Badanie wzmacniacza OE

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zaprojektowanie rezystorowego wzmacniacza jednotranzystorowego, jak również doświadczalne wyznaczanie wartości skutecznego wzmocnienia napięciowego i charakterystyki przejściowej wzmacniacza oraz doświadczalne wyznaczanie charakterystyki amplitudowej jednotranzystorowego rezystorowego wzmacniacza napięciowego małych sygnałów. W przeprowadzanym ćwiczeniu zbadamy również zależność parametrów wzmacniacza od parametrów jego elementów.

 

2. Wprowadzenie.

Rysunek obok przedstawia schemat wzmacniacza rezystoro­wego z tranzystorem bipolarnym typu NPN. "T" oznacza tranzystor bipolarny typu n-p-n, a R_B1,R_B2 to rezystorowy dzielnik napięcia ustalający potencjał bazy tranzystora T. R_E i R_C to odpowiednio rezystory emiterowy (ustalający wartość prądu emitera jak również kolektora) i kolektorowy (ustala U_CE tranzystora oraz jego wzmocnienie). Rezystor R_G przedstawia rezystancję wewnętrzną źródła sygnału wejściowego, a R₀ to obciążenie podłączone na wyjście układu. Pojemności sprzęgające C₁ i C₂ (separacja stałoprądowa). Z kolei kondensator C_E wpływa na przebieg charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza w zakresie małych częstotliwości. Rezystancja R_e to rezystor emiterowy realizujący obwód lokalnego ujemnego sprzężenia zwrotnego (powoduje zmniejszenie wartości wzmocnie­nia napięciowego układu, zwiększenie stałości tego wzmocnienia). U_ZAS(+) to (+U_CC), a U_ZAS(-) to (-U_EE).

3. Zadane parametry projektowe.

Tranzystor	Rg [W]	kus0 [V/V]	fd(3dB) [Hz]	Błąd! Nie zdefiniowano zakładki.Um,wy min [V]	RO [kW]
BC107B	4150	140±10	100±10	2,0	10,0

4. Wyznaczanie R_C, R_E, I_CQ, U_CEQ.

Przyjmując b₀=240, U_CC=15V i U_EE=-15V (z instrukcji do ćwiczenia) oraz korzystając ze wzorów wyprowadzonych w materiałach pomocniczych do laboratorium (wzory obok), po dość złożonych przekształceniach otrzymamy poniższe równanie kwadratowe, z którego wyznaczymy R_C.

 

 

Otrzymaliśmy dwie wartości oporu R_C: 7,89kW oraz 23kW. Jednak dla rezystancji o wartości 7,89kW maksymalna amplituda niezniekształconego napięcia wyjściowego jest większa, czyli:

R_C = 7,89kW, R_CO = 4,41kW, I_CQopt = 2,29mA, U_CEQopt = 10,11V, R_E = 789W.

5. Wyznaczanie R_B1, R_B2.

Z napięciowych równań Kirchoffa:

 

Po podstawieniu i obliczeniu otrzymujemy: R_B1 = 262 kW, R_B2 = 26,3 kW, U_B = -12,49V.

6. Obliczanie wartości skutecznego wzmocnienia napięciowego wzmacniacza w punkcie pracy.

Korzystając ze wzorów:

 

 

otrzymujemy: k_us0 = -144 (co mieści się w granicach błedu).

7. Dobór wartości pojemności w celu uzyskania zadanego zakresu dolnej częstotliwości granicznej.

Stałe czasowe obliczyliśmy z następujących zależności:

 

 

 

 

 

 

Otrzymujemy: t_E > 1,59ms, t₁ > 7,96ms, t₂ > 7,96ms.

Stąd: C_E > 63mF, C₁ > 1,21mF, C₂ > 0,44mF.

2. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA ĆWICZENIA

2.1.1. Użyte Elementy.

Elementy układu dobraliśmy według szeregu E12 (rezystancje) oraz E6 (pojemności) o wartościach jak najbardziej zbliżonych do wartości otrzymanych na drodze obliczeń.

R_B1 = 270 [kW]

R_B2 = 26 [kW]

R_G = 3,9 [kW]

R₀ = 10 [kW]

R_C = 7,5 [kW]

C_E = 100 [mF]

C₂ = 470 [nF]

C₁ = 2,2 [mF]

2.1.4 Punkt pracy zmierzony doświadczalnie.

Otrzymaliśmy następujące wartości:

U_CEQopt = 9,73 [V] 

I_CQopt = 2,24 [mA]

Punkt pracy otrzymany z obliczeń wyniósł:

U_CEQopt = 10,1 [V] 

I_CQopt = 2,3 [mA]

Różnica pomiędzy wartością otrzymaną a wyliczoną jest niewielka, można zatem wysnuć wniosek, że wzmacniacz został zaprojektowany prawidłowo, co pozwala przystąpić do dalszej części ćwiczenia. Niedokładność jest spowodowana błędem obliczeniowym oraz, w znacznie większej mierze, koniecznością użycia elementów występujących w danym szeregu, które nieznacznie różnią się od wyliczonych wartości.

2.2.1 Weryfikacja projektu, czyli pomiar wartości skutecznego wzmocnienia napięciowego zmontowanego wzmacniacza oraz charakterystyki przejściowej.

Częstotliwość generatora ustawiliśmy na 10kHz, która to częstotliwość powinna mieścić się w podzakresie średnich częstotliwości pasma przepustowego wzmacniacza.

W celu pomiaru charakterystyki przejściowej wzmacniacza, zanotowaliśmy wartości UWE i UWY. Wyniki pomiaru są przedstawione w tabelce oraz wykresie poniżej.

UWE [mV]	UWY [V]
10	3,5
15	4,8
18	6,4
21	6,9
25	9
30	9,7

Po zwiększaniu Uwe powyżej 30 mV, zgodnie z oczekiwaniami sygnał otrzymany na wyjściu okazał się być zniekształcony

 

Otrzymaliśmy liniową charakterystykę przejściową. Teraz przy pomocy programu Origin, stosując metodę regresji liniowej, otrzymuję współczynnik nachylenia prostej równy: a=329. Szukany współczynnik jest współczynnikiem wzmocnienia napięciowego k_us = 329 [V/V]. Aby policzyć k_us0 zastosuję następujący wzór:

 

Do policzenia R_in wykorzystam znane zależności otrzymując R_in = g_be = 2836Ω.

k_us0 = k_u0 0,4 = 131,6 [V/V]

Otrzymany wynik uważam za bardzo dobry, mieści się on w granicach tolerancji wyznaczonych jako warunki które spełniać ma zaprojektowany przez nasz wzmacniacz.

2.2.4 Odpowiedzi na pytania:

Dlaczego wynik pomiaru amplitudy napięcia na wyjściu "2V" gene­ratora SGS1 można uznać jako wynik pomiaru amplitudy sem. nawet wtedy, gdy inne wyjście generatora jest znacznie obciążone?

Ponieważ wyjście 2V jest w rząd wielkości większe od kolejnego wyjścia 0,2V. Nawet jeśli do pozostałych wyjść są podłączone duże obciążenia to nieznacznie zmieniają one wydajność wyjścia 2V. 

Czy obwód wejściowy Twojego wzmacniacza (jeśli R_G+R_i zostanie potraktowana jako część rezystancji wewnętrznej źródła sygnału) obciąża w sposób znaczący wyjście generatora sygnału, do którego został dołączony?

Jeśli obwód wejściowy potraktujemy jako element źródła sygnału, wtedy (pamiętając o wyliczonych wcześniej wartościach R_in) rezystancja własna źródła będzie w znaczącym stopniu obciążać źródło. Korzystając z własności dzielnika napięcia, więcej napięcia źródła odłoży się na rezystancji własnej, niż na rezystancji wejściowej układu wzmacniacza, co jest niedopuszczalne.

Jaka będzie odpowiedź na to samo pytanie, jeśli R_G+R_i potraktujesz jako element wzmacniacza?

Jeśli R_G+R_ipotraktujemy jako element wzmacniacza, to rezystancja wejściowa układu wynikająca z szeregowego połączenia R_in oraz R_G będzie o rząd wielkości większa od rezystancji wewnętrznej źródła napięcia. Jest to sytuacja pożądana, kiedy rezystancja wewnętrzna źródła nie obciąża wejścia układu.

Czy uzyskałeś zgodność założonej wartości wzmocnienia skutecznego dla średnich częstotliwości z wartością zmierzoną?

Tak, wartości które otrzymaliśmy mieszczą się w dolnej granicy zadanego k_us0 która wynosi 130. Układ został zatem właściwie zaprojektowany. Odstępstwa od wartości dla której projektowaliśmy układ, czyli k_us0 = 140, są spowodowane niemożliwością doboru idealnych elementów, jak również niedokładnością obliczeniową.

Jak i dlaczego zmienia się kształt sygnału na wyjściu wzmacniacza w miarę zwiększania jego wartości międzyszczytowej?

W miarę zwiększania wartości międzyszczytowej napięcia wejściowego, przy około 30 mV, dochodzimy do momentu kiedy amplituda wyjściowego sygnału zniekształca się. Zniekształceniu ulegają górne wartości "sinusa", są one spłaszczane. Dzieje się tak dlatego że układ został zaprojektowany dla jak największej maksymalnej amplitudy niezniekształconego sygnału, która wynosi ok. 10V, powyżej tego zakresu punkt pracy tranzystora sprowadza tranzystor w stan zatkania lub odcięcia przy zwiększonej amplitudzie sygnału sinusoidalnego, dlatego na wyjściu nie otrzymujemy idealnego "sinusa".

2.3.1 Pomiar charakterystyki amplitudowej zmontowanego wzmacniacza.

Zależność amplitudy napięcia wyjściowego od częstotliwości przedstawia poniższy wykres:

f [Hz]	UWY [V]
29	2,8
69,5	5,16
107	6,5
183,8	7,9
332	8,75
388,9	8,88
507,9	9,05
1000	9,2
1770	9,33
4000	9,5
10000	9,5
60000	9,5
80000	9,5
100000	9,4
110000	9,3
130000	9,1

 

W celu wykreślenia zależności k_us od częstotliwości korzystam z następujących zależności:

k_us1=U_m,wy/E_m,g,we [V/V] i k_us=20 lg k_us1 [dB], gdzie E_m,g,we = 30 [mV]

f [Hz]	kus [dB]
29	32,0412
69,5	37,35103
107	39,35631
183,8	41,05058
332	41,9382
388,9	42,0663
507,9	42,23101
1000	42,3738
1770	42,49567
4000	42,65251
10000	42,65251
60000	42,65251
80000	42,65251
100000	42,5606
110000	42,4677
130000	42,27887

 

2.3.2 Wyznaczenie wartości górnej i dolnej częstotliwości granicznej.

Oszacowana z wykresu wartość górnej i dolnej częstotliwości granicznej pasma przepustowego wzmacniacza wynosi:

f_d = 0,5 [kHz]

f_g = 110 [kHz]