Podstawy elektroniki i techniki cyfrowej- materiały na egzamin PDF

Preview

Summary

Podstawy elektroniki i techniki cyfrowej- materiały na egzamin...

Description

BADANIE WZMACNIACZY TRANZYSTOROWYCH

1.WSTĘP

Wzmacniacze napięciowe małych sygnałów odznaczają się tym, że pracujące w nich tranzystory mogą być uważane za elementy liniowe i odpisane za pomocą parametrów różniczkowych, dopuszczalne zaś moce napięcia i prądy tranzystorów nie są w pełni wykorzystane. We wzmacniaczach napięciowych małej częstotliwości tranzystory pracują z reguły w układzie wspólnego emitera /OE/, ponieważ ten układ odznacza się dużym wzmocnieniem napięciowym i prądowym oraz zbliżonymi do siebie wartościami rezystancji wejściowej i wyjściowej. Wzmacniacze w układzie wspólnego kolektora /OC/ i wspólnej bazy /OB/ stosowane są znacznie rzadziej, zazwyczaj jako stopnie dopasowujące. Schemat jednostopniowego wzmacniacza napięciowego małej częstotliwości przedstawiono na rysunku poniżej.

Rys. 1 Schemat jednostopniowego wzmacniacza napięciowego w układzie WE

We wzmacniaczach napięciowych małej częstotliwości powszechnie stosuje się ujemne sprzężenie zwrotne, które między innymi zwiększa stałość ich parametrów, zwiększa szerokość przenoszonego pasma i zmniejsza wprowadzane zniekształcenia nieliniowe. Prostym sposobem realizacji sprzężenia zwrotnego w układzie wzmacniacza z rysunku 1 jest nie blokowanie lub tylko częściowe blokowanie rezystora Re kondensatorem Ce o dużej pojemności. Sprzężenie takie jest sprzężeniem prądowym szeregowym i powoduje zmniejszenie wzmocnienia napięciowego Ku oraz zwiększenie rezystancji wejściowej rwe i wyjściowej rwy wzmacniacza. W mniejszym stopniu – zależnym od wartości rezystorów R 1 i R2 następuje również zmniejszenie dolnej częstotliwości granicznej f d i zwiększenie górnej częstotliwości granicznej fg wzmacniacza. Sygnał zmienny nie przedostaje się z wyjścia na wejście układu (brak sprzężenia).

2.1. SCHEMAT IDEOWY UKŁADU OE

Schemat jednostopniowego tranzystorowego wzmacniacza pasmowego w układzie wspólnego emitera przedstawiono na poniższym rysunku (Rys. 2)

Rys.2. Schemat badanego układu wzmacniacza

   



 

Rezystancja Rg reprezentuje oporność wewnętrzną źródła sygnału wejściowego. R_L - rezystancja obciążenia układu. Elementy R1 i R2 (dzielnik napięciowy) stanowią układ ustalający punkt pracy tranzystora. Rc - rezystor kolektorowy (wpływający między innymi na wzmocnienie napięciowe i prądowe układu) Pojemności C1 i C2 sprzęgają badany układ ze źródłem sygnału sterującego (poprzedni stopień) oraz obciążeniem, separując te układy stałoprądowo. W przypadku, gdyby sygnał wejściowy posiadał niezerową składową stała, wtedy zostanie ona odfiltrowana przez kondensator, który po naładowaniu nie będzie przewodził tejże składowej, więc punkt pracy tranzystora nie ulegnie przesunięciu. Kondensator Ce zwiera składową zmienną prądu emitera (wpływa na przebieg charakterystyk częstotliwościowych w zakresie małych częstotliwości). Re - rezystor emiterowy (wraz z dzielnikiem napięcia - układem R1 i R2 ustala punkt pracy tranzystora we wzmacniaczu). Zmiany napięcia na rezystorze emiterowym Re powodują zmianę potencjału emitera i powstanie ujemnego sprzężenia zwrotnego dla prądu stałego.

Dodatkowo rezystor ten stabilizuje punkt pracy (napięcie Uce oraz prąd Ic) pod względem termicznym: Jeśli temperatura układu rośnie to prąd Ic rośnie, podobnie jak napięcie Ue, które jest od tego prądu zależne w sposób : Ue=Re*Ic. Ponieważ Ub=Ube+Ue oraz Ub=const, wiec jeśli Ue rośnie, Ube musi zmaleć. Maleją również prądy bazy oraz kolektora: Ic oraz Ib (fakt ten wynika z charakterystyki wejściowej), a Ic= również musi zmaleć.

Ib, więc automatycznie Ic

2.2. SCHEMAT IDEOWY UKŁADU OC

Rys. 3 Schemat wzmacniacza w konfiguracji wspólnego kolektora OC

Wzmacniacz z tranzystorem w konfiguracji wspólnego kolektora jest nazywany wtórnikiem emiterowym, gdyż wielkość napięcia wyjściowego jest prawie taka sama jak wielkość napięcia wejściowego. Wzmocnienie napięciowe w tym układzie jest bliskie jedności , a faza napięcia wyjściowego jest zgodna z fazą napięcia wejściowego. Zatem napięcie wyjściowe „wtóruje” napięciu wejściowemu. Punkt pracy tego wzmacniacza zależy od rezystancji R1, R2, Re. Ponieważ rezystancja wejściowa tranzystora Rwet (rezystancja wejściowa tranzystora między jego bazą a kolektorem) ma dużą wartość rezystancja Rb (wynikająca z równoległego połączenia rezystorów R1 i R2 polaryzujących bazę ) zmniejsza znacznie rezystancję wejściową układu. Celowe jest zatem stosowanie dużych wartości rezystancji R1 i R2, ale jest to ograniczone wymaganiami stałości punktukt pracy (stałości Ic). (rezystory te muszą mieć rezystancje rzędu setek kiloomów, aby zbyt duży prąd bazy nie wprowadził momentalnie tranzystora w stan nasycenia, wtedy bowiem zostanie utracona liniowa charakterystyka obszaru pracy i utracimy własność wzmacniającą układu wzmacniacza). Rezystancja wyjściowa jest zwykle mała (kilkadziesiąt do kilkaset omów). Cechy układu wzmacniacza opartego na układzie wsólnego kolektora (czyli duża rezystancja wejściowa Rwe i mała rezystancja wyjściowa Rwy) spowodowały, że wtórnik emiterowy służy do dopasowywania poziomów impedancji pomiędzy stopniami wzmacniaczy.

3. WŁASNOŚCI UKŁADÓW OE, OC

OE - Wspólny emiter - jeden z trzech podstawowych układów wzmacniaczy na tranzystorach bipolarnych, odpowiednik układów ze wspólnym źródłem na tranzystorach FET i ze wspólną katodą na lampach elektronowych; pozostałe dwa układy wzmacniaczy to układy ze wspólną bazą oraz ze wspólnym kolektorem. Zasadniczą cechą tego rodzaju wzmacniaczy jest to, że wzmacniane napięcie sygnału wejściowego podawane jest pomiędzy bazę a emiter tranzystora, natomiast sygnał po wzmocnieniu odbierany jest spomiędzy kolektora a emitera. Emiter jest więc "wspólny" dla sygnałów wejściowego i wyjściowego - stąd nazwa układu. Wzmacniacze ze wspólnym emiterem są najczęściej wykorzystywanym typem wzmacniaczy, szczególnie w zakresie niezbyt wysokich częstotliwości, np. we wzmacniaczach częstotliwości akustycznych. Zapewniają stosunkowo wysokie wzmocnienie napięciowe; wzmocnienie prądowe jest także znacznie większe od jedności.

OC - Wspólny kolektor - jeden z trzech podstawowych układów wzmacniaczy na tranzystorach bipolarnych, odpowiednik układów ze wspólnym drenem na tranzystorach FET i ze wspólną anodą na lampach elektronowych; pozostałe dwa układy wzmacniaczy to układy ze wspólną bazą oraz ze wspólnym emiterem. Zasadniczą cechą tego rodzaju wzmacniaczy jest to, że wzmacniane napięcie sygnału wejściowego podawane jest pomiędzy bazę a kolektor tranzystora, natomiast sygnał po wzmocnieniu odbierany jest spomiędzy kolektora a emitera. Kolektor jest więc "wspólny" dla sygnałów wejściowego i wyjściowego - stąd nazwa układu. Wzmacniacz ze wspólnym kolektorem ma wzmocnienie napięciowe równe jeden (ściślej: nieznacznie mniej, niż jeden), wobec czego na wyjściu wzmacniacza otrzymuje się "powtórzone" napięcie z wejścia, stąd druga powszechnie używana nazwa takich wzmacniaczy - wtórnik emiterowy. Pomimo braku wzmocnienia napięciowego, wtórniki emiterowe charakteryzują się wysokim wzmocnieniem prądowym. Impedancja wejściowa wzmacniacza w tym układzie jest wysoka, a wyjściowa - niska. Układ często wykorzystywany wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba wysterowania następnych stopni wzmacniacza wymagających stosunkowo dużego sygnału prądowego, np. do sterowania stopni koocowych wzmacniaczy dużej mocy.

4. WZMOCNIENIE, RODZAJE, SPOSÓB WYZNACZANIA

WZMOCNIENIE MOCY Ogólna definicja Wzmocnienie mocy w decybelach, jest definiowane jako:

gdzie P we i Pwy są mocami odpowiednio na wejściu i wyjściu mierzonego obwodu. Zaś wzmocnienie mocy w watach na wat:

Czasami można spotkad się z innymi definicjami wzmocnienia mocy, mającymi inaczej przyjęte moce wejściowe i wyjściowe (np. w układach RF). WZMOCNIENIE MOCY ŚREDNIEJ Wzmocnienie mocy średniej (z ang. Avarage Power Gain) dwuwrotnika (np. wzmacniacza mocy) jest definiowane jako:

gdzie Pobc jest mocą średnią wydzieloną w obciążeniu Pwe jest mocą średnią dostarczoną ze źródła do dwuwrotnika. Używając parametrów macierzy rozproszenia można je przedstawić jako:

gdzie Sxy są elementami macierzy rozproszenia dwuwrotnika ΓL jest współczynnikiem odbicia mocy obciążenia s = S11 S22 − S12 S21

WZMOCNIENIE MOCY PRZETWORNIKA Wzmocnienie mocy przetwornika (z ang. Transducer Power Gain) jest definiowane jako:

gdzie Pobc jest mocą średnią wydzieloną w obciążeniu Pzr,maks jest dysponowaną mocą dostarczoną ze źródła do dwuwrotnika. Źródło sygnału dostarcza do dwuwrotnika moc dysponowaną wtedy, gdy impedancja źródła równa się sprzężonej impedancji widzianej z wrót wejściowych dwuwrotnika. Ta definicja wzmocnienia jest bardzo często stosowana w układach RF. DYSPONOWANE WZMOCNIENIE MOCY Dysponowane wzmocnienie mocy( z ang. Available Power Gain lub Maximum Available Gain (MAG)) definiowane jest jako:

gdzie Pobc,maks jest dysponowaną mocą wydzieloną w obciążeniu Pzr,maks jest dysponowaną mocą dostarczoną ze źródła do dwuwrotnika. Na obciążeniu wydziela się moc dysponowana wtedy, gdy impedancja obciążenia równa się sprzężonej impedancji widzianej z wrót wyjściowych dwuwrotnika. WZMOCNIENIE NAPIĘCIA Wzmocnienie napięcia w decybelach wyraża się wzorem:

lub równoważnym mu:

gdzie:

Vwy jest napięciem na wyjściowych zaciskach układu Vwe jest napięciem na wejściowych zaciskach układu

Moc można zapisad wzorem: P=V2/R. Zgodnie z tym, wzór na wzmocnienie mocy można zapisad jako:

W przypadku gdy wejściowa i wyjściowa impedancja R we i Rwy są sobie równe, wzór powyższy upraszcza się do podanej definicji wzmocnienia napięcia. Wynika z tego, że w przypadku równości podanych impedancji wzmocnienie napięciowe jest równe wzmocnieniu mocy (gdy oba wzmocnienia są podane w decybelach). WZMOCNIENIE (NATĘŻENIA) PRĄDU Wzmocnienie prądu w decybelach wyraża się wzorem:

lub równoważnym mu:

gdzie: Iwy jest natężeniem prądu na wyjściu układu Iwe jest natężeniem prądu na wejściu układu Analogicznie jak uprzednio moc można zapisad wzorem: P=I2R. Zgodnie z tym, wzór na wzmocnienie mocy można zapisad jako:

W przypadku gdy wejściowa i wyjściowa impedancja R we i Rwy są sobie równe, wzór powyższy upraszcza się do podanej definicji wzmocnienia prądu. Wynika z tego, że w przypadku równości podanych impedancji wzmocnienie prądowe jest równe wzmocnieniu mocy (gdy oba wzmocnienia są podane w decybelach).

5. PASMO PRZENOSZENIA, CZĘSTOTLIWOŚCI GRANICZNE WZMACNIACZA, WZMOCNIENIE-SPOSÓB OKREŚLANIA I POMIARU STOPNIA WZMOCNIENIA

Definiuje się 3-decybelowe pasmo przenoszenia częstotliwości, w zakresie których amplituda wzmocnienia spada o 3 dB od wartości ustalonej KU0.Określa się też je jako częstotliwość "spadku połowy mocy" (P=U2/R,

rys.8 Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza

czyli P~U2, czyli jeśli moc ma spaść o połowę, to Uwy ma spaść 1/

razy).

Pomiar pasma wzmacniacza : Schemat połączeń układu pomiarowego przedstawiono na rysunku. Należy wyznaczyć pasmo 3dB badanego układu wykorzystując wskaźnik poziomu napięcia wyjściowego SN6011.

rys.9 Schemat połączeń do pomiaru pasma

Poziom 0dB na wskaźniku powinien być ustawiony dla 1 kHz. Należy ustawić największą czułość wskaźnika SN6011, dzięki czemu wzmacniacz może być wysterowany możliwie najmniejszym sygnałem, co pozwoli na lepsze przybliżenie pracy małosygnałowej wzmacniacza. Pomiaru częstotliwości granicznych dokonuje się przestrajając generator sinusoidalny aż do uzyskania spadków 3dB w zakresie dużych i małych częstotliwości. Częstotliwość może być mierzona na dowolnym wyjściu generatora. Szerokość pasma wzmacniacza oblicza się z zależności Jeżeli nie dysponujemy odpowiednią wkładką, należy posłużyć się oscyloskopem. Najpierw zwiększamy częstotliwość za pomocą wskaźnika aż do uzyskania na oscyloskopie amplitudy napięcia równej 1/ amplitudy początkowej. Będzie to nasza częstotliwość graniczna górna. Dolną znajdujemy analogicznie, zmniejszając częstotliwość aż do ponownego uzyskania na oscyloskopie 1/ amplitudy początkowej. Na uwagę zasługuje również fakt, że iloczyn wzmocnienia napięciowego ku i pasma jest w przybliżeniu stały. Stopień wzmocnienia :

Pomiar wzmocnienia : Schemat połączeń układu pomiarowego przedstawiono na rysunku. Po wmontowaniu elementów wymiennych w układzie badanego wzmacniacza (Rc oraz C2) należy zmierzyć jego wzmocnienie skuteczne kus mierząc napięcia składowej zmiennej na wejściu WE1 i wyjściu układu WY.

Rys. 10 Schemat połączeń do pomiaru wzmocnienia

Do pomiaru napięć należy wykorzystać oscyloskop. Należy tak dobrać amplitudę napięcia sinusoidalnego z generatora SN2013, by amplituda sygnału wyjściowego była rzędu 200300mV, co zapewnia spełnienie warunku pracy małosygnałowej wzmacniacza. Pomiarów

należy dokonywać przy częstotliwości pośredniej pasma wzmacniacza, przykładowo 1kHz. Może być ona mierzona przy pomocy częstościomierza, a w przypadku jego braku musi być odczytana z oscyloskopu.

Częstotliwości graniczne wzmacniacza : Istnieją dwie częstotliwości graniczne wzmacniacza RC – częstotliwość górna i dolna. My zajmiemy się w tym podpunkcie opisaniem górnej częstotliwości, objaśnienia dotyczące dolnej częstotliwości granicznej wzmacniacza znajdują się w punkcie 6.

rys. 11 Schemat zastępczy wzmacniacza dla zakresu dużych częstotliwości

W podzakresie dużych częstotliwości w schemacie zastępczym muszą być uwzględnione wszystkie elementy reaktancyjne powodujące zmniejszanie wartości napięcia wyjściowego przy zwiększaniu częstotliwości. Będą to pojemności Ce(zwiera składową zmienną prądu emitera (wpływa na przebieg charakterystyk częstotliwościowych w zakresie małych częstotliwości) i Cjc (złączowa kolektora) modelujące procesy gromadzenia ładunku we wnętrzu tranzystora bipolarnego. Uproszczony schemat zastępczy układu dla dużych częstotliwości pokazano na rysunku powyżej. Po przekształceniu schematu (dopuszczalnym tylko dla pracy transmisyjnej wzmacniacza) oraz po pominięciu pojemności o niewielkiej wartości, pojawiającej się na wyjściu układu (jest to równoznaczne z usunięciem drugiego bieguna transmitancji układu), można schemat zastępczy sprowadzić do postaci pokazanej na rysunku poniżej, gdzie: Cb=Ce+CjcgmRL.

rys. 12 Uproszczony schemat zastępczy wzmacniacza dla zakresu dużych częstotliwości

Z tego schematu wynika, że wartość górnej częstotliwości granicznej układu jest określona przez stałą czasową t pojemności Cb i wynosi:

6. SPOSÓB ODWRACANIA FAZY W UKŁADZIE OE

W układzie OE następuje odwrócenie fazy sygnału wyjściowego względem wejściowego. Wzrostowi napięcia wejściowego towarzyszy wzrost prądu bazy i wzrost prądu kolektora. Zwiększa to spadek napięcia na rezystancji i obciążenia i zmniejszenie napięcia na kolektorze. Ujemne sprzężenie zwrotne stosuje się w celu poprawienia właściwości wzmacniaczy elektronicznych. Umożliwia ono: ·

Rozszerzenie pasma przenoszenia,

·

Zmianę impedancji wejściowej i wyjściowej wzmacniacza, a zatem osiągnięcie dopasowania energetycznego wzmacniacza do źródła sygnału wzmacnianego, a jednocześnie do odbiornika sygnału wzmacnianego Stabilizację wzmocnienia to znaczy uniezależnienie go od czynników zewnętrznych takich jak: wahania temperatury i napięcia zasilającego. Pogarszanie się parametrów elementów wzmacniających na skutek starzenia się ich itp. Czynników.

·

7. ZASTOSOWANIE UKŁADÓW OE, OB,OC.

ZASTOSOWANIE UKŁADU OE Wzmacniacze ze wspólnym emiterem są najczęściej wykorzystywanym typem wzmacniaczy, szczególnie w zakresie niezbyt wysokich częstotliwości, np. we wzmacniaczach częstotliwości akustycznych. Zapewniają stosunkowo wysokie wzmocnienie napięciowe; wzmocnienie prądowe jest także znacznie większe od jedności.

ZASTOSOWANIE UKŁADU OC Wzmacniacz ze wspólnym kolektorem ma wzmocnienie napięciowe równe jeden (ściślej: nieznacznie mniej, niż jeden), wobec czego na wyjściu wzmacniacza otrzymuje się "powtórzone" napięcie z wejścia, stąd druga powszechnie używana nazwa takich wzmacniaczy - wtórnik emiterowy. Pomimo braku wzmocnienia napięciowego, wtórniki emiterowe charakteryzują się wysokim wzmocnieniem prądowym. Impedancja wejściowa wzmacniacza w tym układzie jest wysoka, a wyjściowa - niska. Układ często wykorzystywany wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba wysterowania następnych stopni wzmacniacza wymagających stosunkowo dużego sygnału prądowego, np. do sterowania stopni koocowych wzmacniaczy dużej mocy.

BADANIE GENERATORÓW IMPULSÓW

1. WYJAŚNIĆ POJĘCIA: MULTIWIBRATOR MONOSTABILNY, ASTABILNY, BISTABILNY

Multiwibrator – układ elektroniczny, zrealizowany w oparciu o przekaźniki elektromechaniczne, lampy (w tym neonówki), tranzystory, diody tunelowe bądź inne elementy przełączające, posiadający dwa lub więcej stanów równowagi trwałej bądź nietrwałej.

multiwibrator monostabilny (przerzutnik monostabilny, uniwibrator), multiwibrator o 2 stanach: stabilnym i kwazistabilnym; przełączanie ze stanu stabilnego do kwazistabilnego zachodzi pod wpływem zewn. impulsu wyzwalającego, zaś powrót — samoczynnie; stosowany w technice cyfrowej.

multiwibrator astabilny (przerzutnik astabilny), multiwibrator o 2 stanach kwazistabilnych; przełączanie między stanami odbywa się samoczynnie; stosowany gł. jako generator taktujący (zegarowy).

multiwibrator bistabilny (przerzutnik bistabilny), multiwibrator o 2 stanach stabilnych; przełączanie między stanami odbywa się pod wpływem zewn. impulsu wyzwalającego; stosowany gł. jako pamięd (1-bitowa komórka pamięci).

2. Struktura wewnętrzna układu 555

3. Parametry układu 555

4. Schemat aplikacyjny oraz zasada działania układu monostabilnego opartego na 555

5. Schemat aplikacyjny oraz zasada działania układu astabilnego opartego na 555

6. Zależność czasu trwania impulsu od wartości elementów

Czas trwania impulsu wyjściowego wyraża się wzorem:

R – w omach (wielokrotności 1kΩ = 1000Ω, 1MΩ = 1000kΩ =1.000.000Ω)

C – w faradach (podwielokrotności 1μF=0,000001 F=10^(-6)F, 1nF=0,000000001 F = 10^(-9)F )

Układ działa następująco: Impuls (stan wysoki-stan niski-stan wysoki) podany na wejście TR (nóżka 2) ustawia wewnętrzny przerzutnik dwustanowy w układzie 555, co powoduje ustawienie na wyjściu stanu wysokiego (w przybliżeniu Ucc-1.4V) i wyłączenie tranzystora rozładowującego (podłączonego do nóżki 7 układu 555). Kondensator zaczyna się ładować przez rezystor R, napięcie na nim zaczyna narastać wg wzoru:

U7 – napięcie na nasyconym tranzystorze rozładowującym (80mV do 1V – zależy to od prądu płynącego przez R przy włączonym tranzystorze rozładowującym).

Ponieważ zwykle napięcie zasilania Ucc jest dużo większe niż napięcie U7 nasycenia tranzystora rozładowującego podłączonego do końcówki 7 układu, to napięcie U7 pomija się we wzorze i upraszcza się on do postaci:

Gdy napięcie na kondensatorze osiągnie poziom zadziałania komparatora kasujacego podłączonego do wejścia THR, to nastąpi ustawienie na wyjściu stanu niskiego oraz włączenie tranzystora rozładowującego kondensator.

Czas impulsu wyznacza się z porównania napięcia ładującego się kondensatora z poziomem odniesienia komparatora (to napięcie jest równe na końcówce 5 (Cv) układu):

Po przekształceniu czas trwania impulsu wyraża się wzorem:

Jeżeli końcówka 5 nie jest do niczego podłączona lub jest do niej podłączony kondensator filtrujący (najczęściej 10 nF), wówczas napięcie U5 jest ustalone wewnętrznym dzielnikiem napięcia na poziomie U5=(2/3)*Ucc i wzór upraszcza się do postaci:

Ze względu na czasy opóźnień pomiędzy impulsem wyzwalającym a zmianą sygnału na wyjściu, czasy narastania i opadania sygnału na wyjściu oraz wpływ pojemności montażowych powodujących spore odchyłki C przy małych jego wartościach (rzeczy...