Amplificatoare de semnal mic cu tranzistor bipolar in conexiunea emitor comun (EC)

Schema de baza a etajului de amplificare elementar cu tranzistor bipolar in conexiunea emitor comun este prezentata in Figura 1. Polarizarea tranzistorului bipolar in RAN (regiunea activa normala) se realizeaza de la sursa de alimentare V_CC, prin intermediul rezistentei R_B, care, impreuna cu rezistentele R_E si R_C stabileste PSF-ul tranzistorului. Astfel, PSF-ul tranzistorului este determinat de perechea de valori ale marimilor electrice (I_C,V_CE):

                                              (1)

Semnalul de la generatorul de semnal sinusoidal V_g, care are rezistenta interna R_g, se aplica la intrarea amplificatorului. Semnalul care este preluat de amplificator la intrare este V_i. Acest semnal este amplificat de catre amplificator si apoi este furnizat rezistentei de sarcina R_L.

Figura 1. Schema electrica a amplificatorului cu tranzistor bipolar in conexiunea emitor comun.

Este necesar ca valoarea PSF-ului tranzistorului sa fie stabilita numai de circuitul de polarizare, compus din elementele: V_CC, R_B, R_E, R_C. Aceste elemente sunt asfel alese incat tranzistorul bipolar sa functioneze in RAN. Numai in acest caz tranzistorul amplifica liniar semnalele, deci forma de unda obtinuta la iesirea tranzistorului (care in aceasta conexiune este reprezentata de colector) este aceeasi cu forma de unda aplicata la intrarea tranzistorului (care in aceasta conexiune este reprezentata de baza). Pentru mentinerea functionarii tranzistorului bipolar in RAN, “legatura amplificatorului cu exteriorul este asigurata prin intermediul a 2 condensatoare C_B si C_L care decupleaza in regim stationar (in curent continuu) generatorul de semnal V_g, respectiv rezistenta de sarcina R_L, de amplificator. Astfel, atat generatorul de semnal cat si rezistenta de sarcina nu vor modifica valoarea PSF-ului tranzistorului. In absenta condensatoarelor respective, la conectarea la amplificator a generatorului de semal si/sau a rezistentei de sarcina, PSF-ul tranzistorului s-ar modifica, existand posibilitatea ca functionarea tranzistorului sa nu mai fie plasata in RAN, caz in care semnalul de la iesirea amplificatorului ar rezulta distorsionat datorita intrarii tranzistorului in regiunea de blocare sau de saturatie.

Condensatorul C_E cupleaza in regim variabil (in curent alternativ) emitorul tranzistorului la masa circuitului, in scopul cresterii factorului de amplificare in tensiune al etajului. Valorile condensatoarelor se aleg de ordinul zecilor de mF - C_B si C_L, respectiv sute de mF - C_E.

Analiza in regim variabil de semnal mic a amplificatorului

Comportamentul amplificatorului in regim variabil de semnal mic poate fi apreciat prin intermediul unui set de parametrii, denumiti parametrii de semnal mic ai amplificatorului. Acesti parametri sunt:

rezistenta de intrare in regim variabil de semnal mic (pe scurt, rezistenta de intrare) R_i;

rezistenta de iesire in regim variabil de semnal mic (pe scurt, rezistenta de iesire) R₀;

coeficientul de amplificare in tensiune A_v.

Scopul acestui laborator este de a determina experimental, respectiv prin simulare, parametrii de semnal mic ai amplificatorului din Figura 1.

Expresiile de calcul pentru parametrii de semnal mic ai amplificatorului sunt:

Rezistenta de intrare in amplificator:

           (2)

unde r_p si g_m sunt parametrii de semnal mic ai tranzistorului.

Rezistenta de iesire din amplificator:

          (3)

Amplificarea in tensiune a amplificatorului (determinata in absenta generatorului de semnal si a rezistentei de sarcina):

         (4)

relatie din care se observa ca intre tensiunea de iesire si tensiunea de intrare a amplificatorului exista un defazaj de 180⁰ (semnul “-” furnizeaza informatii in acest sens), iar factorul de amplificare depinde direct proportional de rezistenta R_C si de curentul I_C (deoarece g_m=40 I_C). Daca tensiunea de intrare V_i depaseste o anumita valoare maxima V_imax, care depinde de valoarea (modulul) factorului de amplificare in tensiune A_v, tranzistorul bipolar va intra in regimul de blocare sau/si de saturatie, ceea ce va determina distorsionarea (modificarea) formei de unda a semnalului la iesirea amplificatorului, observandu-se un fenomen de limitare a acesteia (semnalul de iesire nu mai rezulta sinusoidal).

Cu ajutorul parametrilor de semnal mic ai amplificatorului determinati cu formulele 2-4, comportamentul amplificatorului poate fi modelat cu ajutorul circuitului echivalent de mai jos:

Figura 2. Circuitul echivalent care modeleaza comportamentul amplificatorului

Astfel, circuitul din Figura 1 devine:

Figura 3. Circuitul echivalent al amplificatorului cu generator de semnal si rezistenta de sarcina

Pe baza acestui circuit se determina amplificarea in tensiune a circuitului A_vg, a carei formula de calcul este:

                                  (5)

Din raportul de mai sus se constata ca: amplificarea circuitului este mai mica decat cea pe care o furnizeaza amplificatorul atunci cand acesta functioneaza in gol – atunci cand acesta nu este conectat la rezistenta de sarcina si la generatorul de semnal.

Pentru ca amplificarea circuitului sa fie egala cu cea a amplificatorului in gol trebuie ca acesta sa fie proiectat astfel incat:

  (6.a)

  (6.b)

Circuitul de amplificare de mai sus nu poate satisface conditia (6.a). Acest dezavantaj poate fi evitat prin eliminarea condensatorului de cuplare C_E din emitorul tranzistorului. In absenta acestuia, parametrii de semnal mic ai amplificatorului devin:

Rezistenta de intrare

  (7)

Rezistenta de iesire:

          (8)

Amplificarea in tensiune a amplificatorului in gol

              (9)

In acest caz, deoarece rezistenta de intrare in amplificator este foarte mare, conditia (6.a) este satisfacuta, iar amplificarea in tensiune a circuitului A_vg este:

              (10)

Un alt avantaj al variantei de amplificator fara condensator in emitor consta in cresterea frecventei superioare a acestuia.

Evaluarea experimentala a amplificatoarelor de semnal mic cu tranzistoare bipolare in conexiunea emitor comun

Obs: pentru masurarea marimilor electrice si determinarea parametrilor amplificatorului este necesara insusirea cunostintelor prezentate in materialele:

Anexa A: contine informatii despre utilizarea osciloscopului HAMEG 303.

Anexa B: contine informatii despre utilizarea generatorului de semnal HAMEG 8032.

Laborator 01: contine informatii despre utilizarea generatorului de semnal HAMEG 8032.

Inaintea inceperii lucrarii este obligatoriu sa cititi aceste materiale!

Evaluarea experimentala a parametrilor de semnal mic ai etajului de amplificare cu tranzistor bipolar in conexiunea EC se va realiza pe circuitul din Figura 1. Placa pe care este realizat montajul este prezentata in Figura 4. Componentele circuitului sunt specificate in tabelul de mai jos:

+ cablu alimentare

- cablu alimentare

cablul de la generatorul de semnal

Figura 4. Montajul din laborator.

Figura 5. Determinarea PSF-ului tranzistorului bipolar.

Urmatoarele puncte se vor efectua in doua cazuri:

a.  cu condenstator C_E in circuit: se vor parcurge punctele succesiv toate punctele.

b. fara condensator C_E in circuit: se vor parcurge punctele succesiv toate punctele.

Document online: Condensul - ce putem face pentru a micsora riscul aparitiei condensului? Proiect: Echipamente si instalatii de stingere a incendiului - prescriptii generale

Se alimenteaza circuitul la tensiunea de 10V (9V). Atentie: cand se scoate C_E din circuit, tensiunea de alimentare va fi decuplata. Dupa ce acest condesator este scos din circuit, tensiunea de alimentare va fi cuplata din nou in circuit.

Se masoara cu voltmetrul pozitionat pe gama de 20DCV tensiunea V_CE. Testerul “+” al voltmetrului trebuie aplicat pe colector, iar testerul “-” pe emitor (vezi Figura 5.a). Apoi se masoara cu voltmetrul pozitionat pe gama de 20DCV tensiunea V_RC (tensiunea pe R_C), dupa care se determina curentul I_C din raportul I_C=V_RC/R_C. Testerul “+” al voltmetrului trebuie aplicat pe terminalul rezistentei conectat la “+” sursa de alimentare, iar testerul “-” pe terminalul rezistentei conectat la colectorul tranzistorului (vezi Figura 5.b).

Figura 6. Reglajul in gol a amplitudinii generatrului de semnal.

Figura 7. Furnizarea semnalului sinusoidal pe placa din laborator.

Se regleaza in gol amplitudinea tensiunii furnizate de generatorul de semnal V_g la o valoare de 250mV, iar frecventa generatorului se regleaza la valoarea de 1kHz. Reglajul in gol al tensiunii furnizate de generator se realizeaza in conditiile in care cablul de la generatorul de semnal NU este conectat in circuit (vezi Figura 6). Pentru obtinerea amplitudinii de 250mV este necesara introducerea unei atenuari de 20dB de la generator (se apasa comutatorul -20dB de la generator). Apoi se aplica semnalul furnizat de catre generator circuitului de amplificare. Firul de semnal al cablului de la generator trebuie aplicat la condensatorul C_B (la +V_g pe placa), iar firul de masa al cablului de la generator la masa montajului (la -V_g pe placa, vezi Figura 7). Se masoara cu osciloscopul amplitudinea (vezi anexa A) tensiunii de iesire V₀ (sonda osciloscopului se conecteaza intre punctul de conexiune dintre C_L si R_L si masa, cu firul cald al sondei in punctul de conexiune si masa sondei la masa montajului - vezi Figura 8), apoi se masoara amplitudinea tensiunii de intrare V_i (sonda osciloscopului se conecteaza intre baza tranzistorului si masa, cu firul cald al sondei in punctul B al placii si masa sondei la masa montajului - vezi Figura 9). Se determina modulul amplificarii in tensiune A_v a circuitului si se compara cu valoarea teoretica (obtinuta pe baza circuitului din Figura 3)

  - cu CE (11.a)

  - fara CE (11.b)

unde R₀ este determinata cu formula (3). In cazul in care sunt masurate corect, V₀ este de ordinul sutelor de mV 1V, iar V_i este de ordinul zecilor de mV, daca C_E este conectat, respectiv Vi este de ordinul 100-200mV daca C_E nu este conectat in circuit.

Figura 8. Aplicarea sondei osciloscopului pentru determinarea amplitudinii V₀.

Figura 9. Aplicarea sondei osciloscopului pentru determinarea amplitudinii V_i.

Se calculeaza rezistenta de intrare in amplificator cu ajutorul formulei (adaptata dupa relatia 9, in care s-a tinut cont de prezenta rezistentei R):

                                                 (12)

Se compara cu valoarea rezistentei de intrare obtinute cu ajutorul formulei 12 cu valoarea teoretica, calculata cu relatia (2) pentru cazul in care condensatorul C_E este introdus in circuit, respectiv cu relatia (7) pentru cazul in care condensatorul C_E nu este introdus in circuit. In calculele teoretice parametrul b_F se va considera egal cu 100.

Se determina frecventa superioara f_S a amplificatorului. In acest scop, se aplica la intrarea circuitului o tensiune sinusoidala de amplitudine 250mV si frecventa 1kHz (deci initial, generatorul pastreaza reglajele de la punctul precedent). Apoi se masoara cu osciloscopul amplitudinea tensiunii de iesire V₀ (care este aceeasi cu valoarea de la punctul 3). Aceasta valoare reprezinta valoarea din banda a acestei marimi si se noteaza cu V_0B. Apoi, se creste frecventa semnalului sinusoidal de la generator (daca este cazul se comuta pe game superioare de frecventa), iar amplitudinea semnalului de la generator se mentine constanta (nu se modifica pozitia potentiomentrului AMPL. a generatorului!) pana cand se observa pe osciloscop ca amplitudinea tensiunii de iesire V₀ scade de la valoarea V_0B, la valoarea . Aceasta scadere este datorata in principal capacitatilor parazite ale tranzistorului bipolar. Cand se constata micsorarea tensiunii de iesire la valoarea , se masoara frecventa semnalului (se citeste de pe ecranul generatorului de semnal), valoarea respectiva reprezentand frecventa superioara f_S a amplificatorului. Daca frecventa de la generator se creste in continuare, atunci se va constata ca la iesire semnalul se micsoreaza pana la 0V. In cazul in care este masurata corect, f_S este de ordinul sutelor de kHz (<200kHz), daca C_E este conectat in circuit, respectiv de acelasi ordin, dar de valoare mai mare, in absenta lui C_E.

Se seteaza frecventa semnalului furnizat de generatorul de semnal la valoarea 1kHz, iar potentiometrul AMPL de la generator va fi pozitionat pe valoarea minima. Se determina tensiunea maxima de intrare V_imax pentru care tensiunea de iesire ramane nedistorsionata: in acest sens, se creste amplitudinea semnalului generat de generatorul de semnal si se urmareste cu osciloscopul forma de unda a tensiunii de iesire V₀, pana cand se observa pe osciloscop aparitia unor distorsiuni in forma de unda acestui semnal (se va observa un fenomen de limitare a amplitudinii semnalului V₀, care modifica forma de unda sinusoidala initiala a acestuia); in acest moment se masoara cu osciloscopul amplitudinea tensiunii de intrare V_i, valoarea respectiva fiind V_imax. Daca se ajunge cu potentiometrul AMPL. la valoarea maxima, iar fenomenul de limitare nu este observat, atunci de renunta la atenuarea de 20dB (se elibereaza comutatorul -20dB) si se introduce o atenuare mai mica, de 10dB (se apasa comutatorul -10dB al generatorului). In cazul in care este masurata corect, V_imax este de ordinul zecilor de mV daca C_E este conectat in circuit, respectiv de sute de mV, in absenta lui C_E.

Evaluarea cu ajutorul programul de simulare SPICE a amplificatorului de semnal mic cu tranzistor bipolar in conexiunea emitor comun

Se simuleaza in SPICE circuitul din Figura 10. Modelul tranzistoarelor este specificat in tabelul de mai jos, pentru fiecare masa.

Aceste modele sunt definite in libraria: c:pspicelib.lib

Figura 10. Amplificatorul simulat in Spice.

Cazul A: cu condensator C_E in circuit.

La intrarea circuitului se aplica un semnal sinusoidal de amplitudine V_g=250mV (200mV) si frecventa 1KHz (5kHz) (restul parametrilor din declaratia generatorului de semnal sinusoidal se vor considera nuli).

Sa se determine PSF-ul tranzistorului.

Atentie: I_C trebuie sa rezulte de ordinul mA, iar tensiunea V_CE trebuie sa fie pozitiva si mai mica decat V_CC. In caz contrar exista greseli in editarea circuitului. Acestea trebuie eliminate in acest stadiu, altfel rezultatele de la punctele urmatoare sunt eronate.

Se vor vizualiza 4 (5) perioade ale tensiunilor V₀ si V_i. Pe formele de unda obtinute se vor masura, cu ajutorul cursorului, amplitudinile celor 2 semnale (vezi lab. 02), apoi se va calcula modulul amplificarii in tensiune a circuitului (), precum si rezistenta de intrare in amplificator, pe baza relatiei (12). Se vor considera 100 (50) de puncte de analiza. In calculul amplitudinilor se vor tine cont de toate zecimalele cu care marimile sunt afisate in Spice (in special in cazul lui V_i).

La intrarea circuitului se va aplica un semnal sinusoidal de frecventa 1KHz (5kHz) si amplitudine V_g1=1V (2V) (restul parametrilor din declaratia generatorului de semnal sinusoidal se vor considera nuli). Se vor vizualiza 4 (5) perioade ale tensiunii de iesire V₀, observandu-se aparitia distorsiunilor. Se vor considera 100 (50) de puncte de analiza.

Se vizualizeaza caracteristica de frecventa a amplificatorului, adica variatia amplitudinii semnalului de iesire V₀ in functie de frecventa semnalului generat de generatorul V_g. Amplitudinea semnalului de la generator se va considera V_g=250mV (200mV), faza 0⁰, iar domeniul de frecventa a lui V_g va fi baleiat (variat) logaritmic (deci caracteristica se va vizualiza pe decade) pe domeniul 0.1Hz 100MHz (0.1Hz 1000MHz). Pentru analiza in cauza se vor impune 10 (5) puncte de analiza pe decada. Pe caracteristica obtinuta se va determina frecventa superioara f_S. Aceasta determinare se desfasoara astfel: se masoara cu ajutorul cursorului valoarea maxima a amplitudinii semnalului de iesire V₀, iar aceasta valoare va reprezenta valoarea din banda a tensiunii de iesire, care se noteaza V_0B. Apoi, se va deplasa cursorul pe caracteristica, spre directia frecventelor mari, pana cand amplitudinea lui V₀ scade la valoarea V_0B/ 1,41). Se va citi valoarea frecventei care corespunde punctului caracterizat de nivelul V₀=V_0B/ 2. Aceasta valoare este frecventa superioara a amplificatorului.

Cazul B: fara condensator C_E in circuit (C_E nu se mai introduce in fisierul text).

Se reiau toate punctele!

DATA:

Referat

Evaluare experimentala

MASA:

Se completeaza urmatorul tabel cu valorile determinate prin masuratori, respectiv prin utilizarea formulelor teoretice:

Nume prenume (grupa)

1.

2.

3.

DATA:

Referat - Evaluare Spice

MASA:

Se completeaza tabelul cu rezultatele obtinute in urma simularilor (curentii in mA, tensiunile in V, rezistentele in KW, iar frecventele in kHz):

Nume prenume (grupa)

1.

2.

3.

Anexa A. Utilizarea osciloscopului

Vizualizarea formelor de unda pe ecranul osciloscopului se realizeaza cu ajutorul sondelor de masura (vezi Figura I). Pe ecran se va vizualiza forma de unda a semnalului dintre punctul de masura si masa sondei. Pentru aceasta, firul cald al sondei se conecteaza in punctul de masura, iar masa sondei in punctul de referinta al semnalului vizualizat (in lucrarile de laborator efectuate acesta va fi masa circuitului).

Figura I. Modul in care se conecteaza in circuit sonda de masura a osciloscopului.

Figura II. Ecranul osciloscopului.

Ecranul osciloscopului este impartit in diviziuni, respectiv subdiviziuni. Intre acestea exista relatia:

Determinarea amplitudinii unui semnal cu osciloscopul: (vezi Figura II)

a.      se determina in cate diviziuni ale ecranului osciloscopului de incadreaza valoarea varf la varf a semnalului. Rezulta parametrul nr_diviziuni.

b.      se determina valoarea varf la varf a semnalului prin inmultirea parametrului nr_diviziuni obtiunt la punctul precedent cu valoarea selectata pe panoul frontal al osciloscopului de catre comutatorul Volt/div. Valoarea rezultata este exprimata in volti.

c.       se determina amplitudinea semnalului cu relatia:

Exemplul din Figura I: se presupune ca valoarea selectata pe panoul frontal al osciloscopului de catre comutatorul Volt/div = 0.5V.

a.      nr_diviziuni=3,6 (3 diviziuni 3 subdiviziuni)

b.      valoare varf_varf 0.5V=1.8V

c.       amplitudine = 1.8V/2=0.9V

Determinarea frecventei unui semnal cu osciloscopul: (vezi Figura II)

d.      se determina in cate diviziuni ale ecranului osciloscopului de incadreaza perioada semnalului. Rezulta parametrul nr_diviziuni.

e.      se determina perioada semnalului prin inmultirea parametrului nr_diviziuni cu valoarea selectata pe panoul frontal al osciloscopului de catre comutatorul Time/div. Valoarea rezultata este exprimata in functie de gama de masura selectata.

f.        se determina frecventa semnalului:

Exemplul din Figura I: se presupune ca valoarea selectata pe panoul frontal al osciloscopului de catre comutatorul Time/div ms.

d.      nr_diviziuni=3,2 (2 diviziuni 6 subdiviziuni=3 diviziuni+1subdiviziune

e.      perioada ms =1.6ms.

f.        frecventa = 1/1.6ms =0.625MHz.

Figura III. Panoul frontal al osciloscopului HAMEG 303-6.

(pentru osciloscopul HAMEG 404-2 se vor utiliza aceleasi functii cu deosebirea ca atat valoarea volti/diviziune cat si valoarea timp/diviziune sunt afisate pe ecranul osciloscopului, nu pe panoul aparatului).

Anexa B. Utilizarea generatorului de semnal

Principalii parametrii a semnalului generat de generatorul de semnal sunt:

1. Forma de unda

2. Amplitudine

3. Frecventa

Generatoarele de semnal HAMEG 8032 furnizeaza semnale sinusoidale (vezi laboratorul 01). Generatorul de semnal HAMEG 8030 permite setarea formei de unda dorite, furnizand un semnal triunghiular, dreptunghiular, respectiv sinusoidal, in functie de starea comutatorului FUNCTION (figura de mai jos).

Amplitudinea unui semnal se regleaza astfel (aceste informatii sunt furnizate si in laboratorul 01):

a.      se conecteaza sonda de masura a osciloscopului la cablul care furnizeaza semnalul de la generator. Masa sondei va fi conectata la masa cablului de semnal. Masa cablului se determina cu ohmetrul, masurand succesiv rezistenta dintre mufa aparatului la care este conectat cablul de semnal si care reprezinta masa semnalului si una din cele doua iesiri ale cablului. Masa cablului este reprezentata de iesirea care prezinta o rezistenta minima fata de mufa aparatului. Prin conectarea sondei de masura a osciloscopului la cablul de semnal, acesta va putea fi vizualizat pe ecranul osciloscopului.

b.      Amplitudinea semnalului se regleaza din potentiometrul AMPL. aflat pe panoul frontal al generatorului de semnal.

c.       Pentru reglarea amplitudinii la valoarea A, potentiometrul AMPL. se va regla pana cand valoare varf_varf a semnalului vizualizat pe osciloscop este egala cu:

valoare varf_varf A

Daca  potentiometrul AMPL. este pe valoarea minima iar amplitudinea semnalului depaseste valoarea dorita, se vor utiliza comutatoarele ATTENUATOR, care introduc diverse atenuari in amplitudinea semnalului: (-10dB, -20dB, -20dB). Utilizarea simultana a mai multor comutatoare determina ca atenuarea totala sa creasca la suma atenuarilor introduse de fiecare comutator separat.

Frecventa se regleaza din potentiometrul VARIABLE si comutatorul Frequency, care seteaza gama de frecventa a semnalului furnizat. Dupa setarea gamei de frecventa adecvate, frecventa se poate regla din VARIABLE la oricare valoare din interiorul gamei selectate (intre minimul si maximul acesteia). Valoarea frecventei selectate este afisata pe ecranul generatorului. Totodata este precizata si unitatea de masura a valorii selectate.

OBS.

Masa cablului care furnizeaza semnalul in circuit trebuie conectata la masa circuitului respectiv!!!!!