Cw.4 Tranzystor bipolarny.pdf
(
471 KB
)
Pobierz
L
ABORATORIUM
U
K
Ł
ADÓW
L
INIOWYCH
Podstawowe układy
pracy tranzystora bipolarnego
Ćwiczenie opracował Jacek Jakusz
4
na wykresie. Oś pionowa powinna być wzmocnieniem
wyrażonym w mierze logarytmicznej tj.
20
v
in
, oś
pozioma (częstotliwość sygnału pomiarowego) powinna być
logarytmiczna.
log
|
/
|
1. Wstęp
Ćwiczenie umożliwia pomiar i porównanie parametrów
podstawowych konfiguracji pracy tranzystora bipolarnego. Są
to kolejno:
A - układ wspólnego emitera (CE),
B - układ wspólnego emitera z niebocznikowaną
rezystancją w emiterze (CE-RE),
C - układ wspólnego kolektora (CC), tzw. wtórnik
emiterowy,
D - układ wspólnej bazy (CB).
Poszczególne konfiguracje wybiera się przy pomocy
przełącznika obrotowego, który poprzez przekaźniki przełącza
układy. Poszczególne układy wykonane są w ten sposób by
zapewniały identyczne warunki zasilania tranzystorów.
Różnice pomiędzy parametrami wzmacniaczy wynikają więc
głównie z różnych konfiguracji pracy tranzystora, co umożliwia
jakościowe porównanie układów. Dla uniezależnienia się od
parametrów przyrządów pomiarowych oraz jakości połączeń,
każdy ze wzmacniaczy ma wbudowany wejściowy i wyjściowy
bufor o wzmocnieniu jednostkowym.
W ramach ćwiczenia wykonuje się pomiary:
wzmocnienia w środku pasma przepustowego, rezystancji
wejściowej oraz wyjściowej, dolnej oraz górnej 3dB-owej
częstotliwości granicznej a także amplitudowej charakterystyki
częstotliwościowej
10
0
Przykłady tabel pomiarowych
CE
CE-RE
CC
CB
v
0
/v
in
[V/V]
R
in
[k
Ω
]
R
out
[k
Ω
]
f
3dBL
[Hz]
f
3dBH
[kHz]
f [Hz]
40
70
...
f
L dB
f
0
f
L dB
... 1M 2M
3
3
v
o
/v
in
3. Opracowanie wyników
Dla układów CE, CE-RE, CC i CB należy obliczyć teoretycznie:
· punkty pracy tranzystorów,
· wzmocnienie małosygnałowe
v
o
/v
in
,
· częstotliwości 3-decybelowe górne i dolne,
· rezystancję wejściową i wyjściową.
Wyniki obliczeń należy umieścić w ten sposób aby można było
łatwo porównać z pomiarami np. we wspólnej tabeli. Dla
każdego z układów narysować zmierzone charakterystyki
częstotliwościowe modułu wzmocnienia a następnie nanieść
na nie wyniki obliczeń (tj. wzmocnienie w środku pasma i
częstotliwości graniczne górną i dolną). Zamieścić własne
wnioski i spostrzeżenia. Porównać układy pomiędzy sobą, a
także skomentować zgodność obliczeń z pomiarami.
poza
pasmem
przepustowym
wzmacniacza.
Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy
zapoznać się z teorią dotyczącą pracy tranzystora
bipolarnego jako wzmacniacza liniowego (zamieszczona
jest ona w niniejszym opracowaniu). Prowadzący ma
obowiązek sprawdzić przygotowanie do ćwiczenia.
2. Pomiary
4. Teoria
Dla każdego z układów A, B, C i D:
a) zmierzyć dolną i górną 3-decybelową częstotliwość
graniczną (
f
LdB
W ćwiczeniu wykonane są cztery wzmacniacze oznaczone
literami A-D Wszystkie układy posiadają wbudowane bufory
wejściowy i wyjściowy. Bufory te są identyczne a ich parametry
przedstawia poniższa tabela:
f
HdB
). Pomiar należy wykonać w
3
,
3
następujący sposób:
- ustawić wartość skuteczną napięcia sygnału wejściowego
dla układu: A<1.5mV, B<10mV, C<300mV, D<6mV)
- znalźć częstotliwość generatora, dla której napięcie
wyjściowe badanego układu
Parametr
Jednostki
Wartość
v
o
osiąga wartość
Wzmocnienie
V/V
1
maksymalną,
- ustalić wartość napięcia wejściowego w ten sposób, aby
na wyjściu badanego układu uzyskać 300mV,
- zmniejszać (dla pomiaru częstotliwości granicznej dolnej)
lub zwiększać (dla pomiaru częstotliwości granicznej
górnej) częstotliwość sygnału wejściowego aż do
uzyskania
Rezystancja wejściowa
R
BUF
1
M
Ω
Rezystancja wyjściowa
R
BUF
Ω
≈
0
0
Pojemność wejściowa
C
BUF
pF
20
Częstotliwość graniczna
MHz
4
napięcia
wyjściowego
równego
Dla każdego tranzystora z układów A-D, punkty pracy należy
wyznaczyć przy założeniu, że prąd stały bazy I
B
jest
pomijalnie mały oraz, że napięcie baza-emiter V
BE
jest stałe i
wynosi 0.7V
300
mV
/
2
≈
212
mV
,
uzyskana
wartość
jest
odpowiednią częstotliwością graniczną.
b) Określić częstotliwość środkową
f
=
f
f
LdB HdB
⋅
i
0
3
3
C
μ
zmierzyć wzmocnienie w środku pasma
v
o
/v
s
.
c) Zmierzyć rezystancję wejściową (sygnał wejściowy o
częstotliwości ok. 50kHz, amplituda j.w.) -patrz opis w części
teoretycznej.
d) zmierzyć rezystancję wyjściową (sygnał wejściowy o
częstotliwości ok. 50kHz, amplituda j.w.) - patrz opis w części
teoretycznej.
f) zmierzyć amplitudową charakterystykę częstotliwościową w
zakresie od 40Hz do
f
Ld
3
oraz od
f
Hd
3
do 2MHz w rastrze
częstotliwości 1, 2, 4, 7, 10 (tj. np. dla 10Hz, 20Hz, 40Hz,
70Hz, 100Hz, ... ). Zmierzoną charakterystykę należy nanieść
C
μ
B
C
B
C
α
i
e
v
π
r
e
C
π
r
π
C
π
g
m
v
π
i
e
E
E
Rys. 1. Małosygnałowe schematy zastępcze typu
i typu T tranzystora bipolarnego.
4-2
W analizie małosygnałowej należy przyjąć V
T
=25mV. Dane
tranzystora BC237:
I
=160, C
=4.5pF, f
T
=150MHz.
RRRr
=
||
||
π
in
B
1
B
2
RR
=
out
C
Parametry modelu małosygnałowego:
v
0
= −
g v RR
π
(||
)
m
C
BUF
vv
R
RR
I
V
β
β
β
r
in
C
π
=
g
=
r
=
π
β 1
α
=
+1
r
e
=
m
π
s
+
g
m
+
in
S
T
v
v
R
RR
gRR
0
=−
in
(||
)
g
mc F
m
+
C
=
−
C
s
in
S
π
μ
2
π
⋅
f
T
Wysokie częstotliwości:
Częstotliwość graniczna górna wyznaczona jest w oparciu o
stałe czasowe powiązane z odpowiednimi pojemnościami
pasożytniczymi tranzystora. Stałe te liczy się dla danej
pojemności pasożytniczej przy założeniu, że pozostałe
pojemności pasożytnicze stanowią rozwarcie.
Układ A:
Jest to wzmacniacz w konfiguracji wspólnego emitera (CE).
Rys. 5. Zastępczy schemat małosygnałowy
wzmacniacza w układzie CE z rys. 2 dla
wyznaczenia górnej częstotliwości granicznej.
stałe czasowe:
korzystając z tw. Millera można zamienić pojemnośc C
tranzystora na pojemności C
M1
i C
M2
.
K
Rys. 2. Schemat wzmacniacza w konfiguracji
wspólnego emitera (CE).
v
v
Punkt pracy
liczony jest przy zaniedbaniu prądu bazy:
0
==−
gR R
||
mC BUF
π
CCK
=
μ
(
1
−
)
M
1
⎛
⎜
1
⎞
⎟
CC
K
=
1
−
M
2
μ
Następnie
wyznaczamy
stałe
czasowe
związane
z
poszczególnymi pojemnościami:
τ
=
(
CCRR
+
)(
||
)
H
1
M
1
π
S
in
τ
H
= +( )( || )
Przybliżona wartość górnej częstotliwości granicznej jest
określona wzorem:
CCRR
Rys. 3. Schemat obwodu do liczenia punktu
pracy.
2
M
2
BUF
C
BUF
1
VV
R
RR
I
VV
R
−
f
HdB
≈
B
2
BE
=
≈
3
2
πτ τ
⋅
(
+
)
BC
C
+
H
1
+
H
2
B
1
B
2
E
VVRRI
=−+
(
)
Niskie częstotliwości:
Częstotliwość graniczna dolna wyznaczona jest w oparciu o
stałe czasowe powiązane z odpowiednimi pojemnościami
sprzęgającymi lub bocznikującymi (licząc stałe czasowe dla
każdej z pojemności, pozostałe należy traktować jako
zwarcie). Pojemności pasożytnicze tranzystora traktuje się
jako rozwarcia.
CE
CC
C
E
C
Analiza małosygnałowa:
Środek pasma:
Zastępczy schemat małosygnałowy w zakresie średnich
częstotliwości (w paśmie przepustowym) jest tworzony przy
założeniu, że pojemności sprzęgające i bocznikujące stanowią
zwarcie dla sygnałów zmiennych, natomiast pojemności
pasożytnicze tranzystora są rozwarciem.
Rys. 6. Zastępczy schemat małosygnałowy
wzmacniacza w układzie CE z rys. 2 dla
wyznaczenia dolnej częstotliwości granicznej.
Rys. 4. Zastępczy schemat małosygnałowy
wzmacniacza w układzie CE z rys. 2 dla zakresu
częstotliwości średnich.
Korzystając
z
powyższego
schematu
zastępczego
poszczególne stałe czasowe są równe:
4-3
τ
L
=
CRR
(
+
)
pojemności pasożytniczej przy założeniu, że pozostałe
pojemności pasożytnicze stanowią rozwarcie.
1
C
1
S
in
C R
gR
CE E
τ
L
=
2
1
+
m E
τ
L
3 2
= +( )
Przybliżona wartość dolnej częstotliwości granicznej jest
określona wzorem:
CRR
C
C
BURF
⎛
⎜
⎞
⎟
1
2
111
f
LdB
≈
+
+
3
πτ τ τ
L
1
L
2
L
3
Rys. 9. Zastępczy schemat małosygnałowy
wzmacniacza w układzie CE-RE z rys. 7 dla
wyznaczenia górnej częstotliwości granicznej.
Układ B:
stałe czasowe:
korzystając z tw. Millera można zamienić pojemnośc C
tranzystora na pojemności C
M1
i C
M2
.
K
Jest to wzmacniacz w konfiguracji wspólnego emitera z
niebocznikowaną rezystancją w emiterze (CE-RE).
α
⋅
R R
rR
||
C F
=−
+
1
CCK
e
E
=
μ
(
1
−
)
M
1
⎛
⎜
1
⎞
⎟
CC
K
=
1
−
M
2
μ
Następnie
wyznaczamy
stałe
czasowe
związane
z
poszczególnymi pojemnościami:
τ
H
=
CRR
(||
)
1
M
1
S
in
⎛
⎜
⎞
⎟
Cr
RRRR
gR
+
||
||
E
1
S
B
1
B
2
Rys. 7. Schemat wzmacniacza w konfiguracji
wspólnego emitera (CE).
τ
=
||
H
2
μπ
1
+
mE
1
Punkt pracy
liczony tak jak dla układu A (we wzrach na
I
C
i
V
CE
zamiast
R
E
jest suma
R
E1
+
R
E2
)
τ
H
= +( )( || )
Przybliżona wartość górnej częstotliwości granicznej jest
określona wzorem:
CCRR
3
M
2
BUF
C
BUF
1
Analiza małosygnałowa:
f
HdB
≈
3
2
πτ τ τ
⋅
(
+
+
)
Środek pasma:
Zastępczy schemat małosygnałowy w zakresie średnich
częstotliwości (w paśmie przepustowym) jest tworzony przy
założeniu, że pojemności sprzęgające i bocznikujące stanowią
zwarcie dla sygnałów zmiennych, natomiast pojemności
pasożytnicze tranzystora są rozwarciem.
H
1
+
H
2
H
3
Niskie częstotliwości:
Częstotliwość graniczna dolna wyznaczona jest w oparciu o
stałe czasowe powiązane z odpowiednimi pojemnościami
sprzęgającymi lub bocznikującymi (licząc stałe czasowe dla
każdej z pojemności, pozostałe należy traktować jako
zwarcie). Pojemności pasożytnicze tranzystora traktuje się
jako rozwarcia.
Korzystając
z
powyższego
schematu
zastępczego
poszczególne stałe czasowe są równe:
τ
L
=
CRR
(
+
)
1
C
1
S
in
⎛
⎜
⎞
⎟
CRR
rRRR
⎛
⎜
+
||
||
⎞
⎟
π
BBS
1
2
τ
=
||
+
L
2
CE
E
2
E
1
β
+
1
τ
L
=
CRR
(
+
)
Rys. 8. Zastępczy schemat małosygnałowy
wzmacniacza w układzie CE-RE z rys. 7 dla
zakresu częstotliwości średnich.
3
C
2
C
BURF
RRRr R
=
||
||(
+
(
β
+
1
)
)
in
B
1
B
2
π
E
1
RR
=
out
C
v
0
=−
g v RR
π
(||
)
m
C
BUF
vv
R
RR
r
in
π
=⋅
⋅
π
s
+
r
++
(
β
1
R
in
S
π
E
1
v
v
R
RR
r
0
in
π
=−
⋅
R
gRR
⋅
(||
)
Rys. 10. Zastępczy schemat małosygnałowy
wzmacniacza w układzie CE-RE z rys. 7 dla
wyznaczenia dolnej częstotliwości granicznej.
mc F
+
r
++
(
β
1
)
s
in
S
π
E
1
Wysokie częstotliwości:
Częstotliwość graniczna górna wyznaczona jest w oparciu o
stałe czasowe powiązane z odpowiednimi pojemnościami
pasożytniczymi tranzystora. Stałe te liczy się dla danej
Przybliżona wartość dolnej częstotliwości granicznej jest
określona wzorem:
4-4
⎛
⎜
⎞
⎟
1
2
111
f
LdB
≈
+
+
3
πτ τ τ
L
1
L
2
L
3
Układ C:
Jest to wzmacniacz w konfiguracji wspólnego kolektora (CC),
czyli tzw. wtórnik emiterowy.
Rys. 13. Zastępczy schemat małosygnałowy
wzmacniacza w układzie CC z rys. 11 dla
wyznaczenia górnej częstotliwości granicznej.
W układzie CC nie występuje pojemność Millera!
stałe czasowe:
τ
1
=
CRR
(||
)
H
μ
S
in
⎛
⎜
⎞
⎟
Cr
RR RRR
gRR
||
+
||
||
E FSBB
1
2
τ
=
||
H
2
ππ
1
+
(||
)
mEL
Rys. 11. Schemat wzmacniacza w konfiguracji
wspólnego kolektora (CC).
)
(
τ
H
3
=
CRR
||
BUF
BUF
out
Punkt pracy
liczony tak jak dla układu A.
Przybliżona wartość górnej częstotliwości granicznej jest
określona wzorem:
Analiza małosygnałowa:
1
f
HdB
≈
3
2
πτ τ τ
⋅
(
+
+
)
Środek pasma:
Zastępczy schemat małosygnałowy w zakresie średnich
częstotliwości (w paśmie przepustowym) jest tworzony przy
założeniu, że pojemności sprzęgające i bocznikujące stanowią
zwarcie dla sygnałów zmiennych, natomiast pojemności
pasożytnicze tranzystora są rozwarciem.
H
1
+
H
2
H
3
Niskie częstotliwości:
Częstotliwość graniczna dolna wyznaczona jest w oparciu o
stałe czasowe powiązane z odpowiednimi pojemnościami
sprzęgającymi lub bocznikującymi (licząc stałe czasowe dla
każdej z pojemności, pozostałe należy traktować jako
zwarcie). Pojemności pasożytnicze tranzystora traktuje się
jako rozwarcia.
Rys. 12. Zastępczy schemat małosygnałowy
wzmacniacza w układzie CC z rys. 11 dla
zakresu częstotliwości średnich.
(
)
RRRr
=
||
||
+
(
β
+
1
)(
RR
||
)
in
B
1
B
2
π
E
BUF
Rys. 14. Zastępczy schemat małosygnałowy
wzmacniacza w układzie CC z rys. 11 dla
wyznaczenia dolnej częstotliwości granicznej.
⎛
⎜
⎞
⎟
RR
rRRR
+
||
||
π
SBB
1
2
=
||
out
E
β
+
1
(
+
++
β
1
)(
R R
||
)
Korzystając
z
powyższego
schematu
zastępczego
E F
vv
=⋅
poszczególne stałe czasowe są równe:
τ
L
0
i
r
(
β
1
)(
R R
||
)
=
CRR
(
+
)
π
E
BUF
1
C
1
S
in
vv
R
RR
τ
L
= +( )
Przybliżona wartość dolnej częstotliwości granicznej jest
określona wzorem:
CR R
in
=⋅
2
C
2
out
BURF
i
s
+
in
S
v
v
R
RR
β
1
R R
(
+
++
)(
||
)
⎛
⎜
⎞
⎟
0
in
E F
1
2
11
=
⋅
f
LdB
≈
+
+
r
(
β
1
)(
R R
||
)
3
s
in
S
π
E
BUF
πτ τ
L
1
L
2
Wysokie częstotliwości:
Częstotliwość graniczna górna wyznaczona jest w oparciu o
stałe czasowe powiązane z odpowiednimi pojemnościami
pasożytniczymi tranzystora. Stałe te liczy się dla danej
pojemności pasożytniczej przy założeniu, że pozostałe
pojemności pasożytnicze stanowią rozwarcie.
Układ D:
Jest to wzmacniacz w konfiguracji wspólnej bazy (CB).
4-5
Częstotliwość graniczna dolna wyznaczona jest w oparciu o
stałe czasowe powiązane z odpowiednimi pojemnościami
sprzęgającymi lub bocznikującymi (licząc stałe czasowe dla
każdej z pojemności, pozostałe należy traktować jako
zwarcie). Pojemności pasożytnicze tranzystora traktuje się
jako rozwarcia.
Rys. 15 Schemat wzmacniacza w konfiguracji
wspólnej bazy (CB).
Punkt pracy
liczony tak jak dla układu A.
Rys. 18. Zastępczy schemat małosygnałowy
wzmacniacza w układzie CB z rys. 15 dla
wyznaczenia dolnej częstotliwości granicznej.
Analiza małosygnałowa:
Środek pasma:
Zastępczy schemat małosygnałowy w zakresie średnich
częstotliwości (w paśmie przepustowym) jest tworzony przy
założeniu, że pojemności sprzęgające i bocznikujące stanowią
zwarcie dla sygnałów zmiennych, natomiast pojemności
pasożytnicze tranzystora są rozwarciem.
Korzystając
z
powyższego
schematu
zastępczego
poszczególne stałe czasowe są równe:
τ
L
=
CRR
(
+
)
1
C
1
S
in
]
(
)
[
τ
=
CR R r RR
||
|| (
+
||
) (
⋅
β
+
1
)
L
2
B
B
1
B
2
e
E
S
τ
L
3 2
= +( )
Przybliżona wartość dolnej częstotliwości granicznej jest
określona wzorem:
CRR
C
C
BUF
⎛
⎜
⎞
⎟
1
2
111
f
LdB
≈
+
+
3
πτ τ τ
L
1
L
2
L
3
Rys. 16. Zastępczy schemat małosygnałowy
wzmacniacza w układzie CB z rys. 15 dla
zakresu częstotliwości średnich.
Pomiar rezystancji wejściowej
wzmacniaczy
RRr
= ||
RR
in
E
e
=
out
C
Rezystancję wejściową mierzy się wykorzystując dodatkowy
rezystor
R
S'
włączony szeregowo z rezystancją wewnętrzną
generatora
R
S
. Podczas normalnej pracy jest on zwierany
przełącznikiem umieszczonym na
płyci
e czołowej. Po
naciśnięciu przycisku oznaczonego
R
in
następuje jego
rozwarcie, co powoduje zmniejszenie wzmocnienia.
v
0
=− α (||
i R R
)
e
C
BUF
R
RRr
v
1
in
i
=−
⋅ ⋅
e
s
+
in
s
e
v
v
R
RRr
RR
⋅
α
(||
0
=
in
)
C F
+
s
in
s
e
Wysokie częstotliwości:
Częstotliwość graniczna górna wyznaczona jest w oparciu o
stałe czasowe powiązane z odpowiednimi pojemnościami
pasożytniczymi tranzysto-ra. Stałe te liczy się dla danej
pojemności pasożytniczej przy założeniu, że pozostałe
pojemności pasożytnicze stanowią rozwarcie.
Rys. 19. Metoda pomiaru rezystancji
wejściowej wzmacniacza.
Oznaczając jako
v
o
oraz
v
o'
odpowiednio napięcia wyjściowe
przy zwartym i rozwartym rezystorze
R
S'
otrzymujemy:
vK
R
in
0
=⋅
RR
v
⋅
in
+
Rys. 17. Zastępczy schemat małosygnałowy
wzmacniacza w układzie CB z rys. 15 dla
wyznaczenia górnej częstotliwości granicznej.
in
S
vK
R
in
=⋅
RRR
v
++
⋅
0'
in
Dla w.cz. nie ma efektu multiplikacji pojemności (efekt MIllera)
stałe czasowe:
τ
in
S
S
'
v
v
R
R R
RR
+
+
0
in
S
S
'
=
1
=
CRRr
(||
||
)
H
π
S
E
e
+
0'
in
S
τ
( ) ( || )
Przybliżona wartość górnej częstotliwości granicznej jest
określona wzorem:
2
=+ ⋅
CC RR
H
μ
BUF
C
BUF
v
vv
RR
0
'
R
=
⋅
−
in
S
'
S
−
0
0
'
1
f
HdB
≈
3
2
πτ τ
⋅
(
+
)
Pomiar rezystancji wyjściowej wzmacniaczy
H
1
H
2
Niskie częstotliwości:
Plik z chomika:
inzynieria.biomedyczna
Inne pliki z tego folderu:
Ćw. 6 Wzmacniacze szerokopasmowe.pdf
(2617 KB)
Cw. 3 Wzmacniacz rezonansowy.pdf
(508 KB)
Cw. 2 Wzmacniacz mocy.pdf
(381 KB)
Cw.4 Tranzystor bipolarny.pdf
(471 KB)
Ćw 13 Programowalna macierz układów analogowych.pdf
(387 KB)
Inne foldery tego chomika:
ELAM
Implanty
Mechanika
Przetwarzanie obrazów
Przetwarzanie sygnałów
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin