjawiska rzeczywista charakterystyka liniowości nie rozpoczyna się w początku układu współrzędnych.
Zniekształcenia nieliniowe występują zarówno przy wzmacnianiu sygnałów stałych , jak i zmiennych. W konsekwencji napięcie ( prąd ) wyjściowe zawiera oprócz harmonicznej podstawowej, również składowe nie istniejące w sygnale wejściowym . Ocena następstw zniekształcenia nieliniowego polega na pomierzeniu i porównaniu wartości skutecznych amplitud przebiegów o niepożądanych częstotliwościach z wartością skuteczną całego przebiegu, tj. napięcia podstawowej i niepożądanych harmonicznych.
Wyraża ją liczbowo współczynnik zawartości harmonicznych :
Przy czym symbole Uwy 1, Uwy 2 , U wy 3 ... itd. oznaczają wartości skuteczne poszczególnych harmonicznych napięcia wyjściowego.
2. Zniekształcenia liniowe, są wywołane niejednakowym przenoszeniem przez wzmacniacz sygnałów wejściowych o różnych częstotliwościach. Zależność modułu wzmocnienia od częstotliwości określa charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa.
f g
f d
Rys.3 : Przykładowa charakterystyka amplitudowa – częstotliwościowa wzmacniacza
Przy określonej częstotliwości lub w określonym paśmie ma ona maksimum równe Kum . Dwie częstotliwości, przy których wzmocnienie ulega zmniejszeniu są nazywane częstotliwościami granicznymi dolną fd i górną fg .We wzmacniaczach elektronicznych jako typowe przyjęto określać je przy zmniejszeniu wzmocnienia do wartości Kum / ( w mierze logarytmicznej odpowiada to wartości – minus 3 dB). Malenie wzmocnienia przy małych częstotliwościach powodowane jest wzrostem reaktancji kondensatorów sprzęgających
i emiterowych wzmacniacza. W zakresie dużych częstotliwości charakterystyka opada ze względu na malenie ze wzrostem częstotliwości wzmocnienia tranzystorów, a także z powodu istnienia w układzie pojemności montażowych i pasożytniczych. W środkowej części charakterystyki wzmocnienie praktycznie nie zależy od częstotliwości. W tym przedziale zmian częstotliwości nazywanym zwyczajowo zakresem średnich częstotliwości, można traktować wzmacniacz jako układ bez ograniczeń częstotliwościowych.
Układ wzmacniacza powinien posiadać parametry dopasowane do źródła sygnału oraz do obciążenia .Od wzmacniacza napięciowego wymaga się dużej impedancji wejściowej i małej impedancji wyjściowej, dla prądowego – małej impedancji wejściowej i dużej wyjściowej.
W sposób praktyczny parametry wzmacniacza kształtowane są przez sprzężenie zwrotne, zwykle ujemne. Sprzężenie takie polega na przekazywaniu części sygnału wyjściowego ( napięciowego lub prądowego ) z wyjścia układu na jego wejście. Sprzężenie zwrotne, oprócz kształtowania charakterystyki przejściowej zmniejsza m.in. zniekształcenia, zakłócenia i szumy własne, kształtuje charakterystykę częstotliwościową, impedancję wejściową
i wyjściową, poprawia stałość parametrów i stabilność pracy wzmacniacza.
II. Program ćwiczenia
1.Zbudowanie układu zgodnie ze schematem poniższym.
2. Wyznaczenie wzmocnienia wzmacniacza.
Dla 10 różnych napięć wejściowych odczytać wartość napięcia wejściowego i wyjściowego. Obliczyć wzmocnienie. Wyniki umieścić w tabelce. Napięcie regulować tak aby nie zniekształcać przebiegu napięcia wyjściowego obserwowanego na oscyloskopie.
3. Wyznaczenie charakterystyki przejściowej.
Charakterystykę przejściową wzmacniacza wyznacza się metodą statyczną.
Metoda ta polega na podawaniu na wejście badanego układu napięcia
sinusoidalnego o stałej częstotliwości i odczytywaniu w tym stanie wzmacniacza wartości napięcia wyjściowego. W celu wyznaczania charakterystyki należy zwiększać amplitudę napięcia wejściowego od zera do przesterowania (przejawiającego się zniekształceniem sygnału wyjściowego) i odczytywać wartości napięcia wejściowego i odpowiadające im wartości napięcia wyjściowego.
Zebrane w ten sposób dane łatwo przekształcić na charakterystykę w arkuszu
kalkulacyjnym na przykład w Excel’u. Otrzymana w ten sposób charakterystyka
łącznie z danymi użytymi do jej stworzenia zamieścić w sprawoadaniu.
Na podstawie otrzymanej wcześniej charakterystyki można dokładnie wyznaczyć
metodą graficzną wartość napięcia przesterowania. Należy w tym celu
poprowadzić prostą styczną do charakterystyki przejściowej wzmacniacza w
początkowym fragmencie i zaznaczyć punkt rozejścia się obu linii. Współrzędnetego punktu określają napięcie przesterowania Up i maksymalne niezniekształcone napięcie wyjściowe.
4. Wyznaczenie charakterystyki amplitudowej.
Charakterystykę tą można wyznaczyć metodą statyczną – podobnie jak
charakterystykę przejściową. Pomiar polega na podawaniu na wejście
wzmacniacza napięcia sinusoidalnego o stałej amplitudzie i zmieniającej się
częstotliwości, a następnie obliczaniu wzmocnienia wzmacniacza (jako stosunek
Uwy/Uwe) dla każdej z przyjętych częstotliwości sygnału wejściowego.
Częstotliwość należy zmieniać w zakresie szerszym niż pasmo przenoszenia,
najlepiej do wartości, przy których wzmocnienie wzmacniacza spada
dziesięciokrotnie w stosunku do swojej maksymalnej wartości. Wykres takiej
funkcji można również wykonać w Excel’u. Konieczne jest przyjęcie skali
logarytmicznej.
Nie jest to jednak jedyny sposób wyznaczenia tej charakterystyki w tym programie. Wszystko można było zrobić o wiele szybciej korzystając z
Wobuloskopu znajdującego się na pasku urządzeń. Po przeniesieniu
go na pole robocze łączymy jego zaciski oznaczone jako IN równolegle z źródłem sygnału wejściowego a te oznaczone jako OUT podłączamy do wyjścia. Cały układ pomiarowy powinien wyglądać mniej więcej jak na rysunku niżej
Otwieramy teraz okno wobuloskopu klikając dwukrotnie na jego ikonie.
Na podstawie charakterystyki amplitudowej można obliczyć pasmo przenoszenia
wzmacniacza. Należy znaleźć maksymalne wzmocnienie układu, a następnie
określić dwa punkty charakterystyki, które odpowiadają spadkowi wzmocnienia
do wartości 0,707 * Ku max (spadek wzmocnienia o 3dB). Graficzne rozwiązanie
przedstawić na charakterystyce amplitudowej. Otrzymane w ten sposób wyniki zamieścić w sprawozdaniu.
5. Wyznaczenie rezystancji wejściowej.
Aby dokonać pomiaru rezystancji wejściowej Rwe należy w obwód wejściowy
układu , między wyjście generatora sygnału sinusoidalnego a wejście
wzmacniacza, włączyć szeregowo rezystor regulowany. Aby wyznaczyć wartość rezystancji wejściowej wzmacniacza należy zwiększać dołączoną rezystancję
dołączoną od zera do wartości, przy której napięcie wyjściowe zmniejszy się
dwukrotnie. Wówczas rezystancja wejściowa wzmacniacza będzie równa
rezystancji ustawionej na rezystancji dołączonej. Odczytaną wartość umieścić we wnioskach.
Marcin0402