Tranzisztoros erősítő alapkapcsolások vizsgálata

Átírás

1 5. mérés Tranzisztoros erősítő alapkapcsolások vizsgálata Bevezetés Az analóg elektronika, ezen belül is a tranzisztoros alapkapcsolások egy tipikus példáját jelentik azon villamosmérnöki ismereteknek, melyeknek pusztán elméleti ismerete, gyakorlati tapasztalatok nélkül nem elegendő. A mérés célja A mérés célja, hogy a hallgatók megismerjék a tranzisztoros alapkapcsolásokkal való munkát (munkapont számítás, helyettesítőkép paramétereinek számítása, bemérés, stb.). A felkészüléshez szükséges irodalom 0 [1] Dr. Hainzmann János Dr. Varga Sándor Dr. Zoltai József: Elektronikus áramkörök, Műegyetemi Kiadó, 44570, Bp., Aszimmetrikus (hárompólusú) erősítők, o. 2.4 Aszimmetrikus erősítők visszacsatolásának négy alapesete, o. 7. Aszimmetrikus tranzisztoros erősítő alapkapcsolások, o. 8.3 Fázishasító kapcsolás, o. [2] Dr. Székely Vladimír: Elektronika I., Műegyetemi Kiadó, 55054, Bp., Kisjelű helyettesítőképek, (5. fejezet, oldal) Feladatok a felkészüléshez 0. A mérést megelőző otthoni felkészülésként végezze el az alábbiakat önállóan! 1. Olvassa át alaposan A felkészüléshez szükséges irodalom c. szakaszban felsorolt könyvfejezeteket! 2. A Laboratórium 2. c. tárgy webes adatlapja alatt töltse le és válaszolja meg írásban az Ön számára kijelölt feladatot! 3. Olvassa el és gondolja végig a Mérési feladatokat! 4. Válaszolja meg a (mérési leírás végén található) Ellenőrző kérdéseket! Az írásbeli feladatokat (kézzel írott formában) be kell mutatni a mérésvezetőnek. Elfogadásuk előfeltétele a mérés megkezdésének. A felkészülést a mérésvezető szúrópróbaszerűen szóbeli kérdésekkel is ellenőrizheti. 47

2 Labor 2. Hallgatói segédlet Alkalmazandó műszerek Oszcilloszkóp Tápegység Függvénygenerátor Digitális multiméter (6½ digit) Digitális multiméter (3½ digit) Agilent 54622A Agilent E3630 Agilent 33220A Agilent 33401A Metex ME-22T Tesztpanel A mérendő objektumokat egy speciális mérőpanel tartalmazza, melynek felülnézeti képe az 5-1. ábrán látható ábra. A mérőpanel 48

3 5. mérés Tranzisztoros erősítő alapkapcsolások vizsgálata A panelen jumperek segítségével az alábbi méréseket végezhetjük el: bipoláris tranzisztoros erősítők:! földelt emitteres,! földelt kollektoros,! fázishasító, JFET-es földelt source-ú erősítő, tranzisztoros áramgenerátor. Mérési feladatok0. 1. Földelt emitteres erősítő alapkapcsolás A megfelelő jumperek felhelyezésével alakítsa ki az alábbi kapcsolást (5-2. ábra): 5-2. ábra. Földelt emitteres alapkapcsolás Csatlakoztassa a tápegységet és állítsa be a Házi feladatban előírt tápfeszültséget (U S = Supply Voltage), amihez a D, fordított polaritás elleni védődióda miatt kb. 0.6 V- tal magasabb U B (Battery) feszültséget kell a tápegységen beállítania! 1.1. Mérje meg a munkaponti feszültségeket! 1.2. A mért értékekből számítsa ki I C, I B, valamint B értékét! 1.3. Adjon a bemenetre f = 1 khz-es szinuszos jelet. Oszcilloszkóppal ellenőrizze a fokozat működését. Állítsa a bemenőjel amplitúdóját akkorára, hogy az erősítő kimenetén még torzítatlan jelet kapjon. Az alábbi helyettesítőkép alapján (5-3. ábra) mérje meg:! h 11e értékét,! h 21 = ß értékét, i BE1 u = BE 1 u R B BE, h 11e Δu = Δi BE BE1 U KI 1=0 49

4 Labor 2. Hallgatói segédlet! a fokozat erősítését,! a JP15 jumperrel beiktatott terhelés segítségével az erősítő kimenőellenállását! A váltakozó feszültségeket az Agilent multiméterrel mérje! Az eredményeket vesse össze a Házi feladatban kiszámított eredményeivel! 5-3. ábra. Tranzisztor helyettesítőkép h-paraméterek méréséhez 1.4. A terheletlen erősítő kivezérelhetőségének vizsgálata Figyelje meg az erősítő kimenőjelének eltorzulását feszültséggenerátoros (JP1 = ON), illetve kvázi áramgenerátoros (JP1 = OFF) meghajtás esetén! Adjon magyarázatot a tapasztaltakra! Határozza meg mindkét esetre a megengedhető maximális be-, illetve kimenőfeszültség értékeit! 2. Földelt emitteres alapkapcsolás emitterköri negatív visszacsatolással Alakítsa ki az alábbi kapcsolást (5-4. ábra): 5-4. ábra. Földelt emitteres alapkapcsolás emitterköri negatív visszacsatolással 50

5 5. mérés Tranzisztoros erősítő alapkapcsolások vizsgálata 2.1. Mérje meg a B, E, valamint C pontok feszültségeit, hasonlítsa össze a Házi feladatban kiszámított értékekkel! 2.2. Számítsa ki a tényleges I E és I C értékeket! 2.3. Mérje meg a terheletlen, és az 1 kω-mal terhelt erősítő feszültségerősítéseit, vesse össze a számítottakkal! 2.4. Határozza meg az erősítő kimenőellenállását! 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: 4.7 nf; JP14: 470 nf; JP15: 2.2 μf, 1 k). Az ilyen, ún. korrektor erősítők mérésénél a jelszintet kellő körültekintéssel kell meghatározni. Két szempontot kell figyelembe venni: o a jelszint a jó jel/zaj viszony érdekében legyen minél nagyobb, o az erősítő a maximális kiemelés frekvenciáján se vezérlődjön túl. A fentiek alapján gondolja végig, melyik jumper beiktatásával módosul a frekvenciamenet úgy, hogy az erősítés, azaz a kimenőjel maximális lesz. Végezzen gyors ellenőrzést és határozza meg az ehhez az állapothoz tartozó optimális bemenőfeszültséget. Állítsa a generátor frekvenciáját 1 khz-re, mérje meg ezt a jelszintet. Válassza az Agilent multiméter Math funkciói közül a db mérési funkciót, ennél az 1 khz-es szintnél rögzítse a referencia 0 db-es szintet! Ezek után a 20 Hz-200 khz 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. Értékelje a diagramokat, a töréspontokat hasonlítsa össze a Házi feladatban kiszámolt eredményeivel! 2.6. Az erősítő négyszögátvitelének mérése Adjon a bemenetre f = 1 khz-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?) Helyezze fel a JP7-es jumpert, mérje meg így is a felfutási időt! 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! 3. Fázishasító kapcsolás vizsgálata Állítsa össze az alábbi kapcsolást (5-5. ábra): 51

6 Labor 2. Hallgatói segédlet 5-5. ábra. Fázishasító kapcsolás 3.1. Mérje meg a B, E, C pontokon a munkaponti feszültségeket! Adjon a bemenetre f = 1 khz frekvenciájú 1 Vpp 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, kω emitterterheléssel (JP13, JP15 ON), kω kollektorterheléssel (JP12, JP15 ON)! Magyarázza meg a tapasztaltakat! 4. Földelt kollektoros (emitterkövető) kapcsolás vizsgálata. A JP8 jumper felhelyezésével az előző fázishasítóból emitterkövetőt alakíthatunk ki. Indokolja ennek helyességét! Csatlakoztassa az oszcilloszkóp két csatornáját DC csatolással az emitter, illetve a bázis pontokra. (A nullvonalak és erősítések azonosak legyenek!) Adjon a bemenetre f = 1 khz-es szinuszjelet. Vizsgálja meg és értelmezze a működést! Növelje a bemeneti jel amplitúdóját addig amíg az emitteren a jel éppen torzítani kezd Mérje meg a maximális torzítatlan kivehető jel nagyságát! 4.2. Terhelje le 1 kω-mal az emitterkövetőt! Mit tapasztal? Határozza meg így is a maximálisan kivehető jel nagyságát! 4.3. Igazolja számítással is a 4.2 pontban mért eredményét! 4.4. Mérje meg az emitterkövető kimeneti ellenállását f = 10 khz-en Rg = 0 és R g = generátorellenállások esetén! Az előző pontokban láttuk, hogy az emitterkövető kivezérelhetőségi problémái miatt a kimenőimpedancia mérése a szokásos terheléses mérésekkel a kis kimenőimpedancia 52

7 5. mérés Tranzisztoros erősítő alapkapcsolások vizsgálata miatt problematikus lehet. Ezért a mérést a kimenetre kényszerített mérőáram által a kimeneti impedancián létrehozott feszültségmérésre vezetjük vissza. Tervezze meg a mérési összeállítást! A kimenőellenállással arányos feszültséget az E ponton az AC feszültségmérőként használt Agilent multiméterrel mérje. A mérőfrekvencián a 2.2 μf-os kondenzátor már rövidzárnak tekinthető! Határozza meg számítással és méréssel a kimenőellenállást a bemenet rövidrezárt állapotában (Rg = 0)! Határozza meg számítással és méréssel a kimenőellenállást a bemenet szakadt állapotában is! Kiegészítő mérési feladatok 5. JFET-es földelt source-ú erősítő vizsgálata 5.1. Mérje meg a mérőpanelen található erősítő munkaponti feszültségeit (a G, S, D pontokon), és határozza meg ezekből az I D és I S munkaponti áramokat! 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. ) 5.3. Mérje meg a visszacsatolt erősítő erősítését is! Valamennyi mérési eredményét vesse össze a Házi feladatban kiszámolt értékekkel A FET-es erősítő kivezérelhetőségének vizsgálata. Növelje a bemeneti váltakozójel amplitúdóját addig amíg a kimeneti jelforma láthatóan torzulni kezd Mérje meg a visszacsatolás nélküli erősítő maximális bemeneti feszültségét! Mérje meg a visszacsatolt erősítő maximális bemeneti feszültségét is! Adjon magyarázatot a jeltorzulás jellegére mindkét esetben! 6. Tranzisztoros áramgenerátor vizsgálata Ennél a mérésnél a tápfeszültséget (U S ) növelje meg 20 V-ra! Számítsa ki az áramgenerátor várható áramát U 2 = 10 V kimeneti feszültséget feltételezve! 6.1. Méréssel ellenőrizze számításának helyességét! 6.2. Vegye fel az áramgenerátor áram-feszültség karakterisztikáját 4 V < U S < 20 V tartományban! 6.3. Határozza meg az áramgenerátor kimenőellenállását! 7. Erősítő kivezérelhetőségének mérése Alakítsa ki az 5-4. ábra szerinti földelt emitteres alapkapcsolást emitterköri negatív visszacsatolással. Erősítők kivezérelhetőségének kvantitatív jellemzése adott torzítási tényezőhöz tartozó be-, illetve kimeneti feszültséggel történhet. A harmonikus torzítást a k = n i= 2 u 1 u 2 i 53

8 Labor 2. Hallgatói segédlet összefüggésből határozhatjuk meg, ahol u 1 az alapharmonikus, u 2...u n a megfelelő felharmonikusok effektív értékei Határozza meg f = 1 khz-en a k = 2% torzításhoz tartozó kimenő feszültség értékét! A terheletlen alapkapcsolást vizsgáljuk (JP7, JP14 és JP15 OFF). Az oszcilloszkóp FFT funkciója segítségével mérje meg 4 különböző szinten a k torzítási tényező függését a bemenőjel effektív értékétől! A javasolt négy szint meghatározása: Növelje a bemenőjelet addig, míg a kimeneti jelen szemmel éppen látható torzulást nem tapasztal. Ezt tekintse 100% kivezérlésnek. Növelje a szintet addig, míg a jel már jól láthatóan szögletesedik (ez a túlvezérelt állapot), a másik két bemenőszint legyen az 50%-os illetve a 75%-os kivezérlésnek megfelelő. Az analízist a 9. harmonikusig elég elvégezni (fsr = 20 ks/s). Ügyeljen arra, hogy az oszcilloszkópon a jel mindig megfelelő nagyságú legyen, de az Y csatorna ne vezérlődjön túl! Ellenőrző kérdések 1. Definiálja az aszimmetrikus erősítőkre az illesztési jellemzőket (bemeneti és kimeneti impedanciákat) az átviteli jellemzőket (a feszültség- és áramerősítést, a transzfer impedanciát és admittanciát)! 2. Hogyan számítható a bemeneti és a kimeneti időállandó a földelt emitteres alapkapcsolásoknál? 3. Hogyan definiáljuk a felfutási és a lefutási időket? 4. Mi a tetőesés és mi okozza? 5. Milyen összefüggés van a felfutási idő és a felső határfrekvencia között? 6. Milyen összefüggés van az alsó határfrekvencia és a tetőesés között? 7. Hogyan határozható meg egy földelt emitteres / kollektoros / bázisú alapkapcsolás tranzisztorának munkapontja egy és két tápfeszültséges kapcsolásban? 8. Hogyan számíthatók ki a bipoláris tranzisztorok vezetés (g) és hibrid (h) paraméterei a tranzisztorok munkaponti adataiból? 9. Hogyan számíthatók ki a bipoláris tranzisztoros alapkapcsolások feszültségerősítése, bemeneti ellenállása, kimeneti ellenállása a tranzisztorok g vagy h paramétereinek ismeretében? 10. Rajzolja fel a bipoláris tranzisztorok nagyfrekvenciás hibrid p helyettesítőképét és határozza meg a munkaponti adatok ismeretében a helyettesítőkép egyes elemeinek értékét! 11. Mit értünk fizikai paraméterek alatt? 12. Milyen hatással van az emitter ellenállás a nagyfrekvenciás időállandókra? 13. Rajzolja fel a földelt emitteres alapkapcsolás kisfrekvenciás Bode-diagramját! 14. Milyen hatással van az emitterkondenzátor a földelt emitteres erősítő Bode-diagramjára? 54