Laboratórium 2 - 5. Mérés ellenőrző kérdései

← 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	$Z_{b e}$	$\frac{u_{b e}}{i_{b e}}$	$Ω$
Kimeneti impedancia	$Z_{k i}$	Értelmezés sikertelen (formai hiba): {\displaystyle -{u_{kiü} \over i_{kir}}}	$Ω$
Feszültségerősítés	$A_{u}$	$\frac{u_{k i}}{u_{b e}}$	$-$
Áramerősítés	$A_{i}$	$\frac{i_{k i}}{i_{b e}}$	$-$
Transzfer impedancia	$Z_{A}$	$\frac{u_{k i}}{i_{b e}}$	$Ω$
Transzfer admittancia	$Y_{A}$	$\frac{i_{k i}}{u_{b e}}$	$S$

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

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

$τ_{b e} = (R_{1} \times R_{2}) \times [(1 + β) \cdot (r_{d} + R_{E})] \cdot C_{b e}$

A kimeneti időállandó:

$τ_{k i} = (R_{C} \times R_{t}) \cdot C_{k i}$

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

3. Hogyan definiáljuk a felfutási és a lefutási időket?

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?

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:

$t_{R I S E} \approx \frac{1}{2 π \cdot f_{m a x}}$

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:

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:

$U_{t} \cdot \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}} = (R_{1} \times R_{2}) \cdot (1 - A) \cdot i_{E} + u_{B E} + R_{E} \cdot i_{E}$

$i_{E} = I_{E 00} \cdot [\exp (\frac{u_{B E}}{U_{T}}) - 1]$

Ez azonban csak iterációval lenne megoldható, de jó közelítéssel $U_{B E 0} \approx 0.6 V$ állandónak vehető.

Tehát az egyenletrendszer redukálható egy egyismeretlenes egyenletté:

$I_{E 0} = \frac{U_{t} \cdot \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}} - U_{B E 0}}{R_{E} + (R_{1} \times R_{2}) \cdot (1 - A)}$

A kolletktor-emitter körre felírható hurokegyenlettel pedig számítható a tranzisztor $U_{C E 0}$ munkaponti értéke:

$U_{C E 0} = U_{t} - (R_{E} + A \cdot R_{C}) \cdot I_{E 0}$

Földelt emitteres, kéttelepes alapkapcsolás:

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:

$U_{B E 0} \approx 0.6 V$

$I_{E 0} = \frac{U_{t} - U_{B E 0}}{R_{E} + R_{g} \cdot (1 - A)}$

$U_{C E 0} = 2 \cdot U_{t} - (R_{E} + A \cdot R_{C}) \cdot I_{E 0}$

Földelt kollektoros, egytelepes alapkapcsolás:

Ugyanazzal a logikával, mint a földelt emitteres alapkapcsolásnál:

$U_{B E 0} \approx 0.6 V$

$I_{E 0} = \frac{U_{t} \cdot \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}} - U_{B E 0}}{R_{E} + (R_{1} \times R_{2}) \cdot (1 - A)}$

$U_{C E 0} = U_{t} - R_{E} \cdot I_{E 0}$

Földelt kollektoros, kéttelepes alapkapcsolás:

Szerintem ez már menni fog ez alapján mindenkinek ;)

Földelt bázisú, egytelepes alapkapcsolás:

Ugyanazzal a logikával, mint a földelt emitteres alapkapcsolásnál:

$U_{B E 0} \approx 0.6 V$

$I_{E 0} = \frac{U_{t} \cdot \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}} - U_{B E 0}}{R_{E} + (R_{1} \times R_{2}) \cdot (1 - A)}$

$U_{C E 0} = U_{t} - (R_{E} + A \cdot R_{C}) \cdot I_{E 0}$

Földelt bázisú, kéttelepes alapkapcsolás:

Szerintem ez már menni fog ez alapján mindenkinek ;)

-Nekem nem ment ezek alapján, szóval ezt lehetne bővíteni.

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

Szerintem itt az a kulcs, hogy adott a bemeneti (exponenciális Ib-Ube) karakterisztika és adott a kimeneti (Ic-Uce) karakterisztika. Ha tudjuk a munkapontot és belerajzoljuk a karakterisztikákba, akkor az ekörüli elmozdulások közelítőleg megadják a hibrid paramétereket. Pl.: h11 = dUbe/dIb = (Ube2-Ube1)/(Ib2-Ib1). Mivel itt a hibrid paraméterek kisjelű váltakozó áramú esetben értelmezettek ezért a munkapont körüli meredekségek és differenciák megadják a hibrid paramétereket. Az egyes hibrid paraméterek meghatározásához egy másik paraméter fixálása is szüksége. Például h11 nél dUce legyen 0, tehát Uce legyen állandó. Mivel amikor ránézünk egy bemeneti karakterisztikára akkor az egy olyan görbét ad, ahol Uce állandó, ezért simán a tranzisztor dokumnetációjában lévő karakterisztikából számíthatóak ezek.

(Bővebben a házi megoldására szánt ppt-ben van ez kifejtve, hogy melyik karakterisztikán milyen paraméterekhez milyen differenciák hányadosát kell venni.)

Hibrid (h) paraméterek:

$u_{1} = h_{11} \cdot i_{1} + h_{12} \cdot u_{2}$

$i_{2} = h_{21} \cdot i_{1} + h_{22} \cdot u_{2}$

Fontos, hogy az $i_{1}, i_{2}, u_{1}, u_{2}$ 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:

$h_{11} = \frac{d U_{1}}{d I_{1}} ∣_{U_{2} = c o n s t} ⟵$ A bemeneti ellenállás rövidrezárt kimenet mellett.

$h_{12} = \frac{d U_{1}}{d U_{2}} ∣_{I_{1} = c o n s t} ⟵$ A feszültség visszahatás szakadt bemenet mellett.

$h_{21} = \frac{d I_{2}}{d I_{1}} ∣_{U_{2} = c o n s t} ⟵$ Az áramerősítés rövidrezárt kimenet mellett.

$h_{22} = \frac{d I_{2}}{d U_{2}} ∣_{I_{1} = c o n s t} ⟵$ 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 $I_{C}$ és $U_{C E}$ munkaponti adatoktól való függését.

Vezetés (g) paraméterek:

$i_{1} = g_{11} \cdot u_{1} + g_{12} \cdot u_{2}$

$i_{2} = g_{21} \cdot u_{1} + g_{22} \cdot u_{2}$

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:

$g_{12}, h_{12} \approx 0$

Földelt emitteres fokozat AC helyettesítőképe:

$A_{u} = \frac{u_{k i}}{u_{b e}} = \frac{- g_{21} \cdot u_{B} \cdot (R_{C} \times R_{t} \times (\frac{1}{g_{22}}))}{u_{B}} \approx - g_{21} \cdot (R_{C} \times R_{t})$

$R_{b e} = \frac{u_{b e}}{i_{b e}} = R_{B} \times (\frac{1}{g_{11}})$

$R_{k i} = R_{C} \times (\frac{1}{g_{22}}) \approx R_{C}$

Földelt kollektoros fokozat:

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

$A_{u} = \frac{g_{21} \cdot (R_{E} \times R_{t})}{1 + g_{21} \cdot (R_{E} \times R_{t})}$

$R_{b e} = R_{B} \times [(\frac{1}{g_{11}}) \cdot (1 + g_{21} \cdot (R_{E} \times R_{t}))]$

$R_{k i} = (\frac{1}{g_{21}}) \times R_{E} \approx \frac{1}{g_{21}}$

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:

Bázis-hozzávezetés ellenállás: $r_{b b}^{'}$

Bázis-emitter dióda dinamikus ellenállása: $r_{d} = \frac{U_{T}}{I_{E}}$

Tranzisztor meredeksége: $g_{m} = \frac{α}{r_{d}}$

Bázis-emitter közötti vezetés: $g_{b e}^{'} = \frac{q}{(1 + β) r_{d}}$

Bázis-kollektor közötti vezetés: $g_{b c}^{'} = \frac{α}{(1 + β) μ r_{d}}$

Kollektor-emitter közötti vezetés: $g_{c e} = \frac{α}{μ r_{d}}$

$μ$ 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!

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

Az emitterkondenzátor hatását az átvitelre a következőkkel lehet jellemezni:

A kapcsolás átvitele nulla frekvencián is véges.
Az emitterkondenzátor hatására az áramkör átvitelében egy $ω_{z}$ törésponti frekvenciától kezdve az átvitel értéke nő, de csak az $ω_{p}$ 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 $ω_{p}$ alsó törésponti frekvenciát határoz meg, amely felett az átvitel lényegében frekvencia függetlenné válik.