Badanie wzmacniaczy tranzystorowych


SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
Ćwiczenie 1. Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie budowy, zasady funkcjonowania i właściwości
tranzystora bipolarnego oraz wyznaczenia podstawowych charakterystyk wzmacniacza w
układzie wspólnego emitera.
Tranzystory bipolarne (warstwowe)
Tranzystor warstwowy jest elementem
bipolarnym o dwóch złączach p-n
zlokalizowanych w monokrysztale
półprzewodnika w ten sposób, \e powstają w
nim trzy obszary (warstwy) mające kolejno
przewodnictwa p-n-p lub n-p-n.
Rys. 1. Budowa tranzystora NPN
Procesy zachodzące w jednym złączu oddziałują na drugie, a nośnikami ładunku
elektrycznego są elektrony i dziury, o czym świadczy przymiotnik bipolarny.
Patrząc na diodowe modele zastępcze tranzystorów
mo\na stwierdzić, \e tranzystor składa się z dwóch
połączonych ze sobą diod o wspólnej warstwie n lub p.
Jedna z warstw jest zródłem ładunków (emituje
ładunki) i dlatego nazywana jest emiterem E. Środkowa
warstwa nazywa się bazą B. Jej zadaniem jest sterowanie
przepływem ładunków. Ostatnia warstwa nazywa się
kolektorem C (łac. collectus=zbieranie), gdy\ zbiera
ładunki.
Rys. 2. Symbole graficzne tranzystora bipolarnego i diodowe schematy zastępcze
Występujące dwa modele tranzystorów PNP i NPN funkcjonują identycznie, ró\nice
występują tylko w kierunkach zewnętrznych zródeł napięcia i w kierunkach przepływu
prądów.
Tranzystor NPN przewodzi, kiedy baza i kolektor są dodatnio spolaryzowane względem
emitera.
W tranzystorze PNP baza i kolektor muszą być ujemnie spolaryzowane względem
emitera.
W tranzystorach bipolarnych warstwy emitera i kolektora są silniej domieszkowane ni\
warstwa bazy. Je\eli w tranzystorze NPN złącze baza-emiter jest spolaryzowane w kierunku
przewodzenia, a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym, to w tranzystorze popłynie prąd
elektronowy od emitera przez pierwsze złącze do bazy. Poniewa\ warstwa bazy jest
wyjątkowo cienka elektrony przepływają przez bazę i docierają do drugiego złącza. Tam są
przyciągane przez dodatnio spolaryzowaną elektrodę kolektora. Złącze baza-emiter przewodzi
elektrony i nie tworzy dla nich warstwy zaporowej.
W tranzystorach mała zmiana prądu bazy powoduje du\e zmiany prądu kolektora.
Występuje zjawisko wzmocnienia prądu.
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego 1
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
Przyjęło się w sposób określony oznaczać napięcia na tranzystorze. Napięcie na
elektrodach tranzystora mierzone względem masy oznaczane jest indeksem w postaci
pojedynczej du\ej litery C, B lub E i tak na przykład UC oznacza napięcie na kolektorze.
Napięcie między dwoma elektrodami oznacza się podwójnym indeksem, np. dla
napięcia między bazą, a emiterem będzie to UBE.
Na rys. 3 przedstawiony jest tranzystor pracujący w układzie wzmacniacza. Złącze
kolektor-baza jest spolaryzowane zaporowo (bateria EC), natomiast złącze baza-emiter w
kierunku przewodzenia (bateria EB).
Na rys. 4 pokazany jest rozpływ prądu w tranzystorze npn. Poniewa\ złącze baza-emiter
jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia to istnieje przepływ dziur z obszaru p do
obszaru n oraz przepływ elektronów z obszaru n do obszaru p.
Rys. 3. Rys. 4.
Elektrony wprowadzane z emitera do bazy stają się tam nośnikami mniejszościowymi i
drogą dyfuzji oddalają się od złącza emiterowego. Część tych elektronów łączy się z dziurami,
których w bazie jest bardzo du\o (obszar p). Wszystkie elektrony, które dotrą w pobli\e
złącza kolektor-baza są unoszone do obszaru kolektora. Dla niedu\ej szerokości obszaru p
(bazy) praktycznie wszystkie elektrony wstrzykiwane przez emiter do bazy dotrą do kolektora.
Rys. 5. Tranzystor jako wzmacniacz
Je\eli w układzie pokazanym na rysunku 5 zwiększy się napięcie baza-emiter z 0,8 V do
1 V, to prąd kolektora wzrośnie np. o około 0,1 A, a napięcie kolektor-emiter zmniejszy się o
około 4 V. Zmieniając napięcie baza-emiter, mo\na zmieniać rezystancję kolektor-emiter
tranzystora. Następstwem tego jest zmiana prądu kolektora, znacznie większa ni\ zmiana
prądu bazy.
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego 2
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
Je\eli w obwód włączymy rezystor RC, to wskutek spadku napięcia na tym rezystorze
zmienia się tak\e napięcie kolektor-emiter tranzystora. Zmiana tego napięcia jest znacznie
większa ni\ zmiana napięcia między bazą i emiterem.
Uzyskuje się zatem odpowiednio wzmocnienie prądu i napięcia. Taki układ pracy
tranzystora jako wzmacniacza nosi nazwę układu ze wspólnym emiterem WE.
Statyczne charakterystyki tranzystora
Właściwości tranzystora mo\na opisać na podstawie jego charakterystyk statycznych.
Dla ka\dego z trzech układów pracy tranzystora podaje się zwykle dwie charakterystyki:
wejściową i wyjściową. Charakterystyki statyczne przedstawiają zale\ności między prądami:
emitera IE, bazy IB, kolektora IC i napięciami: baza-emiter UBE, kolektor-emiter UCE i
kolektor-baza UCB.
Typowy przebieg charakterystyk wejściowych IB=f(UBE) przy UCE=const oraz
charakterystyk wyjściowych IC=f(UCE) przy IB=const tranzystora p-n-p pracującego w
układzie WE przedstawione są na rysunku poni\ej:
Rys. 6. Charakterystyki tranzystora: charakterystyka wejściowa i charakterystyka wyjściowa
Na charakterystyce wyjściowej wyraznie widać, \e wartość prądu kolektora zale\y od
prądu bazy, podwy\szenie ró\nicy potencjałów między kolektor-emiter nieznacznie tylko
wpływa na wzrost wartości prądu.
Charakterystyki częstotliwościowe wzmacniacza tranzystorowego
Z własności tranzystora wynika, \e jego właściwości wzmacniające są ściśle zale\ne od
zakresu częstotliwości wzmacnianych sygnałów.
Zale\ność współczynnika wzmocnienia od częstotliwości sygnału wejściowego nazywa
się charakterystyką częstotliwościową wzmacniacza.
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego 3
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza prądu zmiennego szerokopasmowego
Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza prądu zmiennego selektywnego
Podstawowe układy zasilania wzmacniaczy
Najczęściej są stosowane układy, w których obwody bazy i kolektora zasilane są z jednego
wspólnego zródła.
a) b) c)
Rys. 7. Układy zasilania wzmacniacza: a) wymuszonym zasilaniem bazy, b) ze sprzę\eniem
kolektorowym, c) z potencjometrycznym zasilaniem bazy i sprzę\eniem emiterowym
W układzie pierwszym (rys. 7a) baza jest zasilana przez rezystancję RB. Napięcie
polaryzacji bazy zale\y w tym przypadku od spadku napięcia na rezystancji RB, który
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego 4
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
powstaje wskutek przepływu przez nią prądu bazy IBO. Układ taki nie jest korzystny z powodu
du\ej zale\ności punktu pracy wzmacniacza od temperatury tranzystora.
Lepszą stabilizację punktu pracy uzyskuje się w układzie drugim (rys. 7b), w którym
opornik RBC włączony jest między bazę a kolektor. Dzięki ujemnemu sprzę\eniu zwrotnemu
wzmacniacz jest mniej wra\liwy na temperaturowe zmiany parametrów tranzystora.
W układzie trzecim (rys. 7c) baza jest zasilana z dzielnika napięcia R1, R2, a ujemne
sprzę\enie zwrotne polepszające stabilność temperaturową układu uzyskuje się na oporniku
emiterowym Re, zbocznikowanym kondensatorem o du\ej pojemności Ce.
Układ z szeregowym opornikiem w bazie Rb
Rys. 8. Schemat ideowy układu zasilania
Na bazę tranzystora podano przez opornik Rb napięcie sinusoidalnie zmienne z
generatora funkcyjnego o regulowanej amplitudzie sygnału. Poni\ej wartości 0,7 V tranzystor
pozostawał w stanie zatkania, tzn. nie płynął prąd bazy, rezystancja złącza kolektor-emiter
(Rce) jest bliska nieskończoności, a napięcie wyjściowe z kolektora jest bliskie napięciu
zasilania Uz, będąc pomniejszonym o spadek napięcia na rezystancji kolektora Rc.
Gdy wartość sygnału przekroczyła 0,7 V
tranzystor zaczął przewodzić, ale tylko w
tym zakresie sinusoidy, której wartość
przekraczała 0,7 V. Zwiększanie amplitudy
sygnału powodowało odetkanie się
tranzystora, a\ do stanu nasycenia.
W tym stanie prąd bazy jest
maksymalny, rezystancja złącza kolektor-
emiter dą\y do zera i napięcie wyjściowe,
które jest spadkiem napięcia na tym złączu
równie\ dą\y do zera.
W rzeczywistości wartość minimalna
napięcia wynosi 0,2 V. Zwiększenie wartości
sygnału wejściowego powoduje
zmniejszenie wartości napięcia na wyjściu.
Rys. 9. Wykres przebiegów napięcia wejściowego i wyjściowego w funkcji czasu.
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego 5
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
Układ ze wstępną polaryzacją bazy tranzystora
Rys. 10. Schemat ideowy układu zasilania
W układzie tym u\yto dwóch oporników (Rb1, Rb2), których zadaniem jest wstępna
polaryzacja bazy tranzystora, w celu wyznaczenia punktu pracy. Rezystory Rb1 oraz Rb2
dobiera się w taki sposób, aby wstępnie odetkać tranzystor a napięcie na wyjściu równało się
połowie napięcia zasilania. Tu ujawnia się przewaga tego rozwiązania nad układem z
szeregowym opornikiem na bazie RB, czyli mo\liwość wzmacniania zarówno dodatnich jak i
ujemnych półokresów napięcia sinusoidalnego. P
Przy półokresie dodatnim tranzystor mo\e osiągnąć stan nasycenia i w konsekwencji
napięcie wyjściowe spadnie do 0,2 V. Przy półokresie ujemnym tranzystor zacznie się
przytykać a napięcie na wyjściu zbli\y się do napięcia zasilania. Wartość rezystancji Rb1 oraz
Rb2 powinna być tak dobrana, by Rb1=10Rb2. Na wykresach przedstawione są przebiegi napięć
wejściowych i wyjściowych. Kondensatory C1 i C2 mają za zadanie separację składowej stałej
sygnałów wejściowego i wyjściowego.
Je\eli na bazę zostanie podany zbyt wysoki sygnał, na wyjściu otrzymamy sygnał
zniekształcony (obcięte wierzchołki sinusoidy). Jest to konsekwencją przesterowania
tranzystora, pojawiają się stany całkowitego zatkania oraz nasycenia tranzystora, w których
nie jest on wysterowany i zmiany na wejściu nie wywołują zmian na wyjściu.
Uwe [mV]
t [ms]
Uwy [V]
Uz
0,2
t [ms]
Rys. 11. Wykres przebiegów napięcia wejściowego i wyjściowego w funkcji czasu
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego 6
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
Schemat wzmacniacza tranzystorowego w układzie WE (tranzystor NPN)
Rys. 12. Schemat wzmacniacza w układzie WE
Analiza graficzna wzmacniacza tranzystorowego w układzie WE
Wykonanie ćwiczenia (dla tranzystora NPN)
1. Połączyć kolektor C z wyjściem wspólnym OUT1 (czerwony) i rezystorem RC (10 k&!).
2. Połączyć emiter E z wyjściem wspólnym OUT3 (biały) oraz rezystorem RE (1 k&!).
3. Połączyć bazę B z wejściem wspólnym (zielonym). Połączyć rezystor 10 k&! IN1 z
gniazdem RCA (chinch) po lewej stronie.
4. Połączyć wyjście OUT2 z gniazdem RCA (chinch) po prawej stronie.
5. Połączyć za pomocą kabla 3xRCA kanały oscyloskopu z gniazdami RCA i wyjściem
generatora funkcyjnego OUT 50 &!. (końcówki zielona i niebieska podłączone poprzez
rozdzielacz do kanału 1 oscyloskopu, końcówka czerwona do kanału 2. Drugi koniec
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego 7
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
kabla: końcówka zielona podłączona do generatora, końcówka niebieska do gniazda
RCA wejściowego, końcówka czerwona do gniazda RCA wyjściowego).
6. Ustawić na generatorze funkcyjnym częstotliwość 500 Hz i uaktywnić wyjście sygnału
sinusoidalnego. Pokrętło amplitudy ustawić na minimum.
7. Uruchomić oscyloskop, ustawić przełącznik kanałów na Kanał 1. Pokrętłem ustawić
sygnał odniesienia na poziomie 2 kratki od góry ekranu oscyloskopu. Ustawić
wzmocnienie kanału na 0,5 V, a sprzę\enie sygnału na AC.
8. Stopniowo zwiększać amplitudę sygnału na generatorze tak, aby był widoczny
przebieg sinusoidalny o amplitudzie na poziomie 1 kratki ekranu oscyloskopu.
Ustawić pokrętło podstawy czasu na oscyloskopie na 0,5 ms.
9. Włączyć zasilacz na 12 V i połączyć z gniazdem zasilającym stanowiska.
10. Ustawić przełącznik kanałów na Kanał 2 i pokrętłem ustawić sygnał odniesienia na
poziomie 3 kratki od dołu ekranu oscyloskopu. Ustawić wstępnie wzmocnienie kanału
na 1 V a sprzę\enie na AC.
11. Przestawić przełącznik kanałów na tryb DUAL (obserwacja dwóch kanałów).
12. Stopniowo zwiększać amplitudę sygnału na generatorze i obserwować przebiegi na
oscyloskopie. Odczytać amplitudy sygnałów na obu kanałach. Przerysować
przykładowy przebieg. Wyciągnąć wnioski z obserwacji.
13. Ustawić pokrętło amplitudy na minimum.
14. Odłączyć wejście IN1 od gniazda RCA.
15. Kanał 2 oscyloskopu podłączyć do wyjścia OUT1, ustawić sprzę\enie sygnału na
GND a wzmocnienie na 2 V, pokrętłem ustawić sygnał odniesienia (zwarcie do GND)
na poziomie 1 kratki od dołu. Ponownie ustawić sprzę\enie na DC.
16. Odczytać poziom napięcia na zacisku kolektora. Podłączyć zasilanie bazy B poprzez
rezystor 67 k&! do zasilania +V, odczytać poziom napięcia, podłączyć rezystor
10,8 k&! do gniazda Common, odczytać i zanotować poziom napięcia.
17. Ustawić tłumienie sygnału na generatorze na 20 dB (przycisk Attenuation). Podłączyć
sygnał z gniazda RCA z wejściem IN1.
18. Ustawić wzmocnienie kanału 1 na 20 mV a kanału 2 na 0,2 V, przestawić sprzę\enie
kanału 2 na AC.
19. Stopniowo zwiększać amplitudę sygnału zasilającego tak, aby widoczne były dwa
przebiegi sinusoidalne. Odczytać amplitudy sygnałów i przerysować przebiegi.
20. Zwiększyć amplitudę sygnału tak, aby przebieg na wyjściu nie był sinusoidalny.
Odczytać amplitudy sygnałów i przerysować przebiegi. Wyciągnąć wnioski.
21. Wykonać pomiary do wyznaczenia:
Charakterystyka dynamiczna wzmacniacza dla f=500 Hz
Uwej [mV] 1 2 3 5 10 12 14 20 50 70 100
Uwyj [V]
Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza
f [Hz] 5 10 50 100 500 1000 10k 50k 80k 100k 150k 175k
Uwy [V]
Uwe [V] 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01
Ku
Logf
20logKu
Wyznaczyć pasmo przenoszenia wzmacniacza Bf.
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego 8


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Projekt wzmacniacza tranzystorowego jednostopniowego
Wzmacniacz tranzystorowy
10 Wzmacniacze tranzystorowe
OE WZMACNIACZ TRANZYSTOROWY OE
Wzmacniacz tranzystorowy OB, cz 17
Cw 1 Badanie wzmacniaczy mocy
Badanie wzmacniacza operacyjnego
Wzmacniacz tranzystorowy (2)
badanie tranzystorowego wzmacniacza napieciowego
Tranzystorowy wzmacniacz m cz malej mocy
miernictwo tranzystorowe wzmacniacze

więcej podobnych podstron