Áramkörök számítása, szimulációja és mérése próbapaneleken

Átírás

1 Áramkörök számítása, szimulációja és mérése próbapaneleken. Munkapontbeállítás Elektronika Tehetséggondozás Laboratóriumi program 207 ősz Dr. Koller István.. NPN rétegtranzisztor munkapontjának kiszámítása Adott az alábbi kapcsolás, a következő adatokkal: Ut = 5 V, Ut2 = 5 V, RC = 5.6 kω, RE = 4.4 kω, Határozzuk meg a munkaponti adatokat! +Ut ube ib B ube RC ic C uce E ie RE uki ie Ut/RE IE0 i E U BE UT I E00 e U t2 u BE i E R E ube -Ut2 UBE0 Ut2

2 A munkaponti értékeket vezérlés-mentes állapotban számítjuk ( ube = 0 ) I U U R 5V 0.6V 4.4k t 2 BE 0 E0 E ma Vezérlés nélkül az elektródák potenciáljai (a földeléshez képest): U U I R 5 *5.6 C0 t C0 D 9. 4 U B 0 0V U U I R 5 * V E0 t2 E0 E 6 V.2. Munkapont számítás ellenőrzése LTSPICE szimulációs programmal Nyissuk meg az LTSPICE IV szimulációs programot. A File New Schematic menüben nyissunk új rajzot. Az eszközökből válogatva rajzoljuk meg a kapcsolást az.2.. ábra szerint. A tranzisztor esetében válasszunk npn tranzisztort, majd később a pontos típust is megadhatjuk a tranzisztorra való jobbgomb kattintással. Miután a szimulálandó áramkört megrajzoltuk a Simulate menüben az Edit Simulate Command segítségével állítsuk be a DC Operating Point fület, majd OK-val szálljunk ki. Ezt követően az analízis típusa (.op) kijelzésre kerül a rajzon. Megnyomva a RUN gombot a munkapont számítás lefut, melynek eredménye az ablakban látható. Vessük össze a szimulációs eredményeket az órán kapottakkal. 2

3 .2.. ábra 3

4 .3. Munkapont számítás ellenőrzése valódi áramkörön, próbapanelen A rendelkezésre álló műszerek, alkatrészek segítségével állítsa össze az áramkört, és ellenőrizze a munkaponti adatokat feszültség és áram méréssel. 4

5 2. Kivezérelhetőség és erősítés vizsgálat Határozza meg az alábbi fokozat kivezérelhetőségét! R2 +Ut C U 5V, U 0,5 V, A, I 0 ma R t m E k, R2 0 k, R 0 k 0 3, Ube IC0 UCE R3 Uki a.) b.) U ki U ki?, C C,?, C C, 2 2, nyitóirányú vezérlés, záróirányú vezérlés IE0 R C2 -Ut A munkaponti áram a feladatban adott: I E0 IC0 ma ( A=, nagy alfa ) A két tápfeszültség betáplálási pont közé felírható egyenáramú Kirchoff egyenlet: Amiből: 2U U I R I R U I R R U t CE0 E0 C0 2U t I E0 2 2 CE0 E0 R R 30 *20 V CE0 0 2 A kollektor és az emitter teszültsége ( a földeléshez viszonyítva): U U a.) b.) U I R 5 *0 C0 t C0 2 5V E0 U t I E0R 5 *0 5 Uki UCE0 Um 9, 5V Uki IE0( R2xR3) 5 5V V 5

6 2.2. Kivezérelhetőség ellenőrzése LTSPICE szimulációs programmal Az előzőhöz hasonlóan rajzoljuk meg a ábrán látható kapcsolási rajzot és határozzuk meg a munkapontot. A generátor paramétereit állítsuk be az ábra szerint, azaz -4.4V-os nyugalmi bázis feszültséget biztosítunk, az ma-es munkaponti emitter áramhoz. Első lépésben végezzünk munkaponti analízist, és értelmezzük a kapott eredményeket. Majd állítsuk be a tranziens analízis módot, és futtassuk le az analízist. Rákattintva az áramkör vezetékeire helyezhetünk le oszcilloszkóp probe-okat. Tegyünk ilyet a kimeneti pontra. A ábrán láthatjuk az áramkör kimeneti feszültségének határolt értékeit. A következő lépésben adjunk a bemenetre olyan kis amplitúdójú vezérlő jelet, ami a lineáris tartományon lévő kimeneti jelet eredményez. Ábrázoljuk mind a bemenő, mind pedig a kimenő jelet. Így kapjuk a ábrán látható kisjelű működést. A gerjesztés 0mV-os amplitúdójú. Látható, hogy az áramkör feszültség erősítése nagy. Mennyi, és ez mennyire egyezik meg a várakozásainkkal? Vegyük ki a C2 kapacitást, és ellenőrizzük a kis jelű feszültség erősítést is Kivezérelhetőség ellenőrzése valódi áramkörön Próbapanelen állítsuk össze az áramkört, és generátor, valamint oszcilloszkóp segítségével ellenőrizzük a működést. 6

7 2.2.. ábra 7

8 ábra 8

9 ábra 9

10 3. Kéttranzisztoros kapcsolás munkapontjának vizsgálata ib Rg T R3 C +Ut T: n-p-n tranzisztor U BE.6 V, B V, 2 B2 T2: p-n-p tranzisztor U EB ug UBE0 ie ie+ib2 R UEB 02 ib2 R2 ie2 T 2 -Ut uki U U t 5 V, R 0.6 V, 0 k, U BE 0 EB 02 g 0.6 Kérdések: a.) IE 0 =?, UCE 0 =? b.) IE 02 =?, UEC 02 =? c.)? ha T C d.) I E 0 0 I E 02 ha T 0 V? C 0 0 R 4.3 k, R2 5 k R k a.) I U t U BE 0 R Rg B /00 E0 ma UCE0 2U t I E0R 2*5 * V b.) UCE0 I E02R3 U EB02 U CE0 U EB I R 7.55 U E02 2 ma 3 CE02 2U t I E02 R2 R3 2*5 2* V c) 0 I E 0? ha T 0C Rétegtranzisztorokra nagyon jó közelítéssel mondható: 0

11 mv U BE U EB 2 T 0 C Rg B (-A)ΔI E0 AΔI E0 (-A2)ΔI E02 ΔU EB A2ΔI E02 C B2 C2 ΔU BE r d r d2 E ΔI E0 ΔI B02 = 0 E2 ΔI E02 R2 R ΔU R3 A B-E körre felírható hurok-egyenlet: Ebből : I A I R r R I U 0 E0 g d E0 BE 0 U BE 2mV / C T R A Rg rd R Rg B2 20mV E 0 rd.38 A d) I E 02 ha T 0? C 0 Az E-B2-E2 körre felírható hurok-egyenlet: U U r R I 0 Ahol: U R I E 4.3 k *.38 A EB d 2 3 E02 EB Ebből: na mv 0 U U 2mV / C T U IE02 36 r R r R d 2 3 d 2 3

12 3.2. Kéttranzisztoros kapcsolás munkapontjának vizsgálata LTSPICE szimulációs programmal A már megismert módon rajzoljuk fel a kéttranzisztoros áramkört a ábra szerint és végezzük el a munkaponti analízist. Vizsgáljuk meg a munkaponti áram hőmérséklet függését. A munkaponti áram hőmérséklet függésének szimulációjához állítsuk be a szimulátort hőmérséklet függés vizsgálatára a.temp paranccsal, majd állítsunk be munkapont analízist ( ábra). Áram probe-ot helyezzünk az emitter körbe a kurzor mozgatásával, illetve a lakatfogó feltűnésével. Látható, hogy a vizsgált hőmérséklet tartományon a Q tranzisztor emitter árama kb..ua-t változik 0 C hőmérséklet változás hatására, ami jó egyezés a számítottal. A ábrán látható a Q2 tranzisztor emitter áramának változása a hőmérséklet függvényében, ami 65nA-nek adódik Kéttranzisztoros kapcsolás munkapontjának ellenőrzése valódi áramkörön PNP és NPN tranzisztorok segítségével építsük meg az áramkört és ellenőrizzük a munkapontokat. Mi a szerepe a kapcsolásban a Q tranzisztornak, ha elhagyjuk, hogyan változik a feszültség erősítés, meghagyva a generátor nagy ellenállását? Mekkora a bementi ellenállás a Q bázisában? Hogyan mérné ezt meg? Mekkora a kimeneti ellenállás? Hogyan mérné ezt meg? 2

13 3.2.. ábra 3

14 3.2.. ábra 4

15 4. Kéttranzisztoros áramkör munkapontja, erősítése, emitter kondenzátorának hatása 4.. ug Rg ube C u EB i B i C R2 R i E i B2 u BE2 R3 R4 i C2 i E2 +Ut uki C2 T: p-n-p tranzisztor, β=b=99, UEB0 = 0,6 V T2: n-p-n tranzisztor, β2=b2, UBE0 = 0,6 V, a.) IE0=?, b.) IE02=?, c.) uki?, u C, C2, g uki d.)?, C 0, C2, u g -Ut Ut 5 V, Rg k, R 4,39 k, R k, R3 5 k, R4 5 k Megoldás: U t U EB B 99 B UT 26 mv a.) I E0 ma A I C0 I E ma rd 26 R A R B 00 B I ma g E0 b.) c.) I I C0R2 U BE UT 26 mv ma és rd 2 26 R 5 I ma E02 3 u u ki g R g rd r R R d rd rd E02 d.) u u ki g R g r d R r R R d rd R rd 2 R

16 4.2. Kéttranzisztoros kapcsolás paramétereinek vizsgálata LTSPICE szimulációs programmal A már megismert módon rajzoljuk fel a kéttranzisztoros áramkört a ábra szerint és végezzük el a munkaponti analízist ábra. Állítsunk be 0.mV-os bemenő feszültséget és végezzünk tranziens analízist. Miért sokkal kisebb a szimulált erősítés a példában számoltnak? 4.3. Kéttranzisztoros kapcsolás paramétereinek mérése valódi áramkörön NPN és PNP tranzisztorok segítségével állítsuk össze az áramkört, ellenőrizzük a munkaponti paramétereket. A feszültség erősítést megmérve mit tapasztalunk? Mekkora a Q2 tranzisztor bétája? 6

17 4.2..ábra 7

18 5. B, AB, és A osztályú teljesítmény erősítők 5.. Teljesítmény erősítők analízise A jegyzet ( 7. oldalától Végfokozat vizsgálata LTSPICE szimulációs programmal A már megismert módon rajzoljuk fel az ábra szerint és végezzük el a munkaponti analízist. Az ábra szerinti beállítás B osztályú működést eredményez, R4 ellenállás legyen 820 Ohm. Vizsgáljuk meg a kimenőjelet, valamint a Q Q2 tranzisztorokon folyó áramokat 3V-os csúcsértékű szinuszos bemenőjel esetén. Ha rövidre zárjuk a B B2 pontokat, akkor egy C osztályú működést kapunk. Állítsunk be V-os bemeneti amplitúdót. Mi jellemző erre a beállításra? Az R4 ellenállás legyen.5k ezzel AB üzemet állítottunk be. Vizsgáljuk meg most is a kimenőjelet, valamint a Q Q2 tranzisztorokon folyó áramokat V-os amplitúdójú szinuszos bemenőjel esetén. Végül állítsunk be tiszta A osztályú működést, amihez az R4 ellenállást 2.7k ra állítsuk be. Ellenőrizzük a kimenő jelalakot, valamint az áramokat. Mekkora a munkaponti áram? 8

19 5.2.. ábra 9

20 5.3 Végfokozat vizsgálata valódi áramkörön Komplementer pár Q, Q2 (BC30, BC303), illetve Q3 (BC82) tranzisztorok segítségével állítsuk össze az áramkört, ellenőrizzük a munkaponti paramétereket, és szinuszos gerjesztés esetén a jelalakokat. 6. Frekvenciafüggés 6.. Földelt emitteres fokozat emitter kondenzátor okozta frekvenciafüggése A jegyzet 4. oldal. Számítsuk ki a a ábra szerinti áramkör feszültség erősítésének alsó határfrekvenciáját Földelt emitteres fokozat vizsgálata LTSPICE szimulációs programmal Állítsuk össze a már munkapont beállítás szempontból vizsgálat ábra szerinti kapcsolást a C emitter kondenzátorral együtt. Végezzünk AC analízist 0Hz és 0MHz közötti frekvenciákra Földelt emitteres fokozat vizsgálata valódi áramkörön Ellenőrizzük a rendelkezésre álló műszerek segítségével a -3 db-es pont frekvenciáját a megépített áramkörön. 20

21 6.2.. ábra 2

22 ábra 22

23 7. A tranzisztor kapacitásai által okozott frekvenciafüggés 7.. Miller kapacitás okozta frekvenciafüggés A Miller kapacitás leírását a jegyzet ( 42. oldalától. találjuk Miller kapacitás okozta frekvenciafüggésének vizsgálata LTSPICE szimulációs programmal A 7.2. szerinti áramkört megrajzolva, majd AC analízisnek alávetve az ábra felső részén látható Bode diagramot kapjuk. Értelmezze a kapott eredményt. Kicsit változtassunk ( ábra) az áramkörön úgy, hogy a BC kapacitást 4.7pF-ra állítjuk, miközben a BE kapacitást nagyon kicsire változtatjuk. A kapott feszültségerősítési frekvenciamenet az előzőhöz nagyon hasonló. Mi ennek az oka? A feszültség erősítés nagy sávszélességét a kaszkód kapcsolással tudjuk megtartani, amikor a nagy CBC ellenére megmarad a nagy sávszélességű feszültség átvitel. Ennek ára a még egy tranzisztor alkalmazása Miller kapacitás okozta frekvenciafüggésének vizsgálata valódi áramkörön Ellenőrizzük a 7.2. pontban kapott eredményeinket a próbapanelen. 23

24 7.2.. ábra 24

25 ábra 25

26 ábra 26

27 F. Félvezető dióda IU karakterisztikájának vizsgálata 27

28 Állítsuk össze az ábra szerinti kapcsolást és mérjük meg a dióda áram feszültség karakterisztikáját a DCsweep szimulációs paranccsal. 28

29 F2. Bipoláris tranzisztor B áramerősítési tényezőjének vizsgálata 29

30 F3. Bipoláris tranzisztor B áramerősítési tényezőjének vizsgálata Alakítsuk át az előző mérési összeállítást, hogy a mérésére legyen alkalmas. Hogyan függ a a munkaponti áramtól? 30

31 BOM. A laboratóriumi gyakorlatokhoz szükséges alkatrészek db NPN tranzisztor: BC82 db PNP tranzisztor: BC22 db BC30 BC303 pár db ua74 műveleti erősítő R: 2db 00 Ohm db 820 Ohm 2 db k db.5k db 2.7k db 4.4k (4.7k) db 5k db 5.6k 2 db 6.8k db 7550 Ohm 3db 0k db 4.4k db 5k 2 db 4.7p 2 db00uf 2 db00nf 3