MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV A mérés tárgya:
Tranzisztoros erősítő alapkapcsolások vizsgálata (5. mérés)
A mérés időpontja:
2004. 03. 08 de
A mérés helyszíne:
BME, labor: I.B. 413
A mérést végzik:
Belso Zoltan KARL48 Szilagyi Tamas AEG6X0
Mérőcsoport
kurzus: K2, 1. csoport
A mérést vezeti:
<mérésvezető neve>
Felhasznált eszközök PC
NEC Express 5800 TM600
GEP 17
Digitális oszcilloszkóp
AGILENT 54622A
Függvénygenerátor
AGILENT 33220A
Digitális multiméter (6½ digit)
AGILENT 33401A
Digitális multiméter (3½ digit)
Metex ME-22T
Tápegység
Agilent E3630
Mérőpanel
Mérési feladatok 1. Földelt emitteres erősítő alapkapcsolás A megfelelő jumperek felhelyezésével alakítsa ki a Mérési utasítás 2. ábráján látható kapcsolást. Csatlakoztassa a tápegységet és állítsa be a Házi Feladatban előírt tápfeszültséget (US = Supply Voltage), amihez a D fordított polaritás ellen védő dióda miatt kb. 0.6 V-tal magasabb UB (Battery) feszültséget kell a tápegységen beállítania! 1.1 Mérje meg a munkaponti feszültségeket! UB= 0.677 V US= 10 V (a vedodioda utan merve) UCE= 5.47 V UBE= U_B = 0.677 V
1
1.2 A mért értékekből számítsa ki IC, IB, valamint B értékét! IC= (U_S – U_CE) / 1.5k = 3.02 mA IB= (U_S – U_B) / 750k = 12.4 uA B= I_C / I_B = 243 1.3 Adjon a bemenetre f = 1kHz-es szinuszos jelet. Oszcilloszkóppal ellenőrizze a fokozat működését. Állítsa a bemenőjel amplitúdóját akkorára, hogy az erősítő kimenetén még torzítatlan jelet kapjon. A helyettesítőkép alapján (Mérési Utasítás: 3. ábra) mérje meg: 1.3.1 - h11e értékét:
h11 =
u1 = 15.4 mV / (5.48 uA – 15.4 mV / 750 kohm) = 2.82 kohm i1 u = 0 2
Hogyan biztosítja az u2=0 feltételt? A kimeneti pontot (a 2.2 uF-os kondenzator utan) a foldponttal osszekotjuk. 1.3.3 - a fokozat erősítését, u_be = 70.2 mV u_ki = 2.12 V A_u = u_ki / u_be = 30.2 (A váltakozó feszültségeket az Agilent multiméterrel mérje!) Az eredményeket vesse össze a Házi feladatban kiszámított eredményeivel. A hazi feladatban h_11 = 1.6 kohm, A_u = 26.2 adodott. A szamolas alapjaul szolgalo karakterisztika gorbek leolvasasi pontossaga mellet ez az egyezes jonak tekintheto. 1.4 A terheletlen erősítő kivezérelhetőségének vizsgálata. 1.4.1 Figyelje meg az erősítő kimenőjelének eltorzulását feszültséggenerátoros (JP1 jumper ON), illetve kvázi áramgenerátoros (JP1 = OFF) meghajtás esetén. Adjon magyarázatot a tapasztaltakra!
2
JP1 = OFF (kvazi aramgeneratoros meghajtas eseten):
JP1 = ON (feszultseggeneratoros meghajtas):
3
A torzitas megszuntetesehez a vezerlojelet jelentosen csokkenteni kellett:
A feszultseggeneratoros meghajtasnal a tranzisztor BE diodajat kozvetlenul vezereljuk, ami a nagy bemeneti feszultseg hatasara teljesen kinyit.
2. Földelt emitteres alapkapcsolás emitterköri negatív visszacsatolással. Alakítsa ki a Mérési Utasítás 4. ábrája szerinti kapcsolást. Ügyeljen arra, hogy a további méréseknél a bemeneten lévő J1-es jumper ON állásban legyen (azaz zárja rövidre a 10 kohmos ellenállást)! 2.1 Mérje meg a B, E, valamint C pontok feszültségeit, hasonlítsa össze a Házi Feladatban kiszámított értékekkel! UB = 1.68 V US = 10 V (a vedodioda utan merve) UC = 6.39 V UE = 1.01V U_CE = U_C – U_E = 5.38 V U_BE = U_B – U_E = 0.67 V 2.2 Számítsa ki a tényleges IE és IC értékeket.
4
IC= (U_S – U_C) / 1.5k = 2.41 mA I_E = U_E / R_E = 1.01 V / (330 + 82 ohm) = 2.45 mA IB= I_E – I_C = 40 uA B= I_C / I_B = 60 2.3 Mérje meg a terheletlen, és az 1 kohm-mal terhelt erősítő feszültségerősítéseit, vesse össze a számítottakkal! Terheletlen erosito:
u_be = 92 mV u_ki = 287 mV A = u_ki / u_be = 3.12
5
1 kohm ellenallassal terhelt erosito:
u_be = 92 mV u_ki = 122 mV A = u_ki / u_be = 1.33 2.4 Határozza meg az erősítő kimenőellenállását! Az erositofokozat kimenoellenallasa es a terheloellenallas egy feszultsegosztot kepez, ez okozza azt, hogy a kimeneti ellenallas valtoztatasaval az erosites is megvaltozik. u_ki = 98.23 V (terheletlen esetben) u_ki_terhelt = 39.37 V u_ki_terhelt = R_terheles / (R_ki + R_terheles) * u_ki R_ki = R_terheles * (u_ki / u_ki_terhelt – 1) = 1.495 kohm A kimenoellenallast elvileg a kollektorellenallas hatarozza meg, ezzel a kapott eredmeny jol egyezik (R_C = 1.5 kohm).
6
2.5 A feszültségerősítés frekvenciamenetének mérése. Ebben a mérési pontban a Bode amplitúdó diagramokat vesszük fel és vizsgáljuk az egyes elemek frekvenciamenetre gyakorolt hatását. (JP7 :4.7nF; JP14: 470nF; JP15: 2.2µF,1kOhm). A mérési utasításban leírt szempontok szerint válassza meg a bemenőszintet úgy, hogy az összehasonlíthatóság érdekében valamennyi jumperkombinációban fel tudja venni a frekvenciamenetet! A továbbiakban a 2.5.1 kombinációnál f=1kHz-nél rögzítse a kimenőjel 0dB-s referencia szintjét (Agilent multiméter: Math funkció dB Null). Ezek után a 20Hz - 200kHz tartományban dekádonként 3 pontban (2; 5; 10) vegye fel a kimeneten az erősítő frekvenciamenetét az alábbi variációkban: 2.5.1. -Terheletlen erősítő (JP7, JP14 és JP15 OFF) 2.5.2. -Terheletlen erősítő emitterkondenzátorral (JP7 és JP15 OFF, JP14 ON) 2.5.3 .-Terhelt erősítő kollektorköri kondenzátorral (JP14 OFF, JP7 és JP15 ON) 2.5.4. -Valamennyi jumper felhelyezésével. f [Hz] 20 50 100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000 50000 100000 200000
"2.5.1" -2,96 -0,63 -0,16 -0,03 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,01 -0,02 -0,08 -0,32
A_u [dB] "2.5.2" "2.5.3" "2.5.4" -2,96 -15,80 -15,80 -0,62 -9,87 -9,87 -0,12 -8,51 -8,48 0,12 -8,12 -7,97 0,88 -8,01 -7,13 2,71 -8,00 -5,29 6,06 -8,00 -1,94 10,5 -8,03 2,49 12,2 -8,14 4,06 12,8 -8,53 4,24 12,9 -10,5 2,37 12,8 -14,1 -1,25 12,3 -19,2 -6,37
7
A foldelt emitteres erositofokozat frekvenciamenetet a kulonbozo jumper allasok mellett a kovetkezo grafikon mutatja:
FE erosito 15,00
"2.5.1" "2.5.2" "2.5.3" "2.5.4"
10,00
A_u [dB]
5,00 0,00
-5,00 -10,00 -15,00 -20,00
20 00 00
10 00 00
50 00 0
20 00 0
10 00 0
50 00
20 00
10 00
50 0
20 0
10 0
50
20
-25,00
f [Hz]
Értékelje a diagramokat, a töréspontokat hasonlítsa össze a Házi Feladatban kiszámolt eredményeivel! Az elso harom esetet a hazi feladat kereteben kiszamitottuk, a torespontos kozelitessel a meresi eredmenyek jol egyeznek. Az elso esetben a bemeneti kondenzator okoz egy polust, amely also hatarfrekvenciat eredmenyez. A masodik esetben a bemeneti kondenzator altal okozott polus mellett fellep az emitterkondenzator altal okozott zerus es polus hatasa is. A harmadik esetben a bemeneti es a kimeneti kondenzator is okoz alacsony frekvencias polust, ezenkivul a terhelo kondenzator a terheloellenallassal parhuzamosan kapcsolodva egy nagyfrekvencias polust eredmenyez. A negyedik esetben (az osszes jumper felhelyezesekor) az osszes idoallando egyutt lep fel.
2.6 Az erősítő négyszögátvitelének mérése Adjon a bemenetre f = 1kHz-es négyszögjelet, JP7, JP14, és JP15 OFF állásában. 2.6.1 Vegye fel a kimenőjel időfüggvényét, mérje meg a tetőesést és a felfutási időt! (Melyik időállandó felelős a tetőesésért?)
8
A kimeneti jel tetoesese figyelheto meg:
A tetoeses mertekenek meghatarozasa:
9
A tetoesest a bemeneti kondenzator altal okozott alacsony frekvencias idoallando hatarozza meg. (Az abran nem igazan latszik, de eppen egy periodus van a kepernyon – ez a 499 us idobol lathato.) A felfutasi ido:
A felfutasi ido 676 ns.
2.6.2 Helyezze fel a JP7-es jumpert, mérje meg így is a felfutási időt.
10
A felfutasi ido 15.5 us-ra nott. Ezt a nagymerteku novekedest a nagyfrekvencias idoallando fellepese okozza.
2.6.3 Helyezze fel a JP14-es jumpert is, mérje meg a jel túllövését! (Ügyeljen arra, hogy az erősítő a túllövésnél se limitáljon!) Értelmezze eredményeit, vesse össze a frekvenciatartománybeli méréseivel!
11
A JP14-es jumper felhelyezese utan:
A jel allandosult allapotbeli maximuma 484mV, a csucsertek (a tulloves) 2.48 V. A tulloves merteke 512%. A JP14 jumper felhelyezesekor nagyobb frekvenciakon megno az erosites, ez a negyszogjel tulloveseben jelentkezik.
Kiegészítő mérési feladat. Ehhez a feladathoz akkor kezdjen csak hozzá, ha már az összes többi feladattal végzett! 2.7 Az erősítő kivezérelhetőségének mérése. Erősítők kivezérelhetőségének kvantitatív jellemzése adott torzítási tényezőhöz tartozó be-, illetve kimeneti feszültséggel történhet. A harmonikus torzítást a n
∑ ui2
k = i=u2 1
összefüggésből határozhatjuk meg, ahol u1 az alapharmonikus, u2......un a megfelelő felharmonikusok effektív értékei. 2.7.1 Határozza meg f = 1kHz-en a k = 2% torzításhoz tartozó kimenő feszültség értékét!
12
A terheletlen alapkapcsolást vizsgáljuk (JP7, JP14 és JP15 OFF). Az oszcilloszkóp FFT funkciója segítségével felvesszük 4 különböző szinten a k torzítási tényező függését a bemenőjel effektív értékének függvényében. A mérési utasításban javasolt módon 4 szintnél határozza meg az erősítő harmonikus torzítását a bemenőszint függvényében, ábrázolja ezt diagramban, majd ebből határozza meg a 2%-os torzításhoz tartozó bemenőszintet! <eredmények 3. Fázishasító kapcsolás vizsgálata. Állítsa össze a Mérési Utasítás 5. ábráján lévő kapcsolást! 3.1. Mérje meg a B, E, C pontokon a munkaponti feszültségeket, számítsa ki az emitteráramot. U_B = 1.73 V U_E = 1.1 V U_C = 8.94 V U_CE = U_C – U_E = 7.84 V U_BE = U_B – U_E = 0.63 V U_S = 10 V I_E = U_E / R_E = 1.1 V / 1.5 kohm = 0.73 mA I_C = (U_S – U_C) / R_C = 0.71 mA I_B = 20 uA Adjon a bemenetre f = 1kHz frekvenciájú 1Vpp nagyságú szinuszjelet. A C ill. E pontokra csatlakoztassa az oszcilloszkóp Y1 ill. Y2 csatornáit az osztófejekkel. Figyelje meg a működést (fázisviszonyok, jelszintek). Az oszcilloszkóp Quick Measure Peak-Peak funkciójával mérje meg a kollektoron és az emitteren a jelszinteket: 3.1.1 -Terhelés nélkül.
13
A felso gorbe az emitter, az also a kollektor feszultseget mutatja.
3.1.2 -1kohm emitter terheléssel (JP13, JP15 ON)
14
3.1.3-1kohm kollektorterheléssel (JP12, JP15 ON)
4. Földelt kollektoros (emitterkövető) kapcsolás vizsgálata. A JP8 jumper felhelyezésével az előző fázishasítóból emitterkövetőt alakíthatunk ki. Indokolja ennek helyességét! A 100 uF-os kondi bekapcsolasaval a kollektort valtakozo aramu szempontbol foldeljuk. Igy a kapcsolas foldelt kollektorossa, vagyis emitterkovetove valik. Csatlakoztassa az oszcilloszkóp két csatornáját DC csatolással az emitter, illetve a bázis pontokra. Nullvonalak és erősítések legyenek azonosak! Adjon a bemenetre f = 1kHz-es szinuszjelet. Vizsgálja meg és értelmezze a működést! Növelje a bemeneti jel amplitúdóját addig amíg az emitteren a jel éppen torzítani kezd.
15
4.1 Mérje meg a maximális torzítatlan kivehető jel nagyságát! XY modban figyelve a transzfer karakterisztikat, jol latszik az a helyzet, amikor az aramkor hatarolni kezd.
A torzitatlan kimeno jel nagysaga 2.3 V_pk_pk. Az idotartomanyban a ket jel majdnem egybeesik:
16
4.2 Terhelje le 1kOhm-mal az emitterkövetőt. Mit tapasztal? Határozza meg így is a maximálisan kivehető jel nagyságát! A terheles hatasara a kivezerlest vissza kellett venni:
A maximalisan elerheto kimeneti jel nagysaga 950 mV-ra csokkent. 17
Idotartomanyban:
4.3 Igazolja számítással is az 4.2 pontban mért eredményt. <számítás, eredmény > 4.4 Mérje meg az emitterkövető kimeneti ellenállását f = 10kHz-en, Rg = 0 és Rg = ∞ generátorellenállások esetén! A mérési utasításnak megfelelően tervezze meg a mérési összeállítást! A kimenőellenállással arányos feszültséget az E ponton az AC feszültségmérőként használt Agilent Multiméterrel mérje! 4.4.1 Határozza meg számítással és méréssel a kimenőellenállást a bemenet rövidrezárt állapotában (Rg = 0)! <mérési eredmények, tapasztalatok> 4.4.2 Határozza meg számítással és méréssel a kimenőellenállást a bemenet szakadt állapotában is! <mérési eredmények, tapasztalatok> 5. JFET-es földelt source-ú erősítő vizsgálata. 5.1. Mérje meg a mérőpanelen található erősítő munkaponti feszültségeit (G, S, D pontok feszültségeit), ezekből határozza meg az ID és IS munkaponti áramokat <mérési eredmények, tapasztalatok>
18
5.2. Mérje meg a visszacsatolatlan erősítő (JP16 ON) erősítését f = 1 kHz-en. Határozza meg a mérési eredményből a FET g21 meredekségét! (Más jelöléssel: gm = g21). <mérési eredmények, tapasztalatok> 5.3. Mérje meg a visszacsatolt erősítő erősítését is! <mérési eredmények, tapasztalatok> . Valamennyi
mérési eredményét vesse össze a Házi Feladatban kiszámolt értékekkel.
<mérési eredmények, tapasztalatok> 6. Tranzisztoros áramgenerátor vizsgálata. Ennél a mérésnél a tápfeszültséget (US) növelje meg 20 V-ra. Számítsa ki az áramgenerátor várható áramát U2 = 10V kimeneti feszültséget feltételezve. <mérési eredmények, tapasztalatok> 6.1. Méréssel ellenőrizze számításának helyességét. <mérési eredmények, tapasztalatok> 6.2. Vegye fel az áramgenerátor áram-feszültség karakterisztikáját 4V 6.3 Határozza meg az áramgenerátor kimenőellenállását! <mérési eredmények, tapasztalatok>
19
