Laboratórium 2 - 5. Mérés ellenőrző kérdései

A VIK Wikiből
A lap korábbi változatát látod, amilyen Szabó Norbert (vitalap | szerkesztései) 2015. április 13., 09:28-kor történt szerkesztése után volt. (→‎2. Hogyan számítható a bemeneti és a kimeneti időállandó a földelt emitteres alapkapcsolásoknál?)
(eltér) ← Régebbi változat | Aktuális változat (eltér) | Újabb változat→ (eltér)
Ugrás a navigációhoz Ugrás a kereséshez
← Vissza az előző oldalra – Laboratórium 2
← Vissza az előző oldalra – Laboratórium 2 - 5. Mérés: Tranzisztoros erősítő alapkapcsolások vizsgálata


1. Definiálja az aszimmetrikus erősítőkre az üzemi paramétereket!

Feladat:

Definiálja az aszimmetrikus erősítőkre az illesztési jellemzőket (bemeneti és kimeneti impedanciákat) az átviteli jellemzőket (feszültség- és áramerősítést, transzfer impedanciát és admittanciát)!


Megoldás:

Az erősítők olyan elektronikus áramkörök, amik a fogyasztó felé nagyobb teljesítményt képesek leadni, mint amekkorát a meghajtó hálózatból felvesznek.
Aszimmetrikus (hárompólusú) erősítőről akkor beszélünk, ha a meghajtó hálózatot helyettesítő generátor és a terhelés is egyik kapcsán földelt kétpólus.

Az üzemi paraméterek fontos tulajdonsága, hogy értékük (különösen visszacsatolt erősítők esetén) függ az erősítő bemeneti és kimeneti lezárásától, ezért meg kell adni, hogy az adott üzemi paraméterek milyen lezárásokhoz tartoznak.

Üzemi paraméterek
Megnevezése Jele Definíciója Dimenziója
Bemeneti impedancia [math]Z_{be}[/math] [math]{u_{be} \over i_{be}}[/math] [math]\Omega[/math]
Kimeneti impedancia [math]Z_{ki}[/math] [math]-{u_{kiü} \over i_{kir}}[/math] [math]\Omega[/math]
Feszültségerősítés [math]A_u[/math] [math]{u_{ki} \over u_{be}}[/math] [math]-[/math]
Áramerősítés [math]A_i[/math] [math]{i_{ki} \over i_{be}}[/math] [math]-[/math]
Transzfer impedancia [math]Z_A[/math] [math]{u_{ki} \over i_{be}}[/math] [math]\Omega[/math]
Transzfer admittancia [math]Y_A[/math] [math]{i_{ki} \over u_{be}}[/math] [math]S[/math]

2. Hogyan számítható a bemeneti és a kimeneti időállandó a földelt emitteres alapkapcsolásoknál?

Labor2 mérés5 ábra1.png

A bemeneti RC tag egy soros rezgőkör, ebből a bemeneti időállandó:

[math]\tau_{be}=\left( R_1 \times R_2 \right) \times \left[ (1+ \beta ) \cdot \left( r_d + R_E \right) \right] \cdot C_{be}[/math]


A kimeneti időállandó:

[math]\tau_{ki} = \left( R_C \times R_t \right) \cdot C_{ki}[/math]


(Szerintem inkább (RC+Rt) van az utolsó képletben - SZN)

3. Hogyan definiáljuk a felfutási és a lefutási időket?

Labor2 mérés5 ábra2.JPG

Felfutási idő: Az az idő, amíg jelváltáskor a jel az amplitúdójának 10%-ról a 90%-ra nő.

Lefutási idő: Az az idő, amíg jelváltáskor a jel az amplitúdójának 90%-ról a 10%-ra csökken.

4. Mi a tetőesés és mi okozza?

Labor2 mérés5 ábra3.JPG

Tetőesés: A tetőesés impulzusok esetén az impulzus amplitúdójának kismértékű csökkenése az idővel. Általában százalékos értékben adják meg.

A tetőestést az erősítés útjába sorosan eső kondenzátorok okozzák. Mivel a négyszögjel magas értéke alatt konstans a jel, tehát 0 Hz frekvenciájú, ezért azt a kondi "ki akarja szűrni", azaz úgy viselkedik, mint egy felüláteresztő RC struktúra.

5. Milyen összefüggés van a felfutási idő és a felső határfrekvencia között?

A felfutási idő annál nagyobb, minél lassabban változik jel. Egy jel akkor tud gyorsan megváltozni (ugrani), ha nagyfrekvenciás komponensei is vannak. A felső határfrekvencia felett, azonban elnyomódnak a frekvenciakomponensek, tehát annál kisebb a felfutási idő, minél nagyobb a felső határfrekvencia.

Képletszerűleg:

[math]t_{RISE} \approx {1 \over 2\pi \cdot f_{max} }[/math]

6. Milyen összefüggés van az alsó határfrekvencia és a tetőesés között?

Ha csökkentjük az alsó határfrekvenciát, akkor növeljük a leglassabb időállandót, így "lassabban szűrődik ki az egyenszint", tehát csökkenteni lehet vele a tetőesést.

7. Hogyan határozható meg egy alapkapcsolás tranzisztorának munkapontja egy és két tápfeszültséges kapcsolásban?

Feladat: Hogyan határozható meg egy földelt emitteres / kollektoros / bázisú alapkapcsolás tranzisztorának munkapontja egy és két tápfeszültséges kapcsolásban?


Megoldás:

Földelt emitteres, egytelepes alapkapcsolás:

Labor2 mérés5 ábra5.jpg

Munkaponti analízisnél egyenáramokkal és egyenfeszültségekkel dolgozunk, ennélfogva a kondenzátorok szakadásnak, illetve a kisjelű feszültséggenerátor pedig rövidzárnak vehető.

Felírva a tranzisztor bázisára egy Thevenin helyettesítő képet, majd pedig egy huroktörvényt, valamint felhasználva a tranzisztor karakterisztikáját, adódik az alábbi egyenletrendszer:

[math]U_t \cdot {R_2 \over R_1 + R_2 } = (R_1 \times R_2) \cdot (1-A)\cdot i_{E} + u_{BE} + R_E \cdot i_{E}[/math]


[math]i_E=I_{E00} \cdot \left[ \exp \left( {u_{BE} \over U_T}\right) -1 \right][/math]


Ez azonban csak iterációval lenne megoldható, de jó közelítéssel [math]U_{BE0} \approx 0.6 \; V[/math] állandónak vehető.

Tehát az egyenletrendszer redukálható egy egyismeretlenes egyenletté:

[math]I_{E0} = {U_t \cdot {R_2 \over R_1 + R_2 } - U_{BE0} \over R_E +(R_1 \times R_2) \cdot (1-A)}[/math]


A kolletktor-emitter körre felírható hurokegyenlettel pedig számítható a tranzisztor [math]U_{CE0}[/math] munkaponti értéke:

[math]U_{CE0}=U_t - \left( R_E + A \cdot R_C \right) \cdot I_{E0}[/math]



Földelt emitteres, kéttelepes alapkapcsolás:

Labor2 mérés5 ábra6.jpg

Nagyjából ugyanaz, mint az egytelepes, csak nincs bázisosztó (R1 és R2) és kondenzátor a tranzisztor bázisán, valamint az emitterellenállás nem földre hanem negatív tápfeszre van kötve:


[math]U_{BE0} \approx 0.6 \; V[/math]


[math]I_{E0} = {U_t - U_{BE0} \over R_E + R_g \cdot (1-A)}[/math]


[math]U_{CE0}=2 \cdot U_t - \left( R_E + A \cdot R_C \right) \cdot I_{E0}[/math]



Földelt kollektoros, egytelepes alapkapcsolás:

Ugyanazzal a logikával, mint a földelt emitteres alapkapcsolásnál:

Labor2 mérés5 ábra7.jpg


[math]U_{BE0} \approx 0.6 \; V[/math]


[math]I_{E0} = {U_t \cdot {R_2 \over R_1 + R_2 } - U_{BE0} \over R_E +(R_1 \times R_2) \cdot (1-A)}[/math]


[math]U_{CE0}=U_t - R_E \cdot I_{E0}[/math]



Földelt kollektoros, kéttelepes alapkapcsolás:

Szerintem ez már menni fog ez alapján mindenkinek ;)



Földelt bázisú, egytelepes alapkapcsolás:

Labor2 mérés5 ábra8.jpg

Ugyanazzal a logikával, mint a földelt emitteres alapkapcsolásnál:


[math]U_{BE0} \approx 0.6 \; V[/math]


[math]I_{E0} = {U_t \cdot {R_2 \over R_1 + R_2 } - U_{BE0} \over R_E +(R_1 \times R_2) \cdot (1-A)}[/math]


[math]U_{CE0}=U_t - \left( R_E + A \cdot R_C \right) \cdot I_{E0}[/math]



Földelt bázisú, kéttelepes alapkapcsolás:

Szerintem ez már menni fog ez alapján mindenkinek ;)

8. Hogyan számíthatók ki a bipoláris tranzisztorok vezetés (g) és hibrid (h) paraméterei a tranzisztorok munkaponti adataiból?

Őszintén szólva fogalmam sincs hogy ez-e a jó válasz. Aki tudja az egzakt képleteket, amikkel kapásból meghatározható a munkaponti adatokból a vezetés és hibrib paraméterek, az NE tartsa magában. Évek óta homály lengi körül ezt a kérdést, valaki oldja már meg! :D

Labor2 mérés5 kép8.JPG


Hibrid (h) paraméterek:

[math]u_{1}=h_{11} \cdot i_1 + h_{12} \cdot u_{2}[/math]

[math]i_2 \;=h_{21} \cdot i_1 + h_{22} \cdot u_{2}[/math]

Labor2 mérés5 kép9.JPG

Fontos, hogy az [math]i_1,i_2,u_1,u_2[/math] változók mást jelentenek, attól függően, hogy a tranzisztor földelt bázisú vagy földelt emitteres kapcsolásban van-e. Ennek megfelelően beszélünk földelt bázisú és földelt emitteres h-paraméterekről. Ezeket a b és e indexszel különböztetik meg egymástól.

A hibrid paraméteres mérési úton könnyen meghatározhatóak:

[math]h_{11}={dU_1 \over dI_1}\mid_{U_2=const} \;\;\;\; \longleftarrow[/math] A bemeneti ellenállás rövidrezárt kimenet mellett.


[math]h_{12}={dU_1 \over dU_2}\mid_{I_1=const} \;\;\;\;\; \longleftarrow[/math] A feszültség visszahatás szakadt bemenet mellett.


[math]h_{21}={dI_2 \over dI_1}\mid_{U_2=const} \;\;\;\;\; \longleftarrow[/math] Az áramerősítés rövidrezárt kimenet mellett.


[math]h_{22}={dI_2 \over dU_2}\mid_{I_1=const} \;\;\;\;\; \longleftarrow[/math] A kimeneti vezetés szakadt bemenet mellett.


A félvezető katalógusok diagramok formájában közlik a h paraméterek munkapontfüggését. Az adatlap táblázatos formában szolgáltatja az egy munkapontra vonatkozó adatokat, valamint két diagram mutatja a h paramétereknek az [math]I_C[/math] és [math]U_{CE}[/math] munkaponti adatoktól való függését.


Vezetés (g) paraméterek:

[math]i_{1}=g_{11} \cdot u_1 + g_{12} \cdot u_{2}[/math]

[math]i_2 =g_{21} \cdot u_1 + g_{22} \cdot u_{2}[/math]

A hibrid karakterisztika négy paraméterének ismeretében karakterisztikaátváltó táblázatok segítségével, már könnyen meghatározhatóak a vezetési (admittancia) karakterisztika paraméterei.

9. Hogy számíthatók a tranzisztoros alapkapcsolások jellemzői a tranzisztorok g vagy h paramétereinek ismeretében?

Feladat: Hogyan számíthatók ki a bipoláris tranzisztoros alapkapcsolások feszültségerősítése, bemeneti ellenállása, kimeneti ellenállása a tranzisztorok g vagy h paramétereinek ismeretében?


Megoldás:

A gyakorlatban legtöbbször élhetünk ezzel az egyszerűsítéssel, így a kisjelű helyettesítő képekből már kapásból kihagyhatjuk őket:

[math]g_{12},h_{12} \approx 0[/math]


Földelt emitteres fokozat AC helyettesítőképe:

Labor2 méré5 kép11.JPG


[math]A_u={ u_{ki} \over u_{be} }= {-g_{21} \cdot u_B \cdot \left( R_C \times R_t \times \left( {1 \over g_{22}} \right) \right) \over u_B} \approx - g_{21} \cdot (R_C \times R_t) [/math]


[math]R_{be}={u_{be} \over i_{be}} = R_B \times \left( { 1 \over g_{11} }\right)[/math]


[math]R_{ki} = R_C \times \left( { 1 \over g_{22} }\right) \approx R_C[/math]



Földelt kollektoros fokozat:

Hasonló logikával elkészítve a földelt kollektoros fokozat AC helyettesítő képét, az alábbi eredményekre juthatunk:


[math]A_u={g_{21}\cdot(R_E \times R_t) \over 1 + g_{21}\cdot(R_E \times R_t)}[/math]


[math]R_{be}=R_B \times \left[ \left( {1 \over g_{11} } \right) \cdot \left( 1 + g_{21} \cdot ( R_E \times R_t) \right) \right][/math]


[math]R_{ki}=\left( {1 \over g_{21}}\right) \times R_E \approx {1 \over g_{21}}[/math]

10. Rajzolja fel a tranzisztorok nagyfrekvenciás hibrid p helyettesítőképét és határozza meg az egyes elemeinek értékét!

Feladat: Rajzolja fel a bipoláris tranzisztorok nagyfrekvenciás hibrid p helyettesítőképét és határozza meg a munkaponti adatok ismeretében a helyettesítőkép egyes elemeinek értékét!


Megoldás:

Labor2 méré5 kép10.JPG

Bázis-hozzávezetés ellenállás: [math]r_{bb}^{\prime}[/math]

Bázis-emitter dióda dinamikus ellenállása: [math]r_d={U_T \over I_E}[/math]

Tranzisztor meredeksége: [math]g_m={\alpha \over r_d}[/math]


Bázis-emitter közötti vezetés:[math]g_{be}^{\prime} = {q \over (1 +\beta ) r_d}[/math]


Bázis-kollektor közötti vezetés: [math]g_{bc}^{\prime}={\alpha \over (1+\beta) \mu r_d}[/math]


Kollektor-emitter közötti vezetés: [math]g_{ce}={\alpha \over \mu r_d}[/math]


[math]\mu[/math] egy adott tranzisztorra jellemző állandó.

11. Mit értünk fizikai paraméterek alatt?

Fizikai paraméterek alatt a bipoláris tranzisztor működését leíró és befolyásoló hatásokat szimbolizáló ellenállásokat,vezetéseket és kapacitásokat értjük.

12. Milyen hatással van az emitter ellenállás a nagyfrekvenciás időállandókra?

Mivel a emitter ellenállás a felső határfrekvencia képletének nevezőjében szorzótényezőként szerepel, így ha az emitter ellenállás nő, akkor nő a nevező is, azaz csökken a felső határfrekvencia. Mivel a nagyfrekvenciás időállandó a felső határfrekvencia reciprokával arányos, így a felső határfrekvencia csökkenésével, nő a nagyfrekvenciás időállandó.

13. Rajzolja fel a földelt emitteres alapkapcsolás kisfrekvenciás Bode-diagramját!

Labor2 méré5 kép12.JPG

14. Milyen hatással van az emitterkondenzátor a földelt emitteres erősítő Bode-diagramjára?

Labor2 méré5 kép13.JPG

Az emitterkondenzátor hatását az átvitelre a következőkkel lehet jellemezni:

  • A kapcsolás átvitele nulla frekvencián is véges.
  • Az emitterkondenzátor hatására az áramkör átvitelében egy [math]\omega_z[/math] törésponti frekvenciától kezdve az átvitel értéke nő, de csak az [math]\omega_p[/math] pólusfrekvencia felett éri el a nagyfrekvenciás értékét.
  • Az emitterkondenzátor a környezetében lévő ellenállások (az őt meghajtó generátor belső ellenállásának és a vele párhuzamos emitterellenállás) párhuzamos eredőjével egy [math]\omega_p[/math] alsó törésponti frekvenciát határoz meg, amely felett az átvitel lényegében frekvencia függetlenné válik.