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

8:

W

ZMACNIACZE NA TRANZYSTORACH POLOWYCH

K

IELCE

2006

- 2 -

1. Wst p teoretyczny

1.1. Układy polaryzacji tranzystora polowego

Dla prawidłowej pracy tranzystora polowego w okre lonym układzie nale y ustali

punkt pracy, tj.

spolaryzowa tranzystor odpowiednimi warto ciami stałych pr dów i napi tak, aby otrzyma dany

zestaw wielko ci (I

D

, U

DS

). Konstruktor układu wybiera punkty pracy zapewniaj ce najlepsze

wykorzystanie tranzystorów (na przykład najwi ksze wzmocnienie, najmniejsze zniekształcenia dla

sygnału o okre lonej amplitudzie itp.). Wybór i stabilizacja punktu pracy ma du e znaczenie, gdy nawet

niewielkie zmiany mog powodowa wyra n zmian parametrów wzmacniacza, np.: wzmocnienia,

rezystancji wej ciowej, rezystancji wyj ciowej itp.

Poni ej zostan omówione dwa najpowszechniej stosowane układy polaryzacji, wykorzystywane we

wzmacniaczach małej cz stotliwo ci pracuj cych w układzie wł czenia

WS.

Rys. 1. Typowy układ polaryzacji tranzystora polowego a) zł czowego z kanałem typu

n

b) MOS z kanałem wzbogacanym typu

p

1.2. Znajdowanie punktu pracy

Tok post powania przy projektowaniu układu z tranzystorem polowy zł czowy z rys. 1a. mo e

przebiega według nast puj cych etapów:

1. Wybieramy E

D

R

S

i R

D

Dla obwodu wyj ciowego obowi zuje zale no :

D

DS

D

S

D

E

U

R

R

I

=

+

+

⋅

)

(

st d:

1

=

+

+

D

DS

D

S

D

D

E

U

R

R

E

I

W układzie współrz dnych jest to równanie linii prostej, któr mo na wrysowa w pole

charakterystyk wyj ciowych tranzystora (rys. 2.). Przecina ona o napi cia w punkcie

C (E

D,

0), a o

pr du w punkcie

B (0,

D

S

D

R

R

E

+

) i. Prost

BC nazywa si prost obci enia (prost pracy).

2. Wybieramy spoczynkowy punkt pracy
Spoczynkowy punkt pracy A le y na przeci ciu prostej obci enia i charakterystyki tranzystora dla

okre lonej warto ci napi cia U

GS

, przy czym

P

GS

U

U

<

Na podstawie współrz dnych punktu pracy

mo na wyznaczy warto ci elementów obwodu zasilania. Rzut punktu

A na o napi wyznacza napi cie

U

DS

. Natomiast rzut punktu

A na o pr du drenu wyznacza spoczynkow warto pr du drenu I

D

.

3.

Wybieramy R

G

a)

+E

D

R

G

R

D

R

S

C

S

C

2

C

1

U

wy

U

we

b)

-E

D

R

2

R

D

R

S

C

S

C

2

C

1

U

wy

U

we

R

1

- 3 -

Przyjmujemy R

G

rz du 1M

Ω. Wówczas pr d bramki jest tak mały, e spadek napi cia na rezystancji

R

G

jest do pomini cia. Bramka znajduje si zatem na potencjale masy i dlatego powinna by spełniona

zale no :

S

D

GS

R

I

U

⋅

−

=

.

Rys. 2. Poło enie punktu pracy tranzystora polowego zł czowego z kanałem typu

n.

1.3. Parametry robocze wzmacniacza z tranzystorem polowym

Tranzystor polowy zł czowy w układzie polaryzacji tak jak na rys. 2a. mo na przedstawi w sposób

przedstawiony poni ej:

Rys. 3. Zmiennopr dowy schemat zast pczy wzmacniacza z rys. 1a.

Reaktancje kondensatorów sprz gaj cych C

1

i C

2

w pa mie przenoszenia wzmacniacza s bardzo

małe, dla sygnałów zmiennych stanowi one zatem zwarcie. Stosuj c twierdzenie Thevenina otrzymuje

si , e:

G

g

G

g

g

R

Z

R

e

e

+

=

'

,

G

g

G

g

g

R

Z

R

Z

Z

+

⋅

=

′

,

D

D

R

Z

R

Z

Z

+

⋅

=

0

0

'

0

. Je eli spełnione s warunki: :

g

G

Z

R

>>

oraz

G

D

~

Z

g

e

g

I

g

U

gs

R

G

g

m

U

gs

r

D

U

ds

R

D

I

d

Z

0

S

U

DS

[V]

I

D

[mA]

P

t0t

B

A

I

D max

U

DS max

C

U

DS 0

I

D 0

U

GS 0t

E

D

- 4 -

0

Z

R

D

<<

wówczas powy sze zale no ci upraszczaj si do postaci:

g

g

e

e

=

'

g

g

Z

Z

=

'

D

R

Z

=

'

0

.

Wzmocnienie napi ciowe jest okre lone wzorem:

przy pomini ciu wszystkich pojemno ci

d

m

D

S

S

m

D

u

r

g

R

R

R

g

R

k

⋅

+

+

+

−

=

1

S

m

D

u

r

R

g

R

k

d

+

−

=

→∝

1

lim

przy uwzgl dnieniu wszystkich pojemno ci:

d

m

D

m

D

u

r

g

R

g

R

k

⋅

+

−

=

1

D

m

u

r

R

g

k

d

⋅

−

=

→∝

lim

W przypadku u ycia wzmacniacza z tranzystorem MOS przedstawionego na rys. 1b. rezystancja R

G

b dzie okre lona zale no ci .

2

1

|| R

R

R

G

=

Wła ciwo ci układu

WS s nast puj ce:

• w zakresie małych i rednich cz stotliwo ci, przy obci eniu rezystancyjnym, układ odwraca faz

sygnału wej ciowego o 180

°

• układ zapewnia do du e wzmocnienie napi ciowe
• rezystancja wej ciowa układu jest bardzo du a, za wyj ciowa umiarkowanie du a.

1.4. Charakterystyka amplitudowa oraz fazowa wzmacniacza

Wła ciwo ci wzmacniacza w dziedzinie cz stotliwo ci opisuj jego charakterystyki

cz stotliwo ciowe:

Amplitudowa

k

u

=k

u

(f)

Fazowa

ϕ

=

ϕ

( f )

Charakterystyka cz stotliwo ciowa przedstawia zale no wzmocnienia od cz stotliwo ci. Z uwagi

na du y zakres cz stotliwo ci stosuje si z reguły na osi cz stotliwo ci podziałk półlogarytmiczn lub

logarytmiczn . Dwie warto ci cz stotliwo ci, dla których wzmocnienie zmniejsza si do okre lonej

warto ci, s nazywane cz stotliwo ciami granicznymi: doln f

d

i górn f

g

. We wzmacniaczach jako

typowe przyj to zmniejszenie wzmocnienia do warto ci

2

max

u

k

(w podziałce logarytmicznej odpowiada to

zmniejszeniu o 3dB).Dla niektórych typów wzmacniaczy (np. wzmacniaczy operacyjnych) jako

cz stotliwo graniczn przyjmuje si cz stotliwo , przy której k

u

jest równe jedno ci. Szeroko pasma

przenoszenia B jest równa ró nicy górnej i dolnej cz stotliwo ci granicznej:

d

g

f

f

B

−

=

W celu wyznaczenia charakterystyki amplitudowej podaje si na wej cie wzmacniacza sygnały z

generatora o szerokim zakresie zmian cz stotliwo ci. Wielko amplitudy napi cia wej ciowego U

we

musi by kontrolowana woltomierzem. Równocze nie mierzy si napi cie wyj ciowe U

wy

. Dla kolejnych

warto ci cz stotliwo ci oblicza si warto wzmocnienia

=

V

V

U

U

k

we

wy

u

[ ]

dB

U

U

K

we

wy

u

⋅

=

log

20

i

wyznacza punkty charakterystyki.

Mo na zdefiniowa równie k t przesuni cia fazowego, który nale y rozumie jako przesuni cie faz

mi dzy sygnałem wyj ciowym a wej ciowym, dla wzmacniacza odwracaj cego (OS)przy pomini ciu

pocz tkowe przesuni cie fazy wynosi 180

°. St d:

+

>

−

+

≤

+

=

ϕ

2

180

2

180

g

d

g

g

d

d

f

f

f

dla

f

f

arctg

f

f

f

dla

f

f

arctg

- 5 -

Charakterystyka fazowa wzmacniacza przedstawia zale no fazy napi cia wyj ciowego od

cz stotliwo ci. Przebieg typowej charakterystyki amplitudowej i fazowej wzmacniacza przedstawia

rys.4.

Rys. 4. Przebieg typowej charakterystyki amplitudowej i fazowej wzmacniacza odwracaj cego.

Nale y zwróci uwag na fakt, e istnieje zakres cz stotliwo ci le cy wewn trz pasma przenoszenia,

w którym k t przesuni cia fazowego wnoszonego przez wzmacniacz ma warto stał ( = 180° dla

wzmacniacza odwracaj cego faz i = 0 dla wzmacniacza nieodwracaj cego).

f

d

f

[Hz]

K

U

[dB]]

3 dB

K

Umax

f

d

f

g

[

°]

f

[Hz]

180

°

225

°

270

°

90

°

135

°

B

f

g

100

1k

10k

100k

1M

100

1k

10k

100k

1M

- 6 -

2. Przebieg wiczenia

2.1. Pomiar charakterystyki amplitudowej wzmacniacza

Schemat pomiarowy

Rys. 5.

Układ do pomiaru wzmacniacza małej cz stotliwo ci z tranzystorem polowym MOS

z kanałem wzbogacanym typu

p w układzie WS.

Sposób przeprowadzenia pomiarów
• Poł czy układ pomiarowy z rys. 5. Warto ci elementów: R

1

=100k

Ω, R

2

=100k

Ω, R

D

=4,7k

Ω,

R

S

=100

Ω, R

0

=9,1k

Ω, C

1

=100nF, C

2

=100nF, C

S

=25 F. E

D

=-12V

• Ustawi na generatorze G przebieg sinusoidalny o cz stotliwo ci f=10kHz i amplitudzie

U

we

= 0,5V (amplitud sygnału wej ciowego U

we

mierzymy na oscyloskopie kanał

A). Na

oscyloskopie (kanał

B) obserwujemy sygnał wyj ciowy U

wy

. Przerysowa sygnał wej ciowy i

wyj ciowy zwracaj c uwag na amplitud oraz poło enie w czasie obu przebiegów. Powtórzy

pomiary dla sygnału wej ciowego cz stotliwo ci 100Hz i 1MHz.

• Wykona pomiary charakterystyki amplitudowej K

u

=K

u

(f). Pomiar polega na odczycie z

oscyloskopu podwójnej amplitudy sygnału wej ciowego (kanał

A) i podwójnej amplitudy sygnału

wyj ciowego (kanał

B) dla ustawionej na generatorze G cz stotliwo ci f. Zakres zmian

cz stotliwo ci f od 10 Hz do 1 MHz, amplitud sygnału wej ciowego nale y utrzymywa na

stałym poziomie. Wyniki nale y umie ci w tabeli 1.

• Powtórzy pomiary dla rezystancji obci enia R

0

=1k

Ω,

T

R

D

R

S

C

2

R

1

R

2

C

1

C

R

o

G

kanał

A

kanał

B

Oscyloskop

E

D

- 7 -

Tabela pomiarowa
Tabela 1. Pomiar charakterystyki amplitudowej wzmacniacza

)

( f

k

k

u

u

=

U

we

=0,5V R

0

= 9,1k

Ω, C

S

=25

µF

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

2.2. Pomiar charakterystyki fazowej wzmacniacza

Sposób przeprowadzenia pomiarów

•

Ustawi oscyloskop w trybie pracy X-Y, na ekranie oscyloskopu powstaje obraz elipsy
(rys. 6.). Okre li cz stotliwo f

0,

dla której przesuni cie fazowe

180

=

ϕ

,

na

oscyloskopie

b dzie wówczas widoczna linia prosta (

a=0).

•

Wykona pomiary charakterystyki fazowej

ϕ

=

ϕ

(f). Pomiar polega na odczycie z oscyloskopu

warto ci

a i b (rys. 8.). K t przesuni cia fazowego obliczmy ze wzoru:

+

=

b

a

arcsin

180

ϕ

(dla

f<f

0

)) i

−

=

ϕ

b

a

arcsin

180

(dla f>f

0

). Zakres zmian cz stotliwo ci f od 10 Hz do 1 MHz.

Wyniki nale y umie ci w tabeli 2.

Rys. 6. Ilustracja do wyznaczania przesuni cia fazowego metod oscyloskopow .

Y

X

b

a

- 8 -

Tabela pomiarowa

Tabela 2. Pomiar charakterystyki fazowej wzmacniacza

)

( f

ϕ

=

ϕ

U

we

=20mV R

0

= 1k

Ω, C

S

=25

µF

Lp

f [Hz]

a[dz]

b[dz]

b

a

arcsin

±

=

ϕ

b

a

arcsin

180

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

3. Opracowanie wyników pomiaru

W sprawozdaniu nale y zamie ci :

1.

Schemat pomiarowy realizowany na wiczeniu.

2.

Tabele pomiarowe z wynikami.

3.

Przebiegi sygnału wej ciowego i wyj ciowego dla cz stotliwo ci: 100Hz, 10kHz, 1MHz. Nale y

zaznaczy amplitud sygnału oraz przesuni cie fazowe pomi dzy sygnałem wyj ciowym a

wej ciowym.

4.

Charakterystyki amplitudowe K

u

=K

u

(f). (wzmocnienie w skali dB)) wzmacniacza sporz dzone na

podstawie przeprowadzonych pomiarów (cz stotliwo f w skali logarytmicznej). Nale y zaznaczy

doln i górna cz stotliwo graniczn , oraz szeroko pasma przenoszenia.

5.

Charakterystyki fazowe wzmacniacza sporz dzone na podstawie przeprowadzonych pomiarów

(cz stotliwo f w skali logarytmicznej) oraz wyznaczone z wzoru:

+

>

−

+

≤

+

=

ϕ

2

180

2

180

g

d

g

g

d

d

f

f

f

dla

f

f

arctg

f

f

f

dla

f

f

arctg

6.

Wnioski.