WTÓRNIK EMITEROWY1 1. Cel ćwiczenia 2. Projekt 1

Instytut Systemów Elektronicznych - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych
Ćwiczenie 2 - instrukcja, semestr letni 2016
Przy projektowaniu wtórnika uwzględnij następujące wymagania i założenia:
WTÓRNIK EMITEROWY
1
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie sposobu działania wtórnika emiterowego - ważnego układu,
służącego do dopasowywania rezystancji w układach elektronicznych.
Wykonujący ćwiczenie ma za zadanie zaprojektowanie wtórnika emiterowego dla
zadanej rezystancji źródła sygnału i określonej rezystancji obciążenia, a następnie zbadanie
w laboratorium właściwości zaprojektowanego wtórnika i porównanie zmierzonych
parametrów rzeczywistego układu z wynikami obliczeń projektowych.
Ćwiczenie powinno pokazać osobie je wykonującej, co ma największy wpływ na parametry robocze wtórnika, a także jak się ten układ zachowuje przy sterowaniu sygnałem o
dużej amplitudzie, przy pracy z obciążeniem pojemnościowym oraz w czasie pobudzania
przebiegiem o stromych zboczach.
2. Projekt
Wybierz z tabeli odpowiedni zestaw parametrów, dla których zaprojektujesz wtórnik:
rezystancję wewnętrzną źródła sygnału RG, napięcie stałe UG na wyjściu źródła sygnału,
rezystancję obciążenia RO oraz wymaganą minimalną rezystancję wejściową rWE.
Napięcia zasilania wynoszą +15 V i - 15 V.
zestaw
1
2
3
RG [kΩ]
33
27
22
RO [kΩ]
1,2
1
0,82
4
5
6
7
27
18
22
22
39
1,2
0,75
1
0,82
1,5
2,1
2
-2,7
-3
1,5
1,8
-2
-2,2
rwe [kΩ]
200
165
120
175
120
165
135
220
2. Oblicz, uwzględniając wartości rezystancji użytych oporników (z szeregu E12) i rozrzut
wzmocnienia prądowego tranzystora, przewidywane potencjały na jego elektrodach. Wpisz
uzyskane wyniki do odpowiednich rubryk w protokole.
3. Oblicz, uwzględniając rozrzut wzmocnienia prądowego tranzystora, przewidywane
zakresy małosygnałowych parametrów roboczych zaprojektowanego wtórnika:
- rezystancji wejściowej rwe (z dołączonym obciążeniem o rezystancji RO),
- rezystancji wyjściowej rwy (z dołączonym źródłem sygnału o rezystancji RG),
- wzmocnienia napięciowego zwykłego kuo i skutecznego kuso.
4. Oblicz pojemność kondensatora w obwodzie wyjściowym, tak aby dolna częstotliwość
graniczna zaprojektowanego układu nie była większa od około 10 Hz.
Uwagi:
1. Jeśli obliczona pojemność przekroczy 1 μF, trzeba będzie zastosować kondensator
elektrolityczny. W takim przypadku zaznacz na schemacie projektowanego wtórnika
właściwy kierunek polaryzacji tego kondensatora.
2. Kondensatory elektrolityczne to elementy bardzo mało dokładne i najczęściej są
dostępne tylko pojemności z niepełnego szeregu E6. Załóż więc, że w laboratorium możesz
użyć kondensatorów o pojemnościach 2,2 μF, 4,7 μF i 10 μF, oraz kondensatorów o
pojemnościach dziesięć albo sto razy większych.
8
UG [V]
- wejście wtórnika będzie dołączone do źródła sygnału bezpośrednio, baza tranzystora
będzie więc polaryzowana napięciem UG,
- obciążenie będzie dołączone do wyjścia wtórnika przez kondensator,
- tranzystor może mieć wzmocnienie prądowe βDC = 200...400 A/A, a wtórnik powinien
spełniać postawione wymagania projektowe dla dowolnie wybranego tranzystora.
1. Zaprojektuj wtórnik z tranzystorem NPN, który po włączeniu pomiędzy źródło sygnału o
rezystancji wewnętrznej RG i obciążenie o rezystancji RO będzie miał rezystancję wejściową
rwe nie mniejszą niż podana w tabeli. Jednocześnie zadbaj o to, aby na wyjściu wtórnika
dało się uzyskać jak największą amplitudę UOmax nie obciętego sygnału. Oblicz tę amplitudę.
Oblicz amplitudę sygnału, którą dałoby się uzyskać na obciążeniu R O bez
zastosowania wtórnika, czyli przy bezpośrednim dołączeniu go do generatora o rezystancji
wewnętrznej RG.
1
) Autor instrukcji: mgr inż. Maciej Radtke, [email protected]
1
5. Rozważ sytuację, gdy ze źródła sygnału nie może być pobierany prąd stały. Wtedy
pomiędzy źródło sygnału a wejście wtórnika trzeba włączyć dodatkowy kondensator, a
napięcie UG na bazie tranzystora należy "odtworzyć" przy pomocy dzielnika napięciowego.
Zaproponuj takie wartości rezystorów dzielnika, aby zapewnić kompromis pomiędzy
uzyskanym wzmocnieniem (w miarę możliwości jak najbliższym zadanemu) a odpornością
zaprojektowanego układu na rozrzut wzmocnienia prądowego tranzystora. Dzielnik może
być włączony pomiędzy napięcia 15 V i -15 V albo pomiędzy jedno z tych napięć i masę.
Narysuj schemat zmodyfikowanego wtórnika.
Dodatkowy kondensator będzie miał pojemność 1 μF.
Instytut Systemów Elektronicznych - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych
Ćwiczenie 2 - instrukcja, semestr letni 2016
6. W jaki sposób można zmierzyć wzmocnienie zwykłe i skuteczne wtórnika emiterowego?
Przemyśl procedurę pomiarową, ewentualnie opisz ją krótko w części projektowej
protokołu (a najlepiej, dla własnej wygody, narysuj schemat układu pomiarowego).
7. Zastanów się, czy i jak, znając rezystancje R G i RO oraz wyniki pomiarów
małosygnałowych parametrów roboczych wtórnika, można oszacować współczynnik
wzmocnienia prądowego βAC zastosowanego tranzystora.
3. Wykonanie ćwiczenia
Uwaga: w laboratorium są dostępne tranzystory o skrajnych wartościach wzmocnienia
prądowego (200 i 400 A/A). Wszystkie pomiary powinny być wykonywane dla tego
tranzystora, dla którego uzyskanie założonych parametrów wtórnika jest trudniejsze. W
razie wątpliwości należy wykonać pomiary dla obu tranzystorów i wybrać "gorsze"
wyniki.
Zadanie 1 - Sprawdzenie poprawności układu i wielkosygnałowa praca wtórnika
emiterowego (2 p)
Na płytce modułu DWT zmontuj zaprojektowany wtórnik emiterowy w wersji bez dzielnika
polaryzującego bazę. Pomiędzy zaciski Z1 i Z2 (RG) wmontuj opornik R G, a w pomiędzy
zaciski Z3 i Z4 (C1) - zworę. Do wejścia WE1 dołącz wyjście generatora. Do wejścia WE2
nie należy dołączać niczego, nawet samego przewodu BNC.
Na zacisku Z2 widzisz teraz wyjście źródła sygnału o rezystancji wewnętrznej R G.2
Jeśli chcesz zaobserwować lub zmierzyć sygnał na wyjściu nie obciążonego źródła sygnału,
wystarczy na czas pomiaru odłączyć wejście wtórnika (np. wymontować zworę). Pomiary w
tym miejscu należy dokonywać przy pomocy sondy oscyloskopowej.
Przełącznik P3 ustaw w pozycji "+15 V", przełącznik P4 w pozycji "-15 V". Pomiędzy
zaciski Z12 i Z13 (R3) wmontuj zworę. Pomiędzy zaciski Z18 i Z19 (C3) wmontuj
kondensator o obliczonej pojemności, pamiętając o jego właściwej polaryzacji. Opornik RO
wmontuj pomiędzy zaciski Z22 i Z23 (R6), a opornik emiterowy R E pomiędzy zaciski Z14 i
Z15 (R4). Płytki z tranzystorem montuj po ściętym rogiem w kierunku zacisku Z113.
Wyjście wtórnika jest teraz dołączone do wyjścia WY2 modułu DWT.
1. Zanim włączysz wyjście generatora ustaw właściwe napięcie stałe UG ("Offset") oraz
amplitudę sygnału z generatora równą 2 mVpp (ustawienie amplitudy 0 mV nie jest w
generatorze DG1032Z możliwe). Następnie włącz wyjście generatora oraz zasilanie modułu
DWT. Zmierz woltomierzem potencjały na elektrodach tranzystora, zanotuj je i porównaj z
projektem. W razie wystąpienia rozbieżności znajdź przyczyny różnic albo popełniony błąd.
Pomiary
wykonaj
dla
obu
tranzystorów
(o
wzmocnieniach
prądowych
β = 200 i 400).Wybierz "gorszy" tranzystor (ten, dla którego będzie trudniej uzyskać
założone parametry wtórnika) i wmontuj go do modułu DWT.
2. Ustaw częstotliwość sygnału sinusoidalnego w generatorze na kilka kHz. Obserwuj
oscyloskopem sygnał na wyjściu wtórnika (sondą oscyloskopową na emiterze tranzystora).
Zmieniaj amplitudę sygnału z generatora i znajdź taką amplitudę U Omax sygnału na wyjściu
wtórnika, przy której zaczyna się obcinanie jednego z wierzchołków sinusoidy. Zanotuj ją, a
następnie naszkicuj kształt sygnału na emiterze tranzystora w sytuacji, kiedy występuje
wyraźne obcinanie (na rysunku zanotuj też amplitudę sygnału podawanego z generatora).
Czy udało się uzyskać co najmniej taką wartość amplitudy niezniekształconego sygnału na
wyjściu wtórnika, jaka została obliczona w projekcie? Jeśli nie, znajdź przyczynę
niewłaściwego działania wtórnika i popraw swój układ. Jeśli udało się uzyskać
niezniekształcony sygnał wyraźnie większy niż przewidywany, zastanów się, czy Twój
projekt jest optymalny (to znaczy, czy "nadmiar amplitudy" nie będzie oznaczał
pogorszenia innych parametrów wtórnika) oraz czy i jak można by go poprawić. Zapisz
swoje wnioski w protokole.
3. Czy w zaprojektowanym wtórniku byłoby możliwe obcinanie drugiego wierzchołka
sinusoidy? W jakich warunkach mogłoby to nastąpić? Czy wtórnik zbudowany z
tranzystora PNP będzie się zachowywał tak samo? Uzasadnij odpowiedź.
Zadanie 2 - małosygnałowa praca wtórnika emiterowego (2 p)
Uwagi do pomiarów wykonywanych w tym zadaniu:
- pomiary powinny być wykonywane przy użyciu sygnału sinusoidalnego o częstotliwości
kilka kHz (czyli na pewno w pasmie przepustowym układu) i o amplitudzie wyraźnie
mniejszej od wcześniej zmierzonej wartości UOmax.
- pomiary i obserwacje napięć zmiennych powinny być wykonywane przy pomocy
oscyloskopu i sondy oscyloskopowej. Rezystancja wejściowa sondy jest równa 10 MΩ,
dzięki czemu zakłóca ona warunki pomiarów w niewielkim stopniu. Masę sondy należy
koniecznie połączyć z masą płytki.
2
) W laboratorium nie ma źródeł sygnału o dowolnych rezystancjach wewnętrznych,
więc takie źródła buduje się sztucznie, poprzez włączenie dodatkowej rezystancji w szereg
z wyjściem generatora laboratoryjnego (który ma rezystancję wewnętrzną 50 Ω).
3
) Ścięty (nie: zaokrąglony!) róg płytki oznacza emiter tranzystora.
2
1. Korzystając z przemyśleń dokonanych w domu, zmierz wzmocnienia napięciowe:
zwykłe i skuteczne wtórnika emiterowego. Porównaj otrzymane wyniki z obliczeniami z
Instytut Systemów Elektronicznych - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych
Ćwiczenie 2 - instrukcja, semestr letni 2016
projektu. Jeśli wystąpiły znaczące różnice, spróbuj ustalić ich przyczyny. W razie potrzeby
zmierz wzmocnienie prądowe tranzystora przy pomocy modułu SBT1 (poproś o pomoc
prowadzącego).
2. Na podstawie wykonanych pomiarów wzmocnień i znajomości rezystancji R G oszacuj
rezystancję wejściową rwe badanego wtórnika. Porównaj uzyskany wynik z obliczeniami z
projektu, postaraj się wyjaśnić ewentualne rozbieżności.
3. Zmień rezystancję RO na 2 - 3 razy mniejszą i sprawdź, czy i jak ta zmiana wpłynęła na
wzmocnienia wtórnika, jego rezystancję wejściową oraz amplitudę nie obciętego sygnału
wyjściowego. Skomentuj uzyskane wyniki, wyjaśnij przyczyny zaobserwowanych zmian.
4. Sprawdź jak działa wtórnik emiterowy w sytuacji, kiedy przez kolektor tranzystora nie
płynie prąd. W tym celu wymontuj zworę wstawioną w miejsce opornika R3 (zaciski Z12 Z13). Jak się zmieniło wzmocnienie wtórnika? Dlaczego?
Zadanie 4 - wtórnik sprzężony pojemnościowo ze źródłem sygnału (1 p)
1. Wmontuj do modułu DWT oporniki R1 oraz R2. Przy pomocy przełączników ustaw
zasilanie dzielnika zgodne z projektem. Pomiędzy zaciski Z3 i Z4 zamiast zwory wmontuj
kondensator C1 o pojemności 1 μF.
2. Odłącz wyjście generatora i przy pomocy woltomierza zmierz potencjał na bazie
tranzystora. Czy jest on zgodny z przewidywanym?
3. Sprawdź, jak zastosowanie dzielnika służącego do polaryzacji bazy tranzystora wpłynęło
na własności wtórnika. W tym celu dokonaj pomiaru maksymalnej wartości
międzyszczytowej nie obciętego sygnału wyjściowego oraz wzmocnień napięciowych
wtórnika.
4. Na podstawie uzyskanych wyników oceń, czy oporniki stanowiące dzielnik zostały
dobrane poprawnie, czy może byłoby warto zmienić je na inne (na jakie?).
Zadanie 3 - sterowanie wtórnika emiterowego sygnałami o stromych zboczach (2 p)
1. Usuń sztuczną rezystancję wewnętrzną źródła sygnału (czyli rezystor R G) i zastąp ją
zworą.
4. Literatura
Uwaga: jeśli nie wiesz, dlaczego to robisz, zajrzyj do materiałów pomocniczych do
ćwiczenia.
1. Baranowski J., Nosal Z.: Układy elektroniczne cz. I.. WNT, Warszawa, 1998.
2. Kalinowski B.: Ćwiczenia laboratoryjne z Elektroniki 2. OWPW, Warszawa 2000
3. Radtke M.: materiały pomocnicze do ćwiczenia
2. Do wejścia wtórnika emiterowego doprowadź sygnał prostokątny (w generatorze wybierz
PULSE, nie SQUARE!) o wartości międzyszczytowej kilkaset mV oraz o częstotliwości
kilka kHz. Ustaw czasy narastania i opadania zboczy na 10 - 20 ns. Zaobserwuj kształty obu
zboczy sygnału na wejściu i na wyjściu wtórnika. Naszkicuj sygnały wyjściowe na tle
wejściowych, zmierz ich czasy narastania i opadania. Czy któreś ze zboczy uległo
wyraźnemu pogorszeniu po przejściu przez wtórnik? Dlaczego?
Uwaga: podczas tych pomiarów odłącz od modułu DWT przewód BNC łączący wyjście
WY2 modułu DWT z oscyloskopem, wszystkich obserwacji dokonuj przy pomocy sondy
oscyloskopowej.
3. Obserwując sygnał wyjściowy na ekranie oscyloskopu, dołącz, pomiędzy wyjście
wtórnika a masę, dodatkową pojemność obciążającą o wartości od kilkuset pF do kilku nF
(na płytce modułu DWT nie ma dodatkowych zacisków, ale możesz dołączyć płytkę z
kondensatorem równolegle do RO, dotykając nią zacisków Z22 i Z23).
Co się stało? Czy wpływ dołączonej pojemności na oba zbocza jest taki sam? Naszkicuj
zaobserwowane przebiegi wyjściowe na tle sygnału z generatora (oba zbocza!) i wyjaśnij
zaobserwowane zjawiska.
3
5. Sprzęt potrzebny do wykonania ćwiczenia
DWT
SBT1
DG1032Z
DM3068
DS1062CA
moduł dydaktyczny do badania układów tranzystorowych
moduł do pomiaru wzmocnienia prądowego tranzystorów
generator sygnałów
multimetr cyfrowy
oscyloskop cyfrowy
Sonda oscyloskopowa, przewody połączeniowe dc i BNC.
Oporniki, zwory, kondensatory, tranzystory.
Z22
R6
Z23
WY2
Z19
Z21
R5
P4
Rys. 1: Moduł DWT
4
DC
WE2
-15V
I2
Z15
P2
R2
Z8
R4
Z14
Z3
WE1
DC
Z1
RG
Z2
C1
Z4
Z7
Z10
Z6
R1
Rys. 2: Schemat ideowy modułu DWT
-15V
C3
Z18
Z11
Z17
Z13
R3
Z9
P3
Z5
P1
+15V
I1
Z12
+15V
C2
Z16
Z20
DC
WY1
Ćwiczenie 2 - instrukcja, semestr letni 2016
DC
Instytut Systemów Elektronicznych - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych