BOSNA I HERCEGOVINA FEDERACIJA BOSNE I HERCEGOVINE TUZLANSKI KANTON JAVNA USTANOVA MJEŠOVITA SREDNJA ELEKTROTEHNIČKA ŠKOLA TUZLA
ELEKTRONIKA III PRORAČUN POJAČAVAČA U SPOJU SA ZAJEDNIČKIM EMITOROM Laboratorijska vježba - I
Profesori:
Jasmina Omerdić Sejfudin Agić
Prezime i ime:
Hodžić Nevres
Datum izrade:
Muhameda Hevaija Uskufija 2, 75000 Tuzla Tel/Fax : +387 35 281-167; 280-012, 282-009
[email protected], www.etstuzla.edu.ba
Razred : Ocjena :
IIIT1
BOSNA I HERCEGOVINA FEDERACIJA BOSNE I HERCEGOVINE TUZLANSKI KANTON JAVNA USTANOVA MJEŠOVITA SREDNJA ELEKTROTEHNIČKA ŠKOLA TUZLA
Tuzla, oktobar/listopad 2011.
Muhameda Hevaija Uskufija 2, 75000 Tuzla Tel/Fax : +387 35 281-167; 280-012, 282-009
[email protected], www.etstuzla.edu.ba
1. TEORIJSKA PRIPREMA POJAČAVAČ SA ZAJEDNIČKIM EMITOROM Budući da tranzistor ima vrlo malu ulaznu i vrlo veliku izlaznu impedancu, on se kao pojačavač približava idealnom strujnom pojačavaču. U ovoj vježbi ćemo analizirati istosmjerni (statički) i izmjenični (dinamički) režim rada pojačavač sa uzemljenim emitorom i RC spregom. Šema pojačavača je data na slici 1.1. Istu šemu bismo mogli nacrtati i tako da na ulazu pobudni generator bude naponski, pa se onda radi o pojačavaču napona, a mi ćemo govoriti o pojačavaču struje u spoju sa zajedničkim emitorom. Ovo u stvari nije bitna razlika, jer se strujni generator može predstaviti kao naponski, a naponski kao strujni.
Slika 1.1. Šema tranzistorskog pojačavača u spoju sa sa ZE
Pojačavački elementi, kao što su: tranzistori, fetovi, i mosfetovi napajaju se iz izvora istosmjerne struje. Na njihovim elektrodama postoji istosmjerni napon, a kroz njih protiče istosmjerna struja. Kažemo da se elementi i pojačavač nalaze istosmjernim ili statičkom režimom rada. Tek kada su elementi priključeni na izvor istosmjernog napona, kada se nalaze u istosmjernom režimu rada, promjenom istosmjernog napona ili istosmjerne struje na ulazu, odnosno dovođenjem pobudnog signala na ulaz (govornog, audio, video ili signala nekog drugog talasnog oblika, npr. izmjeničnog, jer u osnovi svakog signala se nalazi prostoperiodični, sinusoidalni signal) elementi, uređaji, sklopovi će izvršavati funkciju zbog koje su napravljani, tj. raditi kao pojačavač. Kažemo da se elementi i pojačavač nalaze u izmjeničnom ili dinamičkom režimom rada. Pojačala su sklopovi koji pojačavaju ulazni signal male snage pri čemu frekvencija ostaje ista a amplituda i faza se mogu promijeniti. Izlazna pojačala daju izmjeničnu snagu zvučniku ili nekom drugom potrošaču tonfrekventne snage. Audio pojačala moraju imati odprilike ove karakteristike: mala izobličenja, funkcionalnost, lijep vanjski izgled , kompaktibilnost sa ostalim audio komponentama , kvalitet zvuka itd .
3
Pojavu pojačanja omogućuje nam upravljivost elektroničkog poluvodičkog troslojnog elementa tranzistora (bipolarnog ili unipolarnog). Unipolarnim tranzistorom upravljamo naponom upravjačke elektrode gatea. Češće je upotrebljavan bipolarni tranzistor kojim upravljamo strujom upravljačke elektrode baze. Bipolarni tranzistor se najčešće spaja na tri karakteristična načina:
• • •
Pojačalo u spoju zajedničke baze (Slika 1.3.) Pojačalo u spoju zajedničkog kolektora - emitersko sljedilo (Slika 1.2.) Pojačalo u spoju zajedničkog emitera (Slika 1.1.)
4
Pojačalo u spoju zajedničke baze karakterizira strujno pojačanje koje iznosi približno 1. Pojačalo u spoju zajedničkog kolektora karakterizira naponsko pojačanje približno jednako 1. Pojačalo u spoju zajedničkog emitera je najčešće u upotrebi jer pojačava i napon i struju. Klasu rada tranzistorskog pojačala određuje položaj radne tačke na dinamičkom radnom pravcu. Razlikujemo A, B, C i G klasu rada pojačala. Kod pojačala u klasi A radna tačka se nalazi u normalnom aktivnom području na sredini dinamičkog radnog pravca, što znači da jedan tranzistor pojačava i pozitivnu i negativnu poluperiodu ulaznog signala. Pojačalo u klasi A iz izvora napajanja uvijek uzima istu vrijednost snage bez obzira da li je pobuđeno ili ne. Korisnost ovog pojačala se kreće u granicama od 40% do 45%. Ova vrsta pojačala ima najmanja izobličenja. Kod pojačala u klasi B radna tačka se nalazi između normalnog aktivnog područja i područja zapiranja, što znaći da su za pojačanje izmjenične struje potrebna dva tranzistora od kojih jedan pojačava negativnu a drugi pozitivnu poluperiodu. Dok nema pobude struja ne teče kroz tranzistore, tj. teče mali, zanemarivi iznos struje . Korisnost ovih pojačala kreće se između 65% i 70%. Tranzistori za ovo pojačalo moraju biti komplementarni tj. jedan mora biti NPN a drugi PNP. Oni također moraju imati i jednako pojačanje što se u praksi teško postiže pa kod B klase dolaze do izražaja izobličenja zbog nesimetričnosti prenosnih karakteristika. Klasa C također koristi komplementarne tranzistore ali kod nje struja kroz tranzistor teče samo dijelom poluperiode , što znači da nema prednapona baze pa je radna tačka u području zapiranja. Klasa G znači rad dvostrukog para tranzistora u simetričnoj vezi. Ova pojačala imaju veliku korisnost. Hibridna pojačala su kombinacija tranzistorske i integrirane poluvodičke tehnike. Zbog nelinearnosti tranzistora i nemogućnosti matematičkog definiranja za svaki tranzistor proizvođač daje četiri grupe statičkih karakteristika: ulazna, izlazna, prenosna i povratna. Kako je prenosna karakteristika nelinearna, treba računati s relativno velikim harmoničkim izobličenjem. Pri proučavanju ili projektiranju izlaznih pojačala ne mogu se, zbog nelinearne prijenosne karakteristike, primijeniti nadomjesne sheme. Stoga se problemi izlaznih pojačala rješavaju grafički, ucrtavanjem radne karakteristike preko izlaznih karakteristika tranzistora. Za izlazno pojačalo posebno se pazi na omjer dobivene izmjenične snage i utrošene istosmjerne snage, dakle na stupanj korisnog djelovanja . Prilagođenje je usklađivanje izlazne impedance pojačala i zvučnika ili sljedećeg stupnja pojačala. Izobličenja dijelimo na linearna i nelinearna.Linearna izobličenja su posljedica nejednakih ulaznih signala.Nelinearna izobličenja nastaju kao posljedica nelinearnosti statičkih karakteristika tranzistora. Povratna sprega je djelovanje izlaznog signala na ulaz sistema. Pazlikujemo negativnu povratnu spregu i pozitivnu povratnu spregu a one opet mogu biti strujna i naponska. Pozitivna povratna sprega povećava ulazni signal a negativna ga smanjuje. U gotovo svakom audio pojačalu primijenjena je negativna povratna sprega zbog koje pojačalo ima:
5
-
manje manje manje manje manju manju manje
prigušno izobličenje harmoničko izobličenje fazno izobličenje napone smetnji ili veću (po želji ili potrebi) ulaznu impedancu ili veću (po želji ili potrebi) izlaznu impedancu pojačanje.
1.1. STATIČKI REŽIM RADA POJAČAVAČA Na slici 1.2. Prikazana je kompletna šema pojačavača u spoju za zajedničkim emitorom. Ucc
Rb1
Rc Cs2 BC107
Cs1
Rb2
Re
Ce
Slika 1.2. Elektronska šema pojačavača u spoju za zajedničkim emitorom u Multisim-u
Izvršićemo njegovu statičku analizu pa su zbog toga na slici 1.3 prikazani samo elementi pojačavača odgovorni za njegov istosmjerni rad. Upravo vrijednosti tih elemenata (otpornika RC, RE, RB1 i RB2) treba izračunati i to tako da oni radnu tačku tranzistor „drže“ u sredini linearne oblasti statičkih karakteristika.
6
Ucc
KII Rb1
ICQ
IBQ
Rc
BC107
I
KI
UCEQ
UBEQ Rb2
KIII
URe
Re
IEQ
Slika 1.3. Pojačavača u spoju za zajedničkim emitorom sa komponentama odgovornim za statički radni režim
Na slici 1.3 su nacrtane i komponente istosmjernih struja i napona koje se pojave kada se uključi baterija (napajanje) UCC. Za izabrani NF tranzistor za male snage BC107 poznata je izlazna statička karakteristika, slika 1.4. Za pouzdan rad pojačavača izabran je položaj radne tačke Q približno u sredini linearnog područja karakterisitke, ucrtana je radna tačka i zatim pročitane vrijednosti pripadajućih struja i napona. Sa karakteristike usvajamo vrijednosti struja i napona u radnoj tački Q (dodjeljujemo im dodatni indeks Q): ICQ≈5 mA, IBQ=15 μA i UCEQ≈4 V, a svakako je poznata vrijednost za UBEQ=0,7V. Struju IE računamo kao: IEQ=ICQ+IBQ≈ICQ (logično, jer je IB rada μA tj. zanemariva) Iz prakse je poznato da bi pojačavač ostvarivao zadanu funkciju da treba usvojiti i vrijednost pada napona na otporu RE tako da on bude 10-20% vrijednosti napona napajanja UCC: URE≈0,2UCC, a usvajamo i vrijednost struje koja teče iz napajanja kroz otpore RB1 i RB2 tako da je ona 10 do 20 puta veća od struje IBQ, tj: I≈10IB. Napon napajanja je također poznat i za ovaj slučaj iznosi UCC=10V.
7
ICQ=5,2 mA ICQ≈5 mA
IBQ=15 μA
UCEQ=3,85 V UCEQ≈4 V Slika 1.4. Izlazna statička karakkteristika za tranzistor BC107
I.
Vrijednosti otpora RC računamo tako da pojačavač radi u izabranoj radnoj tački uzimajući da je pad napon na otporniku RE približno jednak 20% od napona napajanja, koji iznosi UCC=10 V (URE≈0,2UCC).
Zatvaranjem konture KI u izlaznom kolu (slika 1.3): -UCC+ICQRC+UCEQ+URE=0 iz čega slijedi: RC =
II.
0,8U CC − U CEQ I CQ
= 800 Ω
Vrijednosti otpora RE računamo iz poznatog pada napona na njemu usvajajući da je IEQ≈ICQ. pa je: URE=IEQRE pa je: RE =
III.
0,2U CC = 400Ω I CQ
Vrijednosti otpora RB1 računamo usvajajući da je struja I (slika 1.3) približno 10 puta veća od struje baze IBQ (I≈10IBQ) Zatvaranjem konture KII, u ulaznom kolu preko RB1, a onda preko UBEQ i URE:
-UCC+IRB1+UBEQ+URE=0 iz čega slijedi: RB 1 =
IV.
0,8U CC − U BEQ 10 ⋅ I BQ
= 48666Ω = 48,66kΩ
Vrijednosti otpora RB2 računamo opet usvajajući I≈10IBQ.
Zatvaranjem konture KIII, u ulaznom kolu preko RB2, pa ponovo UBEQ i URE: IRB2-UBEQ-URE=0 iz čega slijedi: RB 2 =
0,2U CC + U BEQ 10 ⋅ I BQ
= 18000Ω = 18kΩ 8
Nacrtajmo sada ponovo pojačavač samo sada sa vrijednostima svih elemenata. Vrijednosti za kondenzatore CS1=CS2= 47 nF i CE = 470 μF također smo usvojili kao na slici 1.5. Ucc 10 V Rb1 48.7kΩ
Rc 800Ω
T1
Cs1 47nF
Cs2 47nF
BC107BP Rb2 18kΩ
Re 400Ω
C1 470µF
Slika 1.5. Proračunati pojačavač sa slike 1.2
1.2.
DINAMIČKI REŽIM RADA POJAČAVAČA
Da bismo pokazali da je rezultat proračuna ispravan treba ispitati da li je ulazni signal prolaskom kroz pojačavač pojačan i koliko. Za tu simulaciju na ulaz pojačavača priključimo signal generator (Function Generator) a na izlaz osciloskop, kao na slici 1.6.
9
XSC1 Ext Trig + _ B
A +
_
+
_
Ucc 10 V Rb1 48.7kΩ
XFG1
Rc 800Ω
T1
Cs1 47nF
Cs2 47nF
BC107BP Rb2 18kΩ
Re 400Ω
C1 470µF
Slika 1.6. Pobuđivanja i mjerenje pojačanja kod pojačavača u spoju ZE
Na signal generatoru podesima vrijednosti amplitude 10 mV i frekvencije 1 kHz, kao pretpostavljene tipične vrijednosti iz audio opsega. Na osciloskopu podesimo prikaz vremenske ose i amplituda tako da su nam uvijek prikazane jedna do dvije prostoperiodične promjene (sinusoide), kao na slici 1.7.
Slika 1.7. Izgled signala ulaza i izlaza na osciloskopu
10
Korištenjem opcije u Multisimu Viev/Grapher i dodatnim podešavanjem dobivamo prikaz osciloskopa kao na slici 1.8.
Slika 1.8. Izgled signala ulaza i izlaza u Grapher prikazu
Moguće je i izračunati koliki je koeficijent pojačanja pojačavača u spoju zajednički emitor izraženo u dB. Očitavamo vrijednosti signala na osciloskopu korištenjem „linijara“ za očitavanje (slika 1.7). Gdje god da postavimo linijar (osim gdje signali sijeku osu vremena) on će nam pokazivati odnose amplituda ulaza i izlaza. Izabran je odnos amplituda kao na slici 1.7 pri kojem je: Uul=7,282 mV i Uizl=154,340 mV Koristimo poznate obrasce i izračunamo:
AU =
U izl 154,30mV = ≈ 21,2 U ul 7,28mV
U au = 20⋅ log( izl ) = 20⋅ log(21,2) = 20⋅ 1,326= 26,52dB U ul
11
2.
LABORATORIJSKA VJEŽBA 2.1. STATIČKA ANALIZA POJAČAVAČA
Treba proračunati elemente pojačavača u spoju zajednički emitor sa slike 1.2, realiziranog sa NPN bipolarnim tranzistorom prema vlastitom izboru iz biblioteke Multisim-a. Treba poštovati uslov da je koeficijent pojačanja struje izabranog tranzistora β≥200 (hFE). Prikazati proračun na način prikazan u teorijskom dijelu (poglavlje 1.2), sa svim proračunima, slikama i rezultatima. 1. Za izabrani tranzistor snimiti i prikazati sve elektronske šeme i rezultate snimanja izlazne statičke karakteristike izabranog tranzistora: a) Karakteristiku snimiti uz pomoć IU Analizatora (IV-Analysis) uz simulacione parametre (Simulate param.) date na predavanjima. b) Prikazati izlaznu statičku karakteristiku u Grapher-u.
2. Izabrati položaj radne tačke Q u sredini linearne oblasti karakteristike i za napon napajanja usvojiti UCC=12 V, a napon UCEQ=5 V. Pročitati vrijednosti struja.
3. Izvršiti kompletan proračun prema uputstvima I-IV u poglavlju 1.2 uzimajući da je napon na otporniku RE približno URE≈2 V.
2.2. DINAMIČKA ANALIZA POJAČAVAČA U ovom dijelu vježbe također prikazati sve proračuna, slike i rezultate tokom izrade. 1. Pobuditi proračunati pojačavač prema slici 1.6 (poglavlje 1.3). 2. Prikazati pokazivanje osciloskopa i izmjeriti amplitude ulaznog i izlaznog signala. 3. Prikazati ulazni i izlazni signal u Grapher-u. 4. Izračunati pojačanje pojačavača u dB.
12
2. IZRADA LABORATORIJSKE VJEŽBE 2.1. Statička analiza pojačavača Na slici 2. prikazana je komplentna šema pojačavača u spoju sa zajedničkim emitorom.
Slika 2. Elektronska šema pojačavača u spoju za zajedničkim emitorom u Multisim-u
Izvršićemo njegovu statičku analizu pa su zbog toga na slici 2.0. prikazani samo elementi pojačavača odgovorni za njegov istosmjerni rad. Upravo vrijednosti tih elemenata (otpornika RC, RE, RB1 i RB2) treba izračunati i to tako da oni radnu tačku tranzistor „drže“ u sredini linearne oblasti statičkih karakteristika. Na slici 2.0 prikazano je zatvaranje kontura po granama kola pojačavača.
13
Slika 2.0. Pojačavača u spoju za zajedničkim emitorom sa komponentama odgovornim za statički radni režim
Na slici 2.0 su nacrtane i komponente istosmjernih struja i napona koje se pojave kada se uključi baterija (napajanje) UCC. Za izabrani NF tranzistor za male snage BC848 poznata je izlazna statička karakteristika, slika 3.1. Za pouzdan rad pojačavača izabran je položaj radne tačke približno u sredini linearnog područja karakterisitke, zatim su pročitane vrijednosti pripadajućih struja i napon, slika 2.2. Na slici 3.1 prikazana je snimljena statička karakteristika korištenog tranzisora.
UCEQ I
UBEQ
URe
IEQ
Na slici 2.2 prikazano je očitanje vrijednosti struja i napona.
14
Sa karakteristike usvajamo vrijednosti struja i napona u radnoj tački: IC≈15 mA, IB=50 μA i UCE≈5 V, a svakako je poznata vrijednost za UBE=0,7V. Struju IE računamo kao: IE=IC+IB≈IC(logično, jer je IB rada μA tj. zanemariva) Pad napona na otporniku RE je dat u postavci zadatka i iznosi 2V, a usvajamo vrijednost struje koja teče iz napajanja kroz otpore RB1 i RB2 tako da je ona 10 do 20 puta veća od struje IB, tj: I≈10IB. Napon napajanja je također poznat i za ovaj slučaj iznosi UCC=12V. Zatvaranjem konture KI u izlaznom kolu (slika 2.0): -UCC+ICRC+UCE+URE=0 iz čega slijedi: R C =
Ucc − Uce − Ure = 333 ≈ 330Ω IC
1. Vrijednosti otpora RE računamo iz poznatog pada napona na njemu usvajajući da je IEQ≈ICQ. pa je:
URE=IERE pa je: RE =
Ure = 200Ω Ie
2. Vrijednosti otpora RB1 računamo usvajajući da je struja I (slika 2.0) približno 20 puta veća od struje baze IB (I≈10IB) Zatvaranjem konture KII, u ulaznom kolu preko RB1, a onda preko UBE i URE: -UCC+IRB1+UBE+URE=0 iz čega slijedi: RB1 =
Ucc − Cbe − Ure 10 ⋅ I B
= 18600Ω = 18.6kΩ
3. Vrijednosti otpora RB2 računamo opet usvajajući I≈10IB. 15
Zatvaranjem konture KIII, u ulaznom kolu preko RB2, pa ponovo UBE i URE: IRB2-UBE-URE=0 iz čega slijedi: RB2 =
Ure + Ube = 5400Ω = 5.4kΩ 10 ⋅ I B
Nacrtajmo sada ponovo pojačavač samo sada sa vrijednostima svih elemenata. Vrijednosti za kondenzatore CS1=CS2= 47µF i CE = 470 μF također smo usvojili kao na slici 3.
4.1.
DINAMIČKI REŽIM RADA POJAČAVAČA
Da bismo pokazali da je rezultat proračuna ispravan treba ispitati da li je ulazni signal prolaskom kroz pojačavač pojačan i koliko. Za tu simulaciju na ulaz pojačavača priključimo signal generator (Function Generator) a na izlaz osciloskop, kao na slici 4.1. XSC1 Ext Trig + _ B
A +
XFG1
6
Ucc
1 R1 18.7kΩ
Rc 330Ω 2 Q1
_
12 V C2
5
47uF 0
3
47uF
+
0
0 C1
_
BC848 4 Re 200Ω
R2 5.36kΩ
C3 470uF
0
Slika 4.1. Pobuđivanja i mjerenje pojačanja kod pojačavača u spoju zajedničkog emitora
Na signal generatoru podesima vrijednosti amplitude 10 mV i frekvencije 1 kHz, kao pretpostavljene tipične vrijednosti iz audio opsega. Na osciloskopu podesimo
16
prikaz vremenske ose i amplituda tako da su nam uvijek prikazane jedna do dvije prostoperiodične promjene (sinusoide), kao na slici 4.2.
Slika 4.2. Izgled signala ulaza i izlaza na osciloskopu
Korištenjem opcije u Multisimu Viev/Grapher i dodatnim podešavanjem dobivamo prikaz osciloskopa kao na slici 4.3.
Moguće je i izračunati koliki je koeficijent pojačanja pojačavača u spoju zajednički emitor izraženo u dB. Očitavamo vrijednosti signala na osciloskopu korištenjem „linijara“ za očitavanje (slika 4.3.). Gdje god da postavimo linijar (osim gdje signali sijeku osu vremena) on će nam pokazivati odnose amplituda ulaza i izlaza. Izabran je odnos amplituda kao na slici 4.3. pri kojem je: Uul=8.024mV i Uizl=83.150 mV Koristimo poznate obrasce i izračunamo: 17
AU =
Uizl 83.150mV = ≈ 10,4 Uul 8.024mV
U au = 20⋅ log( izl ) = 20⋅ log(10.4) = 20⋅ 1,017= 20,34dB Uul
5. LITERATURA 1. Stojan Ristić, Elektronske komponenete, Predavanja, Elektronski fakultet Niš, Niš 2010. 2. Jasmina Kotur, Stanko Paunović, Analogni elektronički sklopovi, Zagreb 2009. 3. Nediljka Furčić, Elektronički sklopovi, Neodidacta doo Zagreb, Zagreb 2008. 4. T. Brodić, Analogna integrisana elektronika, Svjetlost, Sarajevo 1989. 5. Vojin Cvekić, Elektronika I, Poluprovodnička elektronika, Naučna knjiga Beograd, Beograd 1986. 6. Jasmina Omerdić, Sejfudin Agić, Elektronika za III razred - skripta, JU Mješovita srednja elektrotehnička škola Tuzla, Tuzla, 2010. 7. Sejfudin Agić, Elektronika za I, i II razred - skripte, JU Mješovita srednja elektrotehnička škola Tuzla, Tuzla, 2011. 8. www.elektronika.ba 9. http://pavo.fizika.org/fizika/Jednostupanjsko_RC_pojacalo_sa_bipolarn im_tranzistorom.pdf
18
