P
OLITECHNIKA WI TOKRZYSKA
W
K
IELCACH
W
YDZIAŁ
E
LEKTROTECHNIKI
,
A
UTOMATYKI I
I
NFORMATYKI
K
ATEDRA
E
LEKTRONIKI I
S
YSTEMÓW
I
NTELIGENTNYCH
L
ABORATORIUM
P
ODSTAW
E
LEKTRONIKI
I
NSTRUKCJA
L
ABORATORYJNA
WICZENIE NR
11:
B
ADANIE WTÓRNIKÓW
K
IELCE
2006
- 2 -
1. Wst p teoretyczny
Wtórnikiem nazywamy wzmacniacz o wzmocnieniu napi ciowym bliskim jedno ci. Wtórnik mo na
skonstruowa na bazie tranzystora bipolarnego, unipolarnego lub przy wykorzystaniu wzmacniacza
operacyjnego. Podstawow zalet wtórników jest ich du a rezystancja wej ciowa oraz mała rezystancja
wyj ciowa, przez co znajduj szerokie zastosowanie w ró nego rodzaju układach. Wtórnik tak jak ka dy
wzmacniacz mo na scharakteryzowa wyznaczaj c jego charakterystyk amplitudow i fazow .
Rys. 1. Przykładowe charakterystyki wtórnika a) amplitudowa, b) fazowa
1.1. Wtórnik emiterowy
Układ tranzystora bipolarnego o wspólnym kolektorze
WC nazywany jest wtórnikiem emiterowym
Rys. 2. Tranzystor bipolarny w układzie
WC.
f
d
f
[Hz]
K
U
[dB]]
3 dB
K
Umax
f
d
f
g
[
°]
f
[Hz]
0
°
45
°
90
°
-90
°
-45
°
B
f
g
100
1k
10k
100k
1M
100
1k
10k
100k
1M
T
R
E
+E
U
we
U
wy
- 3 -
Napi cie wej ciowe jest doprowadzane mi dzy baz a emiter, wskutek czego zmienia si pr d
kolektora I
C
, a wi c i pr d emitera I
E
tranzystora. W wyniku tego zmianie ulega spadek napi cia na
rezystorze R
E
b d cy sygnałem wej ciowym. Z racji e napi cie U
BE
baza – emiter tranzystora zmienia
si tylko nieznacznie przy zmianach pr du kolektora, wiec napi cie wyj ciowe jest prawie dokładnie
równe napi ciu wej ciowemu.
WE
WY
R
U
U
U
E
≈
=
∆
. Wynika z tego, e wzmocnienie napi ciowe układu
jest w przybli eniu równe jedno ci:
1
≈
=
WE
WY
u
U
U
k
a potencjał emitera tranzystora nad a za potencjałem
bazy (st d nazwa układu – wtórnik emiterowy).
Cechy charakterystyczne wtórników rzeczywistych z tranzystorem bipolarnym:
•
w zakresie małych cz stotliwo ci przy obci eniu rezystancyjnym układ nie odwraca fazy sygnału
wej ciowego,
•
du a rezystancja wej ciowa rz du kilkudziesi ciu lub kilkuset kiloomów mo e by znacznie
zmniejszana przez bocznikuj ce działanie rezystorów polaryzuj cych baz ,
•
mała rezystancja wyj ciowa rz du kilkudziesi ciu omów,
•
wzmocnienie napi ciowe bliskie jedno ci
1
≈
U
k
, poniewa
WY
WE
U
U
≈
(st d nazwa wtórnik),
•
wzmocnienie pr dowe rz du jak w układzie
WE,
•
układ transformuje rezystancj z obwodu emitera do obwodu bazy jako rezystancj razy
wi ksz , natomiast rezystancj z obwodu bazy przenosi do obwodu emitera jako rezystancj
razy mniejsz . Taki układ cz sto nazywa si transformatorem rezystancji.
Układ o wspólnym kolektorze
WC ze wzgl du na wła ciwo ci rezystancji wej ciowej i wyj ciowej
stosuje si jako układ dopasowuj cy lub separuj cy.
Analiz wtórnika emiterowego dokonuje si z wykorzystaniem elementów macierzy hybrydowej
H
c
(charakteryzuj cej układ
WC). Poszczególne elementy macierzy H
c
mo emy otrzyma w oparciu o
parametry
H
e
układu
WE (obliczone podczas wiczenia dotycz cego badania tranzystorów bipolarnych)
posługuj c si nast puj cymi wzorami:
h
11c
= h
11e
h
12c
=
1 - h
12e
h
21c
= -
(1 + h
21e
)
h
22c
= h
22e
Impedancja wej ciowa tranzystora poł czonego w układzie
WC (rys. 2) wyra a si wzorem:
Z
we
h
11e
+ (1 + h
21e
) R
E
Przy rednich warto ciach parametrów macierzy
H
e
oraz przy zało eniu, e warto opornika R
E
jest
rz du kilku kiloomów, obliczona w ten sposób warto Z
we
wynosi w przybli eniu kilkaset kiloomów.
Projektowanie wtórnika z tranzystorem bipolarnym w układzie wspólnego kolektora determinuje
prawidłow prac tranzystora poprzez odpowiedni układ polaryzacji bazy. Warto zauwa y , e rezystory
wchodz ce w skład układu polaryzacji powoduj obni enie impedancji wej ciowej całego wzmacniacza.
Fakt ten uwidacznia si w potencjometrycznych układach polaryzacji. Cz ciowej eliminacji tego
zjawiska słu specjalne rozwi zania konstrukcyjne układów (specyficzne dla wtórników).
Układy polaryzacji wtórnika emiterowego przedstawia rys. 3.
- 4 -
Rys. 3. Układ polaryzacji wtórnika emiterowego: a) ze stałym pr dem bazy, b) potencjometryczny,
c) ze zwi kszon rezystancj wej ciow , d) typu „bootstrap”
Ka dy z układów polaryzacji wtórnika emiterowego cechuje wzmocnienie napi ciowe bliskie
jedno ci oraz porównywalna rezystancja wyj ciowa. Układy te ró ni si impedancj wej ciow
(impedancj wej cia wzmacniacza Z
we
). Sposób obliczenia impedancji wej ciowej dla omawianych
układów przedstawia poni sza tabela:
Układ polaryzacji:
Zale no opisuj ca Z
we
:
ze stałym pr dem bazy
B
E
e
e
we
R
R
h
h
Z
)
)
1
(
(
21
11
⋅
+
+
=
potencjometryczny
2
1
2
1
21
11
)
)
1
(
(
R
R
R
R
R
h
h
Z
E
e
e
we
+
⋅
⋅
+
+
=
ze zwi kszon rezystancj wej ciow
+
⋅
+
⋅
+
+
=
2
1
2
1
3
21
11
)
)
1
(
(
R
R
R
R
R
R
h
h
Z
E
e
e
we
typu „bootstrap”
+
⋅
⋅
+
+
≈
2
1
2
1
21
11
)
1
(
R
R
R
R
R
h
h
Z
E
e
e
we
T
R
E
+E
U
we
U
wy
R
B
C
T
R
E
+E
U
we
U
wy
R
1
C
R
2
T
R
E
+E
U
we
U
wy
R
1
C
R
2
R
3
T
R
E
+E
U
we
U
wy
R
1
C
R
2
R
3
C
2
d)
c)
b)
a)
Z
we
- 5 -
1.2. Wtórnik ródłowy
Układ tranzystora polowego o wspólnym ródle
WD nazywany jest wtórnikiem ródłowym.
Tranzystor polowy w układzie wspólnego ródła ma wysok rezystancj wej ciow . Warto Z
we
determinuj rezystory polaryzuj ce bramk . Wtórniki z tranzystorami polowymi przedstawia rys. 4.
Rys. 4. Wtórniki ródłowe a) z tranzystorem polowym zł czowym. b) tranzystorem polowym MOS
Istniej równie wtórniki ródłowe zbli one budow do układów przedstawionych na rys. 3c. i
rys. 3d. (zmniejszanie bocznikuj cego wpływu rezystorów w obwodzie bazy na rezystancj wej ciow ).
1.3. Wtórnik napi ciowy
Wtórnik otrzymany przez odł czenie rezystora R
1
w układzie wzmacniacza nieodwracaj cego
nazywany jest wtórnikiem napi ciowym. Wzór na wzmocnienie napi ciowe wzmacniacza
nieodwracaj cego ma posta :
1
2
1
R
R
k
u
+
=
Odł czenie R
1
(R
1
) eliminuje z przedstawionego wzoru
ułamek
1
2
R
R
(mianownik d y do niesko czono ci, zatem wyra enie d y do zera). Ostatecznie
wzmocnienie napi ciowe omawianego układu b dzie równe jedno ci. Wtórnik ze wzmacniaczem
operacyjnym w najprostszej wersji przedstawia rys. 5.
Rys. 5. Wtórnik ze wzmacniaczem operacyjnym.
Układ przedstawiony na rys. 5 najlepiej realizuje zało enia idealnego wtórnika w porównaniu z
opisywanym wcze niej układami (wzmocnienie napi ciowe równe 1V/V).
T
R
S
+E
D
U
we
U
wy
R
G
C
T
R
S
-E
U
we
U
wy
R
1
C
R
2
b
)
a)
Z
we
U
we
U
wy
- 6 -
Wtórnik napi ciowy posiada parametry okre laj ce przydatno wzmacniacza operacyjnego w
układach impulsowych. S to: odpowied impulsowa, czas narastania, przerzut oraz szybko zmian
napi cia wyj ciowego. Parametry te mo na bada laboratoryjnie (rys. 6.).
Rys. 6. Układ do badania odpowiedzi impulsowej
W układzie z rys. 6. na wej cie wtórnika podawany jest przez generator sygnał prostok tny o małej
amplitudzie (10
÷
50 mV) i specjalnie dobranej cz stotliwo ci. Dobór cz stotliwo ci odbywa si
do wiadczalnie tak, aby na ekranie oscyloskopu otrzyma odpowied na skok jednostkowy.
Rys. 7. Odpowied skokowa wtórnika a) sygnał wej ciowy b) sygnał wyj ciowy.
U
wy
kanał
A
kanał
B
Oscyloskop
R
G
U
we
C
t
[ s]
U
we
[mV]
]
5
10
15
20
t
[ s]
U
wy
[mV]
]
5
10
15
20
1
2
3
4
5
a
)
b)
6
7
1
2
3
4
5
6
7
Przesterowanie U
Czas narastania t
r
Warto ustalona
U
wyMAX
U
wyUST
t
2
t
1
- 7 -
Kształt odpowiedzi wzmacniacza pozwala oszacowa czas narastania t
r
=t
2
-t
1
. Jest to czas, który
upływa mi dzy momentami, kiedy napi cie wyj ciowe osi ga warto ci 10% oraz 90% liczonych od
warto ci ustalonej. Mo e si zdarzy , e czoło impulsu zawiera przesterowanie U = U
wyMAX
- U
wyUST
i
przekracza warto ustalon . W takim wypadku mo na oszacowa w procentach ró nic mi dzy
przesterowaniem a warto ci ustalon tzw. przerzut
%
100
⋅
−
=
wyUST
wyUST
wyMAX
U
U
U
U
δ
Maksymaln szybko zmian napi cia na wyj ciu wzmacniacza operacyjnego (pracuj cego w
układzie wtórnika napi ciowego) przy du ym sygnale wej ciowym o prostok tnym kształcie nazywamy
szybko ci zmian napi cia wyj ciowego (oznaczenia: SR). Na podstawie tej definicji mo emy zapisa
wzór
t
U
SR
wy
∆
∆
=
Typowy przebieg zale no ci U
wy
(t) przedstawia wykres na rys. 8. (przy sygnale wej ciowym o
amplitudzie ±5V).
Rys. 8. Zale no U
wy
(t) dla du ego sygnału wej ciowego
Wykres został wykonany dla wzmacniacza µ741. Na jego podstawie mo emy stwierdzi , e
nachylenia zboczy przedniego i tylnego s zbli one - wynosz ok. 0,5V/µs.
t
[ s]
U
we
[mV]
]
-2,5
0
2,5
5
0
10
20
30
40
a)
50
60
-5
t
[ s]
U
wy
[V]]
-2,5
0
2,5
5
0
10
20
30
40
b)
50
60
-5
t
U
wy
- 8 -
2. Przebieg wiczenia
2.1. Pomiar charakterystyk wtórnika na tranzystorze bipolarnym
Schemat pomiarowy
Rys. 9. Układ pomiarowy do badania wtórnika emiterowego.
Sposób przeprowadzenia pomiarów
•
Poł czy układ pomiarowy z rys. 9.: C
1
= 330nF, C
2
= 330nF, R
B
= 220k , R
E
= 1k , R
0
= 1k ,
E = 15V
•
Ustawi na generatorze przebieg sinusoidalny o cz stotliwo ci f = 10kHz i amplitudzie 1V.
Przerysowa sygnały wej ciowy i wyj ciowy zwracaj c uwag na amplitud oraz poło enie w
czasie obu przebiegów.
•
Wykona pomiary charakterystyki amplitudowej wtórnika. Wyniki umie ci w tabeli 1.
Tabela pomiarowa
Tabela 1. Pomiar charakterystyki amplitudowej wtórnika emiterowego
)
( f
K
K
u
u
=
U
we
= 1V
Lp
f [Hz]
U
wy
[V]
=
V
V
U
U
k
we
wy
u
[ ]
dB
k
K
u
u
)
log(
20
⋅
=
1.
20
2.
50
3.
100
4.
200
5.
500
6.
1k
7.
2k
8.
5k
9.
10k
10.
20k
11.
50k
12.
100k
13.
200k
14.
500k
15.
1M
T
R
E
C
2
R
B
C
1
R
o
E
G
kanał
A
kanał
B
Oscyloskop
- 9 -
2.2. Pomiar charakterystyk wtórnika na wzmacniaczu operacyjnym
Schemat pomiarowy
Rys. 10. Schemat pomiarowy do badania wtórnika napi ciowego ze wzmacniaczem operacyjnym.
Sposób przeprowadzenia pomiarów
•
Poł czy układ pomiarowy z rys. 10. R=2,2k
Ω, C=100pF, E=15V
•
Wykona pomiary charakterystyki amplitudowej wtórnika na wzmacniaczu operacyjnym. Wyniki
umie ci w tabeli 1.
•
Ustawi na generatorze przebieg prostok tny o cz stotliwo ci 1kHz i amplitudzie 20mV.
Narysowa przebiegi na wej ciu i wyj ciu układu Okre li czas narastania i przesterowanie
układu.
•
Wył czy z układu pojemno C oraz doł czy na wej cie przebieg prostok tny o cz stotliwo ci
1kHz i amplitudzie 5V (wyj cie nieregulowane generatora) Zaobserwowa kształt napi cia
wyj ciowego wtórnika. Wyznaczy szybko ci zmian napi cia wyj ciowego SR.
3. Opracowanie wyników pomiaru
W sprawozdaniu zamie ci :
1.
Schematy pomiarowy realizowane na wiczeniu.
2.
Tabele pomiarowe z wynikami.
3.
Przebiegi sygnału wej ciowego i wyj ciowego dla cz stotliwo ci 10kHz. Nale y zaznaczy amplitud
sygnału oraz przesuni cie fazowe pomi dzy sygnałem wyj ciowym a wej ciowym.
4.
Charakterystyki amplitudowe (wzmocnienie w skali dB) wtórników sporz dzone na podstawie
przeprowadzonych pomiarów (cz stotliwo f w skali logarytmicznej). Nale y zaznaczy
cz stotliwo ci graniczne, oraz szeroko pasma przenoszenia.
5.
Odpowied wtórnika napi ciowego na wzmacniaczu operacyjnym na przebieg prostok tny o malej
amplitudzie. Okre li czas narastania t
r
i przesterowanie układu.
6.
Odpowied wtórnika napi ciowego na wzmacniaczu operacyjnym na przebieg prostok tny o du ej
amplitudzie. Wyznaczy szybko zmian napi cia wyj ciowego współczynnik SR.
7.
Wnioski.
kanał
A
kanał
B
Oscyloskop
R
G
C
-E
E
E
+E