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., 1992 1.1 Aszimmetrikus (hárompólusú) erősítők, 18-22. o. 2.4 Aszimmetrikus erősítők visszacsatolásának négy alapesete, 72-80. o. 7. Aszimmetrikus tranzisztoros erősítő alapkapcsolások, 203-219. o. 8.3 Fázishasító kapcsolás, 224-225. o. [2] Dr. Székely Vladimír: Elektronika I., Műegyetemi Kiadó, 55054, Bp., 2003. Kisjelű helyettesítőképek, (5. fejezet, 42-56. 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
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. 5-1. ábra. A mérőpanel 48
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
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. 1.4.1. Figyelje meg az erősítő kimenőjelének eltorzulását feszültséggenerátoros (JP1 = ON), illetve kvázi áramgenerátoros (JP1 = OFF) meghajtás esetén! Adjon magyarázatot a tapasztaltakra! 1.4.2. 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. 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: 2.5.1. Terheletlen erősítő (JP7, JP14 és JP15 OFF) 2.5.2. Terheletlen erősítő emitterkondenzátorral (JP7 és JP15 OFF, JP14 ON) 2.5.3. Terhelt erősítő kollektorköri kondenzátorral (JP14 OFF, JP7 és JP15 ON) 2.5.4. 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. 2.6.1. Vegye fel a kimenőjel időfüggvényét, mérje meg a tetőesést és a felfutási időt! (Melyik időállandó felelős a tetőesésért?) 2.6.2. Helyezze fel a JP7-es jumpert, mérje meg így is a felfutási időt! 2.6.3. 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
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: 3.1.1. terhelés nélkül, 3.1.2. 1 kω emitterterheléssel (JP13, JP15 ON), 3.1.3. 1 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. 4.1. 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
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! 4.4.1. Határozza meg számítással és méréssel a kimenőellenállást a bemenet rövidrezárt állapotában (Rg = 0)! 4.4.2. 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. 5.4. A FET-es erősítő kivezérelhetőségének vizsgálata. Növelje a bemeneti váltakozójel amplitúdóját addig amíg a kimeneti jelforma láthatóan torzulni kezd. 5.4.1. Mérje meg a visszacsatolás nélküli erősítő maximális bemeneti feszültségét! 5.4.2. 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
Labor 2. Hallgatói segédlet összefüggésből határozhatjuk meg, ahol u 1 az alapharmonikus, u 2...u n a megfelelő felharmonikusok effektív értékei. 7.1. 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