POLITECHNIKA WROCŁAWSKA	Zofia Lenkiewicz 202343 Dorota Burdyna 202307 Maciej Kozak 202372 GRUPA 3	Kierunek ETK Rok studiów 2 Semestr IV letni Rok akademicki 2013/2014
LABORATORIUM PODSTAW ELEKTRONIKI
Data ćwiczenia : 02.04.2014r	TEMAT: Liniowy przetwornik sygnału na tranzystorze polowym.	Ocena
Numer ćwiczenia : 5

1. Cel ćwiczenia

Zbadanie wzmacniającego układu o wspólnym źródle (WS) na tranzystorze polowym (unipolarnym) jako liniowego przetwornika sygnałów przemiennych przy współpracy układu ze źródłem o różnych parametrach i obciążeniami wyjścia o określonych rezystancjach.

2. Spis przyrządów

• Zasilacz stabilizowany, typ ZSM-1/97, nr inw. I29/EW-27i/2000

• Generator, typ FG-8002, nr inw. I29-IVa-4526

• Multimetr – woltomierz, omomierz METEX, R_V=10 MΩ, typ MXD-4660A,

nr inw. I29-IVa-4537

• Oscyloskop, typ OS-5020, nr inw. I29-IVa-4444

Parametry zastosowanych w układzie rezystorów:

Rezystor	Rezystancja znamionowa	Rezystancja zmierzona
RG [MΩ]	0,68	0,6705
RD [kΩ]	27	26,96
RS [kΩ]	2,7	2,679
Rg [MΩ]	0,33	0,3272
RL[kΩ]	56	54,33

Podstawowe właściwości zastosowanego tranzystora:

Typ i ogólne cechy Parametr tranzystora	2N4416 polowy złączowy z kanałem n, mała moc
UDSmax [V]	30
IDmax [mA]	15
ϑjmax[]	200
PM[W]	0,3
UP[V]	-(1,6÷3,2), typ. -2,8
IDSS[mA]	6÷10, typ. 7

3. Pomiary spoczynkowego punktu pracy wzmacniacza WS

A. Schemat układu pomiarowego

Rys.1 Układ wzmacniacza w układzie WS bez C_S z wejściem zwartym do masy.

B. Tabela pomiarowa

Pomiary napięć	Obliczenia
ED [V]	UD [V]
24,17	7,742

Uwagi: Napięcie zasilania E_D różni się poprawnej wartości o 0,7% (dopuszczalna odchyłka 3%). Napięcie drenu U_D różniło się znacznie od poprawnego. Po skorygowaniu wartości R_S z wyliczonej

3,3 kΩ na 2,7 kΩ różnica wynosi 10,6% przy dopuszczalnej odchyłce 30%. Napięcie U_G jest znacznie mniejsze od 10 mV, co świadczy o tym, że tranzystor pracuje poprawnie – nie jest uszkodzony.

C. Obliczenia

U_GS = U_G − U_S = 0, 02 • 10⁻³ V − 1, 6324 V = −1, 6324 V

U_DS = U_D − U_S = 7, 742 V − 1, 6324 V = 6, 110 V

$I_{D} = I_{S} = \frac{U_{S}}{R_{S}} = \frac{1,6324\ V}{2,679\ k\Omega} = 0,609\ mA$

$I_{G} = \frac{U_{G}}{R_{G}} = \frac{0,02\ mV}{0,6705\ M\Omega} = 0,03\ nA$

4. Pomiary parametrów zastępczych wzmacniacza

A. Schemat układu pomiarowego

Rys.2 Układ wzmacniacza w układzie WS bez C_S ze źródłem sygnału przemiennego, obciążeniem R_L oraz obciążeniem R_g, symulującym rezystancję źródła sygnału.

Rys.3 Układ pomiarowy do badania aktywnych czwórników napięciowych, przetwarzających sygnały przemienne.

B. Tabela pomiarowa

Wyznaczona częstotliwość środka pasma: f_m = 0, 551 kHz

Lp.	Warunki znamionowe	Pomiary	Obliczenia
	Rg [kΩ]	RL [kΩ]	typ transmitancji
1.	327,2	54,33	kuef
2.	0	54,33	ku
3.	0	∞	ku0

Uwagi: Pomiary nr 2 i 3 nie są miarodajne, ponieważ zostały przeprowadzone nieprawidłowo z winy autorów.

C. Obliczenia

${|k}_{\text{uef}}| = \frac{U_{o}}{E_{g}} = \frac{1,7804\ V}{0,4946\ V} = 3,6\ \left\lbrack \frac{V}{V} \right\rbrack$

${|k}_{u}| = \frac{U_{o}}{U_{i}} = \frac{1,2286\ V}{0,2274\ V} = 5,4\ \left\lbrack \frac{V}{V} \right\rbrack$

$\left| k_{u0} \right| = \frac{U_{o}}{U_{i}} = \frac{0,8947\ V}{0,1139\ V} = 7,9\ \left\lbrack \frac{V}{V} \right\rbrack$

$k_{u} = k_{u0}\frac{R_{L}}{R_{o} + R_{L}} \Rightarrow R_{0} = R_{L}\frac{k_{u0} - k_{u}}{k_{u}} = 54,33 \bullet \frac{7,9 - 5,4}{5,4}\text{\ k}\Omega = 25,15\ k\Omega$

$k_{\text{uef}} = k_{u}\frac{R_{i}}{R_{i} + R_{g}} \Rightarrow R_{i} = R_{g}\frac{k_{\text{uef}}}{k_{u} - k_{\text{uef}}} = 327,2 \bullet \frac{3,6}{5,4 - 3,6}\text{\ k}\Omega = 654,40\ k\Omega$

5. Wyznaczanie pasma pracy układu – częstotliwości granicznych dolnej i górnej według kryterium 3 dB.

A. Tabela pomiarowa

Uwagi: Układ pomiarowy jak w puncie 4.

Częstotliwość:	Lm	L-3 dB≈0,707Lm	f [Hz]	b	B	|Δϕ|	Uwagi:	ϕ
górna	5,0	3,5	10902	2,6	3,5	48⁰	Δϕ<0	132⁰
dolna			29	3,2	3,5	66⁰	Δϕ>0	246⁰

B. Obliczenia

$\left| \Delta\varphi \right| = arcsin\left( \frac{b}{B} \right) = arcsin\left( \frac{2,6}{3,5} \right) = 48$ - dla częstotliwości górnej;

$\left| \Delta\varphi \right| = arcsin\left( \frac{b}{B} \right) = arcsin\left( \frac{3,2}{3,5} \right) = 66$ - dla częstotliwości dolnej;

φ = 180 − 48 = 132 - dla częstotliwości górnej;

φ = 180 + 66 = 246 - dla częstotliwości dolnej;

6. Zestawienie wyników pomiarów z wynikami obliczeń teoretycznych

parametr	obliczone	zmierzone	błąd względny
spoczynkowy punkt pracy tranzystora	ED [V]	24,0	24,17
	UD [V]	7,0	7,742
	US [V]	2,1	1,6324
	UG [mV]	0	0,02
	UGS [V]	-2,0	-1,6324
	UDS [V]	4,9	6,110
	ID [mA]	0,63	0,609
	IG [nA]	0	0,03
parametry zastępcze wzmacniacza	|kuef | [V/V]	3,1	3,6
	|ku | [V/V]	4,6	5,4
	|ku0 | [V/V]	6,8	7,9
pasmo przenoszenia	fm [Hz]	700	551
	fg [Hz]	19593	10902
	fd [Hz]	25	29
Uwagi: Wartości zmierzone odbiegają od obliczonych ze względu na zastosowane w obliczeniach przybliżenia oraz korekcję wartości rezystora RS przed wykonaniem pomiarów.

7. Wnioski

• Wartość rezystora R_s wyliczona z wzorów empirycznych, które dotyczą elementów idealnych, wprowadzała zbyt duże odchylenie napięcia drenu, więc została przez nas skorygowana. Wprowadziło to rozbieżność pomiędzy wartościami obliczonymi z wzorów teoretycznych a rzeczywistymi, zmierzonymi podczas badania układu, parametrami spoczynkowego punktu pracy wzmacniacza WS. Dodatkowo niewielki błąd (do 3%) wprowadziły niepewności pomiarowe oraz rozbieżności pomiędzy parametrami znamionowymi a rzeczywistymi użytych elementów (głównie rezystorów).

• Spośród parametrów spoczynkowego punktu pracy tranzystora WS największą niedokładnością względem wartości obliczonej charakteryzuje się napięcie U_DS – ok. 25%, a najmniejszą parametry bramki, które w obliczeniach zostały przyjęte jako równe zeru. Zmierzone napięcie bramki jest o trzy rzędy niższe niż napięcia źródła i drenu, a zmierzony prąd bramki jest o siedem rzędów niższy niż prąd drenu.

• Parametry zastępcze wzmacniacza są średnio o 16,6% większe niż obliczone, tu jednak pomiary nie zostały przeprowadzone całkowicie prawidłowo, więc niemożliwe jest wyciągnięcie na ich podstawie prawidłowych wniosków.

• Pomiary częstotliwości pasma przenoszenia różnią się od wyliczonych o (16÷44)%, jednak wzory empiryczne zastosowane do ich wyliczenia charakteryzują się dużym błędem , więc pomiary można uznać za mieszczące się w granicy błędu.

• Zakres liniowej charakterystyki pracy tranzystora jest ograniczony z góry przez stan nasycenia tranzystora, czyli stan, w którym prąd drenu I_D jest praktycznie stały dla różnych wartości napięcia U_DS. Liniowa praca tranzystora następuje w stanie nienasycenia, poniżej niej natomiast następuje wyłączenie tranzystora.

• Zmierzona częstotliwość środkowa pasma przenoszenia jest praktycznie równa średniej geometrycznej częstotliwości dolnej i górnej. Zależność ta ma miejsce, ponieważ w przypadku pasma przenoszenia nie ma znaczenia różnica pomiędzy poszczególnymi wartościami częstotliwości, a jedynie stosunek jednej wartości do drugiej. Rozkład częstotliwości łatwiej jest przedstawić w skali logarytmicznej niż liniowej.