Projektfeladat a szóbeli vizsga beugró feladatának kiváltásához

Átírás

1 Projektfelaat a szóbeli vizsga beugró felaatának kiváltásához Felaat: Lépések: Fölelt emitteres szinterősítő tervezése, kivitelezése 1. Az összefoglaló és a mellékletek alapján a szükséges számolásokat különálló, fehér lapokra, jól olvashatóan kézzel, vagy Wor-ben szerkesztve készítse el és valamelyik konzultációs alkalommal (e ne az utolsó alkalommal) átlátszó lefűző fóliában aja be. (Számolásait az ingyenesen is letölthető verziójú TINA moellezőszoftverrel előre ellenőrizheti!) 2. A tranzisztort, konenzátorokat (0.1-2uF, bipoláris, fólia vagy kerámia) és a kiszámolt szükséges ellenállásokat (akár több szabványos érték összegeként hogy < 5% eltérés legyen csak) elektronikai boltban vegye meg (max Ft). 3. A kapcsolást az utolsó alkalom napján, óra után, a Hallgatói laborban kell összeállítania (először protoboar-on), maj össze kell forrasztania, ahol kéréseket is kap a számolást illetően. Értékelés: Ha a kapcsolás megfelelően műköik *, a beugró teljesítése alól mentesül. A kapcsolást, illetve annak alkatrészeit megtarthatja. * Megfelelően műköik a kapcsolás, ha az előírt üzemi feltételek mellett a tranzisztor megfelelő munkapontban van, a jelet peig a kívánt mértékben erősíti (±10% eltérés megengeett).

2 Összefoglalás. Az ötvenes évek közepén félvezető felületfizikai kutatások nyomán feezték fel a tranzisztort a ell laboratórium munkatársai. Az újonság jelentőségét rögtön felismerték, így nemsokára beváltotta a hozzá fűzött reményeket és forraalmasította a számítógépipart. A jelenlegi processzorok egyenként már több százmillió, optikai eljárással készített tranzisztorral végzik műveleteiket. A tranzisztor olyan félvezető eszköz, amely képes egy vezetéken átfolyó áram mértékét nagyban korlátozni egy nála sokkal kisebb (vezérlő) áram hatására. rős közelítésként nem más, mint egy mozgó alkatrész nélküli, külső elektromos hatással műkötetett kapcsoló. Fontos, hogy a kapcsolás folyamatosan, nem ugrásként jön létre. z teszi lehetővé, hogy megfelelő üzemi körülmények biztosítása mellett erősítőként is használható. A leggyakrabban három kapcsolást használnak erősítőként: a közös/fölelt emitteres-, a közös/fölelt kollektoros- és a közös/fölelt bázisú kapcsolást. (Minkét elnevezés elterjet az iroalomban, a jegyzőkönyvben a fölelt jelzőt használjuk.) zek közül a bázisosztós fölelt emitteres kapcsolást részletezzük. A kapcsolás leginkább jelfeszültség-erősítőként ismert (szinterősítő). A cél olyan jelfeszültség-erősítő építése, amely maximális torzításmentes feszültségerősítést (kivezérelhetőséget) tesz lehetővé. Aottnak tekintjük az erősítenő jel amplitúóját, a renelkezésre álló tápfeszültséget és a szükséges erősítés mértékét. A tranzisztor áramerősítési tényezőjét (b), azaz bétáját a katalógussal összhangban h F -ként jelöljük. A fokozat felépítése: be (t) emeneti erősítenő jel 1 emeneti csatolókonenzátor R 1, R 2 R R T A bázisosztó ellenállásai Kollektor köri ellenállás mitter köri ellenállás NPN típusú tranzisztor 1 R 1 T R 2 ki (t) + _ 2 Kimeneti csatolókonenzátor be (t) R 2 R ki (t) Kimeneti erősített jel Tápfeszültség 2

3 A tranzisztor egyenáramú vizsgálata, munkaponti paraméterek Mint minen elektromos hálózatra, a bázisosztós fölelt emitteres erősítőkapcsolásra is érvényesek a Kirchhoff-törvények. zek segítségével fogunk összefüggéseket felírni az egyes munkaponti paraméterek között, a tranzisztor egyenáramú helyettesítő képét alkalmazva. Megjegyzés: itt a szokásos b helyett a katalógussal összhangban h F jelölést használjuk a tranzisztor áramerősítési tényezőjét illetően. hhez tegyük fel, hogy a tranzisztor már a megfelelő üzemi állapotban van, rajta a szükséges egyenfeszültségek esnek és az ezekhez tartozó egyenáramok folynak. A hurkokat és az ismeretlen ágáramokat felvéve, a következő ábrát és hurokegyenleteket kapjuk: III. I. II. III. + I 0 R R R R ( I + I ) R 0 2 R 1 I 0 +I I 0 R 1 R 2 I II. R R I I I. + _ Az itt látható egyenletrenszer tehát a munkaponti áramok, feszültségek és az ezeket meghatározó ellenállások értékei között teremt kapcsolatot. somóponti törvényként a tranzisztort jellemző áramok közötti I =I +I összefüggést írhatjuk fel, ahol még azt is tujuk, hogy I =h F I. Vegyük észre, hogy kellő számú fizikai jellemző ismeretében a többi egyszerűen, behelyettesítésekkel kiszámítható. A probléma ott merül fel, hogy az előző kiinulási aatok mellett túl sok az ismeretlen. (Mint említettük, csak a tápfeszültség, az erősítenő jel nagysága és a szükséges erősítés mértéke aott - ez az áramokra vonatkozó összefüggésekkel együtt 5 egyenletet és 10 ismeretlent jelent.) 3

4 A bázisosztós fölelt emitteres kapcsolás kisjelű vizsgálata, erősítése. 1 R 1 T R 2 ki (t) + _ R 1 T R i r u ki be (t) R 2 R u be R 2 R Vegyük észre, hogy a bemeneti jel számára (szuperpozíció elve) a kollektorellenállás is fölpotenciálra kerül. A kapott formából kitűnik, hogy a kisjelű bemenet (u be ) az r és R ellenállásokon esik, a kisjelű kimenetet (u ki ) peig az R n azonosíthatjuk. zek alapján a ki- és bemenet közötti viszonyt jellemző üresjárati erősítés: u i h i R A Ü = u ki be = - i r + i R = - ( 1+ h ) i ( R + r ) F F = - Ê Á Ë 1 h F ˆ + 1 ( R + r ) Ha figyelembe vesszük, hogy h F elég nagy, a jobbra látható közelítő eremény nyerhető, ahol r T = a bázis-emitter ióa inami- I kus ellenállása ( T = 26 mv a termikus feszültség, a T-helyettesítő kép esetén r ~ 1-30 Ω). Látható, hogy A Ü közvetve függ az I munkaponti bázisáramtól. Ha az erősítés nagyságát aottnak tekintjük, azzal feltételt szabunk R, R értékére. Az imént kapott összefüggést felvéve, az alábbi egyenletrenszert kapjuk. I. II. V. III. IV. I I VI. A Ü + I = I = h 0 + I F I R = - r + R ( I + I ) A h F áramerősítési tényező a tranzisztorok egyeileg jellemző, mérhető tulajonsága, így azt is ismertnek tekintjük. Aott tehát 6 egyenlet és 10 ismeretlen. gy egyenletrenszer csak akkor megolható, ha az ismeretlenek és az egyenletek száma is megegyezik. Mivel az egyenletek száma már nem növelhető, megpróbáljuk közelítésekkel csökkenteni az ismeretlenek számát. A Ü ª - r R + R 4

5 I Ê 1 ˆ 1.Közelítés. Az IV. és V. egyenletből: I = I + I = + I = I ª I h Á + 1 F h, Ë F ha h F elég nagy, az emitter áram közel azonosnak vehető a kollektor árammal. Fontos megjegyezni, ez nem azt jelenti, hogy I nulla. Minössze arról van szó, hogy a kollektor és emitter áramok ezreléknyi mértékben különböznek, így nem követünk el nagy hibát, ha az ellenállások pár százaléknyi pontatlansága mellett azonosnak tekintjük őket: I =I. 2. Közelítés. A helyes műköés egyik feltétele, hogy a bázisosztó R 2 ellenállásával párhuzamosan kötött, az aktuális bázisáramtól (bemeneti jel + munkaponti érték) függő nagyságú r ellenállás ellenére is a bázisáram munkaponti (egyenszintű) értéke stabil marajon. (A bázisosztó körnek terheletlennek kell lennie.) z közelítőleg akkor teljesül, ha a bázisosztó ellenállásain folyó I 0 áram jóval nagyobb, mint a bázisáram (a gyakorlatban szoros). zek alapján legyen: I 0 = 10 I. A közelítéseket alkalmazva az egyenletrenszer: I. II. V. III. I VI. A - = h Ü + I F -10 I I R = - r + R ( R + R ) 2-10 I - 2 ( 11 I ) 1 Azaz már 4 egyenlet és 8 ismeretlen az arány. További meggonolásainkat afelé tereljük, hogy a négy ellenállás (R 1, R 2, R, R ) ismeretlen értékét legyen szükséges kiszámolni. A még ismeretlen áramok- és üzemi (munkaponti) feszültségek meghatározásában a mellékelt katalógus fog további segítséget nyújtani. lsőként a kimeneti karakterisztikát vizsgáljuk meg. 5

6 Az egyenletrenszer első sora az I és az közötti összefüggést írja le. Átrenezve: I 1 + R ( ) = - + y( x) = m x b + R R + R egy egyenes egyenlete aóik (azaz a kollektoráram a kollektor-emitter feszültségnek lineáris függvénye). Nézzük meg a kimeneti karakterisztikán (amely szintén a kollektoráram és a kollektoremitter feszültség viszonyát jellemzi), milyen tulajonságokat mutat ez az egyenes! A függőleges tengelyt (ha ) az I, MAX = ( R + R ) maximális kollektoráramnál-, a vízszintes tengelyt peig (ha I ) az = helyen metszi. z fontos eremény, mert ismert tápfeszültség (pl. az ábrán = 12V) esetén ismert az egyenes vízszintes tengellyel való metszéspontja. I,MAX -tól függően számtalan egyenes lehetséges, néhány esetet be is rajzoltunk. A tranzisztor munkapontja (jellemző paramétereinek összessége) az egyik ilyen egyenesen fog mozogni a bemenet változását követve. Ahhoz, hogy elöntsük, melyik egyenest válasszuk munkaponti egyenesnek, további meggonolásra van szükség. A kimeneti karakterisztika görbéi mint az látható is-, nem teljes egészükben lineárisak, az alacsonyabb értékek felé elgörbülnek, itt a tranzisztor telítésbe lép. Ha torzításmentes átvitelt szeretnénk, ezeket a görbült részeket el kell kerülnünk. A tervezés egyik fő szempontja, hogy a munkapont normál körülmények között ne juthasson a kéréses területre. Az ábrán balra beszíneztük hozzávetőlegesen a görbék nemlineáris kerülenő-, jobbra peig az aott tápfeszültség mellett el sem érhető tartományát. A munkapont lehetséges torzításmentes mozgástere így a befestetlen terület mara. Vegyük észre, hogy minél mereekebb egyenest választunk, annál kisebb vízszintes vetülete ( -ingaozás) kerül a bejárható (színezetlen) tartományba. Azaz, bár a kollektoráram ezeknél szélesebb skálán mozog (itt nagyobb teljesítményű erősítők készíthetők), az elérhető torzításmentes erősítés nagysága kisebb. 6

7 Szinterősítőknél általában a torzítatlan erősítés nagyságának maximalizálása (tehát a nagy kivezérelhetőség) az elsőleges szempont (a munkapont vízszintes mozgásterét maximalizáljuk). Válasszunk ehhez egy elegenően lapos egyenest! - Legyen az egyenes a péla kevéért az előbbi ábrán a legalsó. A legtöbb tranzisztornál az I,MAX -nak éremes nagyobbnak lennie, mint 1 ma, mert ez alatt a I,MAX tranzisztor lezárási tartományához kerülhetünk közel (lás későbbi bemeneti karakterisztikán). zt I, MAX =10mA választással tesszük most igazzá. (t) >1 V A munkapont az erősítő műköésekor nem juthat a bal olali sötétített területre. A lehetséges értékek tartományát tehát korlátozni S S kell. (Itt jól láthatóan nem csökkenhet 1 V alá.) I,MAX - Mivel azonos torzításmentes pozitív és negatív irányú kivezérelhetőséget szeretnénk (feltehető, hogy a bemeneti jel pozitív és negatív értékei =6.5 V is azonos nagyságúak) az értéke szim- metrikusan legfeljebb S értéket változhat. kkor az munkaponti értéknek a világos tartomány középső részén kell elhelyezkenie. setünkben leolvasva az megengeett lehetséges eltérését: S = (12-1)/2 = 5.5V. - Az imént látott tartomány azonban nem egymaga határozza meg egy aott bemenetre nézve a maximálisan elérhető erősítést. Vegyük észre, hogy nem a kimenet! A kimeneti jel a tranzisztor kollektora és fölpont között jelenik meg, nem peig a tranzisztor kollektor- és emitter kivezetése között! A tranzisztor teljesen nyitott állapotában ieálisan nulla, e a kimeneten ekkor is mérhető feszültség ( F ). (Valójában soha nem lesz kisebb néhány száz millivoltnál, ennek pontos értékét a katalógusok (SAT) telítési kollektor-emitter feszültségként aják meg.) Az F (kimeneti) feszültséget az I *R és együttesen alkotja. Könnyen látható móon maximális értéke (zárt tranzisztor esetén), minimális értéke (teljesen nyitott esetben): R F ª R + R A kimeneti potenciál lehetséges maximális amplitúója: D F,max = 7 Ê R Á1- Ë R + R ˆ ª A A z annyit jelent, hogy ha a karakterisztika végig torzításmentes lenne, pl. 10-szeres elvárt erősítésnél és 12 V tápfeszültségnél D F maximális értéke körülbelül 10.9 V lenne. Mivel azonban a korábbiak alapján kikötöttük, hogy,min = 1 V legyen, ez az eltérés közelítően 9.9 V-ra aóik. A kimeneti konenzátoron ez a váltakozás átjutva nulla középértékűvé válik (a D szint leválsztóik) így végereményben a kimeneten elérhető legnagyobb jelamplitúó ennek a fele lesz, ki,max = 4.95 V. uü uü + 1

8 Ha a bemenet amplitúója be,max, akkor erre nézve a választott munkaegyenesen elérhető tényleges maximális torzításmentes erősítés: A Ü = ki, MAX max itt: 4.95V = - = - 0.1V be, MAX Fontos megjegyezni, hogy A Ü max tetszőlegesen kicsiny bemenet esetén sem lehet akármekkora. A kapcsolás moelljéből aóik, hogy az erősítés elvileg sem lehet nagyobb, mint: - ahol T = 26 mv, peig a munkaponti kollektor-emitter feszültség. z általában néhány százszoros erősítést jelent. Nagy erősítéseknél az A Ü kifejezésében szereplő R egyre kisebb értéke mellett a bázis-emitter ióa inamikus ellenállása válik ominánsá, így annak bizonytalansága (hőfüggés) révén a kapcsolás veszít stabilitásából. Ilyenkor célszerű inkább két kisebb erősítőt egymás után kötni (ekkor összeszorzónak az egyes erősítések, a fokozatok peig továbbra is pontosan számítható műköéssel jellemezhetők). - Az előbbiek alapján munkaponti értékét tehát úgy kell megválasztani, hogy az szimmetrikusan helyezkejen el (szaggatott vonal) a megengeett tartományon. z viszont egyúttal a munkaponti kollektoráramot is meghatározza (a munkaegyenes és a szaggatott vonal metszéspontjának értéke az áram tengelyen). Leolvasva kb. 3 ma-t kapunk, amelyből h F ismeretében a többi áram (I, I ) kiszámítható. smert tehát, I, I, így csak az utolsó ismeretlent, az feszültséget kell meghatározni. Az előzőek alapján ismerve a munkaponti kollektoráramot, a bemeneti karakterisztika alapján le tujuk olvasni az ehhez tartozó munkaponti értéket is. Éremes oafigyelni, hogy a függőleges tengelyt többnyire logaritmikus léptékben aják meg. Pélánkban a leolvasható feszültség nagyjából 0.68V. A grafikon függőleges skálájából látható, hogy még laposabb munkaegyenesek is elérhetőek lennének, mi- I ª 3 ma vel azonban I ( ) függés exponenciális, a görbe nemlineáris alja jeltorzuláshoz vezethet. Az I munkaponti értékét emiatt 1 ma alá nem szokás választani. T ª 3 ma ª 0.68V 8

9 Másoik mérés: Fölelt emitteres erősítő tervezése Aott tehát a korábbi egyenletrenszer, ahol: -, h F, I,,, T, A Ü ismert - R 1, R 2, R, R ismeretlen Négy ismeretlen, négy egyenlet, a probléma megolható. I. II. III. IV. A - Ü + I -10 I R = - r + R ( R + R ) 2-10 I - 2 ( 11 I ) 1 Kiszámolva (kifejezgetve az ismeretleneket), az alkatrészeket összeválogatva az erősítőfokozat összeállítható. A továbbiakban, az elméleti összefoglaló mintájára, egy ilyen erősítőfokozatot kell önállóan megterveznie és összeállítania. - A kapcsolást NPN típusú (pozitív tápfeszültségről műköő) tranzisztorral valósítjuk meg. - Az erősítőhöz egy 549c típusú, általános célú tranzisztort használunk. Jellemző görbéi és katalógusaatai a következő olalakon megtalálhatók, e a teljes katalógus is letölthető a webhelyről. - A tranzisztorra nézve használjon béta=300 as értéket. (Valójában a TYP-nek megfelelő érték kellene, e azt a katalógus nem tartalmazza. Ha otthon van olyan igitális multimétere, amelyikkel lehet tranzisztort mérni, akkor azt szobahőmérsékleten mérje le és azt a bétát használja!) - A kapcsolást előre N forrassza össze, összeállítani a helyszínen kell maj, zacskóból. Az összeállításhoz használhatja az összefoglalót és a katalógust is. 6

10 Másoik mérés: Tranzisztoros erősítő kapcsolások fölelt emitteres erősítő kapcsolás 9

11 Másoik mérés: Tranzisztoros erősítő kapcsolások fölelt emitteres erősítő kapcsolás 10

12 Másoik mérés: Tranzisztoros erősítő kapcsolások fölelt emitteres erősítő kapcsolás 11