MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV. Felhasznált eszközök. Mérési feladatok

Átírás

1 MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV A mérés tárgya: Tranzisztoros erősítő alapkapcsolások vizsgálata (5. mérés) A mérés időpontja: de A mérés helyszíne: BME, labor: I.B. 413 A mérést végzik: Belso Zoltan KARL48 Szilagyi Tamas AEG6X0 Mérőcsoport kurzus: K2, 1. csoport A mérést vezeti: <mérésvezető neve> Felhasznált eszközök PC NEC Express 5800 TM600 GEP 17 Digitális oszcilloszkóp AGILENT 54622A <gyártási sz.> Függvénygenerátor AGILENT 33220A <gyártási sz.> Digitális multiméter (6½ digit) AGILENT 33401A <gyártási sz.> Digitális multiméter (3½ digit) Metex ME-22T <gyártási sz.> Tápegység Agilent E3630 <gyártási sz.> Mérőpanel Mérési feladatok 1. Földelt emitteres erősítő alapkapcsolás A megfelelő jumperek felhelyezésével alakítsa ki a Mérési utasítás 2. ábráján látható kapcsolást. Csatlakoztassa a tápegységet és állítsa be a Házi Feladatban előírt tápfeszültséget (U S = Supply Voltage), amihez a D fordított polaritás ellen védő dióda miatt kb. 0.6 V-tal magasabb U B (Battery) feszültséget kell a tápegységen beállítania! 1.1 Mérje meg a munkaponti feszültségeket! U B = V U S = 10 V (a vedodioda utan merve) U CE = 5.47 V U BE = U_B = V 1

2 1.2 A mért értékekből számítsa ki I C, I B, valamint B értékét! I C = (U_S U_CE) / 1.5k = 3.02 ma I B = (U_S U_B) / 750k = 12.4 ua B= I_C / I_B = Adjon a bemenetre f = 1kHz-es szinuszos jelet. Oszcilloszkóppal ellenőrizze a fokozat működését. Állítsa a bemenőjel amplitúdóját akkorára, hogy az erősítő kimenetén még torzítatlan jelet kapjon. A helyettesítőkép alapján (Mérési Utasítás: 3. ábra) mérje meg: h 11e értékét: h 11 u = i 1 1 u 2 = 15.4 mv / (5.48 ua 15.4 mv / 750 kohm) = 2.82 kohm = 0 Hogyan biztosítja az u 2 =0 feltételt? A kimeneti pontot (a 2.2 uf-os kondenzator utan) a foldponttal osszekotjuk a fokozat erősítését, u_be = 70.2 mv u_ki = 2.12 V A_u = u_ki / u_be = 30.2 (A váltakozó feszültségeket az Agilent multiméterrel mérje!) Az eredményeket vesse össze a Házi feladatban kiszámított eredményeivel. A hazi feladatban h_11 = 1.6 kohm, A_u = 26.2 adodott. A szamolas alapjaul szolgalo karakterisztika gorbek leolvasasi pontossaga mellet ez az egyezes jonak tekintheto. 1.4 A terheletlen erősítő kivezérelhetőségének vizsgálata Figyelje meg az erősítő kimenőjelének eltorzulását feszültséggenerátoros (JP1 jumper ON), illetve kvázi áramgenerátoros (JP1 = OFF) meghajtás esetén. Adjon magyarázatot a tapasztaltakra! 2

3 JP1 = OFF (kvazi aramgeneratoros meghajtas eseten): JP1 = ON (feszultseggeneratoros meghajtas): 3

4 A torzitas megszuntetesehez a vezerlojelet jelentosen csokkenteni kellett: A feszultseggeneratoros meghajtasnal a tranzisztor BE diodajat kozvetlenul vezereljuk, ami a nagy bemeneti feszultseg hatasara teljesen kinyit. 2. Földelt emitteres alapkapcsolás emitterköri negatív visszacsatolással. Alakítsa ki a Mérési Utasítás 4. ábrája szerinti kapcsolást. Ügyeljen arra, hogy a további méréseknél a bemeneten lévő J1-es jumper ON állásban legyen (azaz zárja rövidre a 10 kohmos ellenállást)! 2.1 Mérje meg a B, E, valamint C pontok feszültségeit, hasonlítsa össze a Házi Feladatban kiszámított értékekkel! U B = 1.68 V U S = 10 V (a vedodioda utan merve) U C = 6.39 V U E = 1.01V U_CE = U_C U_E = 5.38 V U_BE = U_B U_E = 0.67 V 2.2 Számítsa ki a tényleges I E és I C értékeket. 4

5 I C = (U_S U_C) / 1.5k = 2.41 ma I_E = U_E / R_E = 1.01 V / ( ohm) = 2.45 ma I B = I_E I_C = 40 ua B= I_C / I_B = Mérje meg a terheletlen, és az 1 kohm-mal terhelt erősítő feszültségerősítéseit, vesse össze a számítottakkal! Terheletlen erosito: u_be = 92 mv u_ki = 287 mv A = u_ki / u_be =

6 1 kohm ellenallassal terhelt erosito: u_be = 92 mv u_ki = 122 mv A = u_ki / u_be = Határozza meg az erősítő kimenőellenállását! Az erositofokozat kimenoellenallasa es a terheloellenallas egy feszultsegosztot kepez, ez okozza azt, hogy a kimeneti ellenallas valtoztatasaval az erosites is megvaltozik. u_ki = V (terheletlen esetben) u_ki_terhelt = V u_ki_terhelt = R_terheles / (R_ki + R_terheles) * u_ki R_ki = R_terheles * (u_ki / u_ki_terhelt 1) = kohm A kimenoellenallast elvileg a kollektorellenallas hatarozza meg, ezzel a kapott eredmeny jol egyezik (R_C = 1.5 kohm). 6

7 2.5 A feszültségerősítés frekvenciamenetének mérése. Ebben a mérési pontban a Bode amplitúdó diagramokat vesszük fel és vizsgáljuk az egyes elemek frekvenciamenetre gyakorolt hatását. (JP7 :4.7nF; JP14: 470nF; JP15: 2.2µF,1kOhm). A mérési utasításban leírt szempontok szerint válassza meg a bemenőszintet úgy, hogy az összehasonlíthatóság érdekében valamennyi jumperkombinációban fel tudja venni a frekvenciamenetet! A továbbiakban a kombinációnál f=1khz-nél rögzítse a kimenőjel 0dB-s referencia szintjét (Agilent multiméter: Math funkció db Null). Ezek után a 20Hz - 200kHz tartományban dekádonként 3 pontban (2; 5; 10) vegye fel a kimeneten az erősítő frekvenciamenetét az alábbi variációkban: Terheletlen erősítő (JP7, JP14 és JP15 OFF) Terheletlen erősítő emitterkondenzátorral (JP7 és JP15 OFF, JP14 ON) Terhelt erősítő kollektorköri kondenzátorral (JP14 OFF, JP7 és JP15 ON) Valamennyi jumper felhelyezésével. A_u [db] f [Hz] "2.5.1" "2.5.2" "2.5.3" "2.5.4" 20-2,96-2,96-15,80-15, ,63-0,62-9,87-9, ,16-0,12-8,51-8, ,03 0,12-8,12-7, ,00 0,88-8,01-7, ,00 2,71-8,00-5, ,00 6,06-8,00-1, ,00 10,5-8,03 2, ,00 12,2-8,14 4, ,01 12,8-8,53 4, ,02 12,9-10,5 2, ,08 12,8-14,1-1, ,32 12,3-19,2-6,37 7

8 A foldelt emitteres erositofokozat frekvenciamenetet a kulonbozo jumper allasok mellett a kovetkezo grafikon mutatja: FE erosito 15,00 10,00 5,00 "2.5.1" "2.5.2" "2.5.3" "2.5.4" A_u [db] 0,00-5,00-10,00-15,00-20,00-25, f [Hz] Értékelje a diagramokat, a töréspontokat hasonlítsa össze a Házi Feladatban kiszámolt eredményeivel! Az elso harom esetet a hazi feladat kereteben kiszamitottuk, a torespontos kozelitessel a meresi eredmenyek jol egyeznek. Az elso esetben a bemeneti kondenzator okoz egy polust, amely also hatarfrekvenciat eredmenyez. A masodik esetben a bemeneti kondenzator altal okozott polus mellett fellep az emitterkondenzator altal okozott zerus es polus hatasa is. A harmadik esetben a bemeneti es a kimeneti kondenzator is okoz alacsony frekvencias polust, ezenkivul a terhelo kondenzator a terheloellenallassal parhuzamosan kapcsolodva egy nagyfrekvencias polust eredmenyez. A negyedik esetben (az osszes jumper felhelyezesekor) az osszes idoallando egyutt lep fel. 2.6 Az erősítő négyszögátvitelének mérése Adjon a bemenetre f = 1kHz-es négyszögjelet, JP7, JP14, és JP15 OFF állásában Vegye fel a kimenőjel időfüggvényét, mérje meg a tetőesést és a felfutási időt! (Melyik időállandó felelős a tetőesésért?) 8

9 A kimeneti jel tetoesese figyelheto meg: A tetoeses mertekenek meghatarozasa: 9

10 A tetoesest a bemeneti kondenzator altal okozott alacsony frekvencias idoallando hatarozza meg. (Az abran nem igazan latszik, de eppen egy periodus van a kepernyon ez a 499 us idobol lathato.) A felfutasi ido: A felfutasi ido 676 ns Helyezze fel a JP7-es jumpert, mérje meg így is a felfutási időt. 10

11 A felfutasi ido 15.5 us-ra nott. Ezt a nagymerteku novekedest a nagyfrekvencias idoallando fellepese okozza Helyezze fel a JP14-es jumpert is, mérje meg a jel túllövését! (Ügyeljen arra, hogy az erősítő a túllövésnél se limitáljon!) Értelmezze eredményeit, vesse össze a frekvenciatartománybeli méréseivel! 11

12 A JP14-es jumper felhelyezese utan: A jel allandosult allapotbeli maximuma 484mV, a csucsertek (a tulloves) 2.48 V. A tulloves merteke 512%. A JP14 jumper felhelyezesekor nagyobb frekvenciakon megno az erosites, ez a negyszogjel tulloveseben jelentkezik. Kiegészítő mérési feladat. Ehhez a feladathoz akkor kezdjen csak hozzá, ha már az összes többi feladattal végzett! 2.7 Az erősítő kivezérelhetőségének mérése. Erősítők kivezérelhetőségének kvantitatív jellemzése adott torzítási tényezőhöz tartozó be-, illetve kimeneti feszültséggel történhet. A harmonikus torzítást a k = n i = 2 u u 1 2 i összefüggésből határozhatjuk meg, ahol u 1 az alapharmonikus, u 2...u n a megfelelő felharmonikusok effektív értékei Határozza meg f = 1kHz-en a k = 2% torzításhoz tartozó kimenő feszültség értékét! 12

13 A terheletlen alapkapcsolást vizsgáljuk (JP7, JP14 és JP15 OFF). Az oszcilloszkóp FFT funkciója segítségével felvesszük 4 különböző szinten a k torzítási tényező függését a bemenőjel effektív értékének függvényében. A mérési utasításban javasolt módon 4 szintnél határozza meg az erősítő harmonikus torzítását a bemenőszint függvényében, ábrázolja ezt diagramban, majd ebből határozza meg a 2%-os torzításhoz tartozó bemenőszintet! <eredmények 3. Fázishasító kapcsolás vizsgálata. Állítsa össze a Mérési Utasítás 5. ábráján lévő kapcsolást! 3.1. Mérje meg a B, E, C pontokon a munkaponti feszültségeket, számítsa ki az emitteráramot. U_B = 1.73 V U_E = 1.1 V U_C = 8.94 V U_CE = U_C U_E = 7.84 V U_BE = U_B U_E = 0.63 V U_S = 10 V I_E = U_E / R_E = 1.1 V / 1.5 kohm = 0.73 ma I_C = (U_S U_C) / R_C = 0.71 ma I_B = 20 ua Adjon a bemenetre f = 1kHz frekvenciájú 1V pp nagyságú szinuszjelet. A C ill. E pontokra csatlakoztassa az oszcilloszkóp Y1 ill. Y2 csatornáit az osztófejekkel. Figyelje meg a működést (fázisviszonyok, jelszintek). Az oszcilloszkóp Quick Measure Peak-Peak funkciójával mérje meg a kollektoron és az emitteren a jelszinteket: Terhelés nélkül. 13

14 A felso gorbe az emitter, az also a kollektor feszultseget mutatja kohm emitter terheléssel (JP13, JP15 ON) 14

15 kohm kollektorterheléssel (JP12, JP15 ON) 4. Földelt kollektoros (emitterkövető) kapcsolás vizsgálata. A JP8 jumper felhelyezésével az előző fázishasítóból emitterkövetőt alakíthatunk ki. Indokolja ennek helyességét! A 100 uf-os kondi bekapcsolasaval a kollektort valtakozo aramu szempontbol foldeljuk. Igy a kapcsolas foldelt kollektorossa, vagyis emitterkovetove valik. Csatlakoztassa az oszcilloszkóp két csatornáját DC csatolással az emitter, illetve a bázis pontokra. Nullvonalak és erősítések legyenek azonosak! Adjon a bemenetre f = 1kHz-es szinuszjelet. Vizsgálja meg és értelmezze a működést! Növelje a bemeneti jel amplitúdóját addig amíg az emitteren a jel éppen torzítani kezd. 15

16 4.1 Mérje meg a maximális torzítatlan kivehető jel nagyságát! XY modban figyelve a transzfer karakterisztikat, jol latszik az a helyzet, amikor az aramkor hatarolni kezd. A torzitatlan kimeno jel nagysaga 2.3 V_pk_pk. Az idotartomanyban a ket jel majdnem egybeesik: 16

17 4.2 Terhelje le 1kOhm-mal az emitterkövetőt. Mit tapasztal? Határozza meg így is a maximálisan kivehető jel nagyságát! A terheles hatasara a kivezerlest vissza kellett venni: A maximalisan elerheto kimeneti jel nagysaga 950 mv-ra csokkent. 17

18 Idotartomanyban: 4.3 Igazolja számítással is az 4.2 pontban mért eredményt. <számítás, eredmény > 4.4 Mérje meg az emitterkövető kimeneti ellenállását f = 10kHz-en, R g = 0 és R g = generátorellenállások esetén! A mérési utasításnak megfelelően tervezze meg a mérési összeállítást! A kimenőellenállással arányos feszültséget az E ponton az AC feszültségmérőként használt Agilent Multiméterrel mérje! Határozza meg számítással és méréssel a kimenőellenállást a bemenet rövidrezárt állapotában (R g = 0)! Határozza meg számítással és méréssel a kimenőellenállást a bemenet szakadt állapotában is! 5. JFET-es földelt source-ú erősítő vizsgálata Mérje meg a mérőpanelen található erősítő munkaponti feszültségeit (G, S, D pontok feszültségeit), ezekből határozza meg az I D és I S munkaponti áramokat 18

19 5.2. Mérje meg a visszacsatolatlan erősítő (JP16 ON) erősítését f = 1 khz-en. Határozza meg a mérési eredményből a FET g 21 meredekségét! (Más jelöléssel: g m = g 21 ) Mérje meg a visszacsatolt erősítő erősítését is!. Valamennyi mérési eredményét vesse össze a Házi Feladatban kiszámolt értékekkel. 6. Tranzisztoros áramgenerátor vizsgálata. Ennél a mérésnél a tápfeszültséget (U S ) növelje meg 20 V-ra. Számítsa ki az áramgenerátor várható áramát U 2 = 10V kimeneti feszültséget feltételezve Méréssel ellenőrizze számításának helyességét Vegye fel az áramgenerátor áram-feszültség karakterisztikáját 4V<U S <20V tartományban. A nagy kimenőellenállás miatt az áramot kellő gondossággal most az Agilent multiméterrel mérje! 6.3 Határozza meg az áramgenerátor kimenőellenállását! 19