Elektrické měření

Elaboráty

Měření na nf předzesilovači

Zadání

1)      Na nf předzesilovači změřte ziskovou, útlumovou a fázovou charakteristiku.

2)      Měření proveďte

a)      bez zpětných vazeb

b)      se zápornou proudovou zpětnou vazbou sériová

c)      se zápornou napěťovou zpětnou vazbou paralelní

3)      Naměřené hodnoty ověřte výpočtem pro f=1KHz

4)      Vypočtěte vstupní a výstupní impedanci pro obě uvedené vazby na f=1KHz

Teoretický úvod

Předzesilovače používáme k dvěma základním účelům:

1) sejmutí signálu z čidel (antén, termočlánků, krystalových výbrusů ap.)

2) zesílení vstupních signálů na úroveň, schopnou dalšímu zpracování (úprava kmitočtového pásma, korekce amplitud. charakteristik)

U předzesilovačů musíme hlavně dbát na provedení prvních stupňů, protože ty nám nejvíce ovlivňují šumové vlastnosti zesilovače. Pro velké vstupní odpory (např. pro kondenzátorové mikrofony) se volí na vstupu tranzistory řízené elektrickým polem (např. KF 521), pro běžné vstupní odpory 1 - 10kW křemíkové nebo germaniové tranzistory s malým šumem, např. KC 509, BC 179 a j. a nastavujeme pracovní bod do optimální oblasti podle údajů výrobce. Pro malé vstupní odpory, např. pro antény, termočlánky a p. používáme na vstupu zapojení se společnou bází.

Schéma

odvození základních vztahů z linearizovaných rovnic - pro Rig  0 ....Ug = u1.

Vlastnosti zesilovače bez vazeb

      Dhe = h11e.h22e - h12e.h21e

                  Rb = Rb1// Rb2

Celkový zatěžovací odpor Rz tvoří několik částí:

- pro běžné osciloskopy a EV:             Riosc = Ri_EV = 1MW

                                                            Ciosc = Ci_EV = 20-30pF

!!! EV pro sdělovací účely mohou mít Ri_EV = 150W, 600W, 20kW !!!

Vlastnosti zesilovače se zápornou sériovou zpětnou vazbou proudovou

 - vzniká proudem protékajícím neblokovaným emitorovým odporem

Obecný vztah pro zesílení

zesilovače se zpětnou vazbou

          Rb1, Rb2, Re ...viz skutečné schéma

Vlastnosti zesilovače se zápornou paralelní zpětnou vazbou napěťovou

Rzp ...... vyplývá ze skutečného schematu

Jiný způsob řešení obvodů se zpětnou vazbou je možný pomocí změn „h“ parametrů

Zesilovač se sériovou zpětnou vazbou proudovou: Re = 100W

Zesilovač s paralelní zpětnou vazbou napěťovou:   Rzp = 7,2kW

K celkovému řešení vstupní a výstupní impedance se použije stejných vztahů jako pro obvod bez vazby, pouze zaměníme h parametry za h(ZVP) nebo h(ZVN).

Změna impedancí vlivem zpětné vazby

- zavedením ZV se kromě jiných vlastností mění také vstupní a  výstupní impedance, jejíž určení můžeme provést následovně:

Výstupní impedance při napěťové ZV:      

                                   Z2...výstupní impedance bez vazby

                                   Z2(ZVN)...výstupní impedance s vazbou

při záporné ZVN výstupní impedance klesá

Výstupní impedance při proudové ZV:        Z2(ZVP) = Z2.(1 - bA)

při záporné ZVP se výstupní impedance zvyšuje

Vstupní impedance při sériové ZV:             Z1(SZV) = Z1.(1 - bA)

                                   Z1...vstupní impedance bez vazby

                                   Z1(SZV)...vstupní impedance s vazbou

při záporné SZV se vstupní impedance zvyšuje

Vstupní impedance při paralelní ZV:          

při záporné PZV vstupní impedance klesá

Schéma zapojení

Pro tranzistor 102NU71: Po ...Uce=3,5V, Ic=1,85V

změřené parametry:      h11e = 1650W

                                   h12e = 9,5.10^-6

                                   h21e = 116

                                   h22e = 79mS

Pro tranzistor KF 504 jsou udány parametry vždy na použitém přípravku.

Postup měření

Na generátoru udržujte konstantní napětí o takové velikosti, aby v celém měřeném frekvenčním pásmu nedocházelo ke zkreslení výstupního signálu. Za tlumícím odporem Rg pak naměříte skutečné napětí na vstupu zesilovače. Amplitudovou charakteristiku měřte metodou bod po bodu. Protože se jedná o nízkofrekvenční předzesilovač, měňte kmitočet generátoru v akustickém pásmu, tj. od 20Hz do 20kHz. Při každé změně kmitočtu změřte velikost napětí U2 na výstupu. V nelineárních částech charakteristiky (na začátku a na konci měřeného pásma) volte více měřících bodů. Jednotlivá měření provádějte přesně podle zadání - nejprve bez vazeb (max.zesílení, min.šíře pásma), poté s některou z požadovaných vazeb. Současně s měřením velikosti napětí U2 odečítejte na stínítku osciloskopu z elipsy nebo kružnice hodnoty a, b pro určení fázového posuvu - !!! při určitém fázovém posuvu přechází elipsa přes přímku opět v elip­su  a mění se smysl fázového posuvu !!!

Naměřené a vypočítané hodnoty

Výpočty :

změřené parametry:      h11e = 2000W

                                   h12e = 6,5.10^-4

                                   h21e = 66

                                   h22e = 9mS

1)

Rb = (Rb1*Rb2)/(Rb1+Rb2) = (10000*16000)/(10000+16000) = 6154 W

Rz = (Rc*Rz’)/(Rc+Rz’) = (3900*16000)/(3900+16000) = 3135 W

Dhe = h11e.h22e – h12e.h21e = 2000 * 6,5.10^{-4 –} 66 *  9.10^-6 = 1,299 = 1,3

r1 = 5909 W

Zvst = (r1*Rb)/(r1+Rb) = (6154*5909)/(6154+5909) = 3014 W

r2 = 5204 W

Zvýst = (r2*Rc)/(r2+Rc) = (5204*3900)/( 5204+3900) = 2229 W

2)

k_I = -(Au*Re)/(Rc//Re) = -(22*4000)/(1978) = -44,6

Zvst = Rb1//Rb2//r1*(1+k_I) = 6297 W

Zvýst = Re//r2*(1+k_I) = 4069 W

3)

Rzvp = 7,2kW

k_U = = 0,91 * 50 = 45,5

Zvst = Rg+(r1// //Rb1) = 5000+136=5136 W

Zvýst = (r2// Rc)/(1+k_U) = 2229/46,5 = 48 W
1) Pro f = 1 KHz

A = U₂ / U₁* = 0,98 / 0,01 = 98

A [dB] = 20 log Au = 20 log 98 = 39,82

Aur [dB] = 20 log (U₂ / U_{2 1KHz} ) = 20 log (0,98 / 0,98) = 0

j [°] = arcsin (a/b) = arcsin (1,95 / 2) = 77,16°

2) Pro f = 1 KHz

A = U₂ / U₁* = 0,22 / 0,01 = 22

A [dB] = 20 log Au = 20 log 22 = 26.85

Aur [dB] = 20 log (U₂ / U_{2 1KHz} ) = 20 log (0,22 / 0,22) = 0

j [°] = arcsin (a/b) = arcsin (13 / 35) = 21,8°

3) Pro f = 1 KHz

A = U₂ / U₁* = 0,5 / 0,01 = 60

A [dB] = 20 log Au = 20 log 60 = 35.56

Aur [dB] = 20 log (U₂ / U_{2 1KHz} ) = 20 log ( 0,5 / 0,5 ) = 0

j [°] = arcsin (a/b) = arcsin (4 / 120 ) = 1,91°

Závěr

Při frekvenci 1 kHz byl v obvodu bez zpětné vazby je fázový posun 77,16°. Při použití zpětné proudové vazby činil fázový posun 21,8° a se zpětnou napěťovou vazbou byl 1,91°. Největší zisk má samozřejmě zapojení bez vazby – 39,82dB, dále pak zapojení s paralelní napěťovou vazbou – 35,56dB, nejhorší je to u zapojení se sériovou zpětnou vazbou – 26,8dB.