ELEC-C5070 Elektroniikkapaja. Laboratoriotyö 2 Käytännön radiotekniikkaa: epälineaarisen komponentin ilmiöitä

Transkriptio

1 ELEC-C5070 Elektroniikkapaja Laboratoriotyö 2 Käytännön radiotekniikkaa: epälineaarisen komponentin ilmiöitä Työohje Syksy 2015

2 Työn tarkoitus ja kulku Tässä työssä työssä tutustutaan epälineaarisen elektroniikkakomponentin muutamaan tärkeään ilmiöön käytännön mittausten avulla. Esimerkiksi sekoitusilmiö on olennainen mm. radiotekniikassa mutta tulee vastaan myös muussa elektroniikassa. Työn mittauskohteena on yksinkertainen kokeellinen piiri, jonka aktiivinen piirielementti on bipolaarinen transistori. Varatkaa työlle aika sähköpajalta ja tehkää esitehtävät ennen vuorolle saapumista. Kokeellisen osion jälkeen laatikaa raportti työstänne ja palauttakaa se MyCoursesjärjestelmän kautta. Sisältö: 1.1 Johdanto 1.2 Mittausten kohde 1.3 Mittauslaitteisto 1.4 Tehtävät 1.1 Johdanto Epälineaaristen elektroniikkakomponenttien avulla voidaan saada aikaan esimerkiksi sekoitusilmiö, johon perustuvia sekoittimia käytetään varsinkin radiotekniikassa muuttamaan signaalien taajuuksia. Epälineaarisuuden aiheuttamia ilmiöitä tulee vastaan myös laajemmin elektroniikassa. Epälineaarisuus aiheuttaa muitakin ilmiöitä kuin taajuuksien sekoituksen. Tavallisimpia epälineaarisia komponentteja elektroniikkakäytössä ovat diodit ja transistorit. Epälineaarisuuden ilmeneminen voi riippua hyvin paljon signaalijännitteiden tai virtojen voimakkuudesta ja myös komponentin toimintapisteen asettelusta. Sekä aika- että taajuusalueen mittaukset ovat tärkeitä epälineaarisuudesta johtuvien ilmiöiden tutkimisessa. Elektroniikkapajan yksinkertaisista peruslaitteista oskilloskooppi on nykyään käyttökelpoinen molempien alueiden mittauksissa. Spektrianalysaattorilla voidaan tehdä taajuusalueen mittauksia. 1.2 Mittausten kohde Kuvassa 1 on esitetty hyvin yksinkertainen kokeellinen piirikytkentä. Piirin aktiivisena komponenttina on tavallinen bipolaariliitostransistori. Tavoitteena on tutkia mittauksilla kokeilupiiristä epälineaarisuuden mahdollistamia ilmiöitä. Samalla voidaan arvioida piirin toimintaa ja pohtia käyttökelpoisuutta esimerkiksi radiotekniikkaan. 2

3 R1 100 kw V s_tr C1 47 nf R2 10 kw B C2 1 mf R4 51 W R3 510W C E +5 V (GND) (BNC OUT) (TP3) V u1 V u2 TR1 2N2219A (TP4) Kuva 1: Transistoripiiri. Transistoripiirin käyttöjännite on +5 V. Potentiometrin R1 avulla voidaan säätää transistorin toimintapistettä ja siten piirin toimintaa. Tarkoitus on tuoda sisäänmenoon Vs_tr vaihtojännitteitä suhteellisen matalilla radiotaajuuksilla (esim. noin 200 khz) ja mitata vasteita käyttäen ulostuloja Vu1 ja Vu2. Näistä suuremman vaihtojännitetason Vu2 soveltuu suuri-impedanssiselle oskilloskoopin mittapäälle. Vu1 soveltuu tasavirtaerotetulle ja suurtaajuisten jännitteiden kannalta pieni-impedanssiselle (50 ) spektrianalysaattorille. Jännitteiden nollakontakti on piirin maa (GND). Signaalien syötössä on tässä tapauksessa apuna kuvan 2 vastuspiiri. Työssä signaalilähteinä käytettävistä funktiogeneraattoreista saatavat vaihtojännitteet kytketään sisäänmenoihin Vg1 ja Vg2, joista syöttöjännitteitä myös kannattaa tarvittaessa mitata oskilloskoopilla. Vastuspiiri vaimentaa transistorin herätejännitteitä sopivan pieniksi ja samalla summaa ne transistoria varten. Apupiirin voidaan ajatella olevan lisäosana transistoripiiriä syöttävissä generaattoreissa. Piirin vaimennus määritetään, joten sen vaikutus voidaan korjata tuloksiin. Periaatteessa jännitteitä voitaisiin yrittää mitata suoraan transistorin kannaltakin, mutta käytännössä signaalien pieni taso tekisi tästä haastavaa tai ainakin epätarkkaa. Mittapään impedanssilla on aina myös jokin vaikutus piirin toimintaan. Mitattava käytännön piiri on varustettu BNC-liittimillä, jotka on merkitty IN 1, IN2 ja OUT. Piirilevyllä ovat käytettävissä jännitteitä Vg1, Vg2,Vu1 ja Vu2 vastaavat testipisteet TP1, TP2, TP3 ja TP4. Testipisteisiin on lisätty johdinlenkit, joihin on helppoa kytkeytyä oskilloskoopin mittakärjillä. Mittakärkien maajohtojen hauenleuan yhdistämistä varten on maadoituslenkki (GND). Piirin käyttöjännite (5 V) tuodaan banaaniliittimillä. 3

4 V g1 Rb Rb (BNC IN 1) (TP1) => V s_tr Rb Rb V g2 (BNC IN 2) (TP2) = 56 W Rb = 470 W Kuva 2: Vastuspiiri kuvan 1 piirin eteen. Bipolaaritransistorin toiminnan epälineaarisuudesta yksi esimerkki on kollektorivirran IC ja kantajännitteen VBE väliltä löytyvä eksponentiaalinen riippuvuus I C» I S e V BE / V t, (1) jossa Is = saturaatiovirta ja Vt = kt/q on terminen jännite, joka on huoneenlämmössä noin 25 mv. Kun tavoitteena on tarkastella sisäänmenopuolella kannalle kytketyn jännitteen muuttuvan signaaliosan vbe vaikutusta, voidaan sisällyttää saturaatiovirta ja esijännitteen vaikutus ulostulopuolelle kollektorivirtaan erilleen kertoimeen IC0, jolloin saadaan I C» I C0 e v BE / V t. (2) Eksponenttifunktiosta johtuvan vasteen ilmiöitä on mahdollista tunnistaa sarjakehitelmän e x = 1+ x + x + x (3) avulla. Sarjan alkupään termeistä laskemalla saadaan vaihtojännitteille esiin mm. vahvistus ja sekoitusilmiö, joiden voidaan ennakoida löytyvän mittauksissa myös kuvan 1 kokeilupiiristä. Esimerkiksi sekoitusilmiön takia sisäänmenon kahden taajuuden erotustaajuus ja summataajuus olisivat havaittavissa ulostulossa. Nämä ovat tyypillisesti mm. radiotekniikassa hyödynnettäviä haluttuja sekoitustuloksia. Kuvassa 3 on esimerkki oskilloskoopin näytöstä tilanteesta, jossa voidaan havaita mm. sekoitusilmiön vaikutus aikatason aaltomuodossa ja etenkin FFT-toiminnon tuottamassa spektrinäytössä. Sijoittamalla sarjakehitelmän (3) termeihin syötteenä olevien vaihtojännitteiden esitykset havaittaisiin, että epälineaarisuus voi tuottaa hyvin paljon taajuuskomponentteja. Yleisen 4

5 periaatteen mukaisesti nämä tuotokset ovat herätetaajuuksien tai niiden monikertojen erilaisilla kombinaatioilla. Spektrinäytössä tuotokset ovat helposti nähtävissä ja mitattavissa. Kuva 3: Ulostulon aaltomuoto ja sen taajuuskomponentteja kun piirin kahteen sisäänmenoon on syötetty eritaajuiset jännitteet. Oskilloskoopin näyttöön on valittu sekä aikatason aaltomuoto (ylhäällä) että FFT-toiminnon tuottama spektriesitys (alhaalla). Mittaustulosten perusteella voidaan arvioida piirin toimintaa. Käytännön piirissä myös käyttöjännitteen aiheuttamat rajoitukset ja transistorin saturaatio vaikuttavat toimintapisteestä ja tilanteesta riippuen vasteeseen. Laboratoriotyön hyvin yksinkertainen kokeilupiiri ei ole suoraan mistään tietystä sovelluksesta, joten esimerkiksi radiolaitteeseen tietyn taajuusalueen sekoitinkäyttöön tarkoitetulle piirille valittaisiin sopivin toteutus monista erilaisista vaihtoehdoista ja vielä optimoitaisiin tarkoitukseensa. Samalla sisäänmenopuolen signaalien yhdistämiseen käytettäisiin esimerkiksi vähähäviöistä hybridiä. 1.3 Mittauslaitteisto Työn laitteisto on sähköpajan tilassa hyllyvaunussa, johon laitteet on myös palautettava mittauksen jälkeen. Transistoripiiriä vastuspiirin avulla syöttävinä generaattoreina käytetään funktiogeneraattoreita GWInstek SFG-2004 ja päämittauslaitteena digitaalista kaksikanavaista oskilloskooppia Tektronix TBS-1052B EDU. Tarjolla on kokeiltavaksi myös edullinen spektrianalysaattori HAMEG HMS-X, jolla on mahdollista tutkia 5

6 korkeataajuisimpia signaalikomponentteja. Oskilloskooppi näyttää aikatason jänniteaaltomuodon ja laitteessa on FFT-toiminto samanaikaiseen spektrin tutkintaan. Mitattavaan piiriin kytketään 5 V:n käyttöjännite tasajännitelähteestä Digimess HY3003. Mittauslaitteisiin tutustutaan enemmän mittausten yhteydessä kurssin hands-on -periaatteen mukaisesti. Mahdollisia ongelmatapauksia varten apuna ovat myös laitteiden käyttöohjeiden paperiversiot. Funktiogeneraattoreissa käytettävän 50 :n ulostulon jännite riippuu kuormituksesta eikä jännitteelle ole näyttöä, vaan jännite on mitattava. Tektronix-oskilloskoopin peruskäyttö on melko yksinkertaista, mutta laitteen FFT-toiminnon (Fast Fourier Transform) käyttö voi vaatia pientä perehtymistä. Oskilloskoopin User Manual sisältää sivulta 53 alkaen tiiviin esityksen FFT:n käytöstä. Pääideoina ovat ensinnä aikatason aaltomuodon sopivan kohdan asetus ja toisaalta myös sopivan näytetaajuuden valinta, jotta halutut taajuuskomponentit ovat erotettavissa. Komponenttien erottamisessa ja lukemisessa auttaa FFT Zoom kuten myös sopivan markkerin käyttö. Jos kokeilette myös HAMEG-spektrianalysaattoria, niin muistakaa, että analysaattorin sisäänmeno muodostaa analysaattorin näyttämällä taajuusalueella 50 :n kuorman. Tällä on vaikutusta sisäänmenoon kytketyn mitattavan piirin toimintaan, vaikka analysaattorissa on mukana tasavirtaerotus estämässä kuormitusvaikutusta tasajännitetoimintaan. Oskilloskoopin korkeaimpedanssisten mittakärkien avulla oskilloskoopilla on mahdollista tehdä mittauksia piiristä paljon vapaammin ilman, että piirin toiminta muuttuu tai häiriintyy mitenkään merkittävästi. 1.4 Tehtävät Esitehtävät (Lyhyt esitys, joka esitellään mittausvuoron alussa assistentille ja liitetään osaksi loppuraporttia) 1) Pohtikaa kuvan 1 piirin odotettavissa olevan toiminnan pääpiirteitä, eri komponenttien merkitystä toiminnassa ja potentiometrin säädön vaikutusta. 2) Kuvan 2 vastuspiirin käyttö signaalien yhdistämiseen aiheuttaa sen, että sisäänmenoja syöttävien generaattoreiden vaihtojännitteet eivät tule sellaisenaan suoraan transistoripiirille. Selvittäkää paljonko vastuspiiri vaimentaa jännitteitä. Mittaukset Oletuksena on, että transistoria piirissään ja näiden toimintaan liittyvää epälineaarisuutta voitaisiin yrittää käyttää hyödyksi erilaisilla tavoilla, joita tutkitaan ja arvioidaan mittausten avulla. Toimintaan voidaan vaikuttaa toimintapisteen säädöllä potentiometrin avulla. Toimintapistettä kuvaavana suureena voidaan käyttää tässä työssä yksinkertaisuuden vuoksi kollektorilla olevaa tasajännitekomponenttia. Potentiometrin säätö vaikuttaa transistorin kantavirran ja kollektorivirran kautta tähän tasajännitekomponenttiin. On huomattava, että jos tasajännitekomponentti on valitussa toimintapisteessä lähellä arvoa 0 V ja/tai piiriä syöttävä signaali on suuri, transistorin kollektorijännitteessä alkaa helposti ilmetä signaalin leikkautumista. Leikkautumistilanteessa vaste poikkeaa eksponentiaalisen riippuvuuden 6

7 alueella olevasta. Sopiva lähtökohta mittauksissa voi olla esimerkiksi sellainen, jossa toimintapistettä kuvaava tasajännite kollektorilla on ensin noin puolet käyttöjännitteestä ja signaalitasot ovat melko pieniä. Toimintapistettä ja signaalien voimakkuuksia voidaan sitten säätää mittauksen edetessä tilanteen tarpeen mukaisesti. Seuraavassa on esitetty piirin mahdollisia käyttötapoja ja ehdotettu toimenpiteitä niiden tutkimiseksi mittausten avulla. Mittauksista on hyvä kirjata tarvittavien tulosten lisäksi jokaista tutkittavaa tilannetta (ja sen ilmiöitä) kuvaavat tiedot lyhyesti muistiin raporttia varten. Mittausten olisi yleisen periaatteen mukaan oltava tarvittaessa toistettavissa mittausraportissa esitetyn kuvauksen perusteella. 1) Vahvistin ja säädettävä vahvistin Transistoripiirin perustoimintaa on vahvistus, johon tässä tapauksessa sisältyy myös säätömahdollisuus. Syöttäkää mittausta varten generaattorista taajuudella 200 khz pieniamplitudinen sinivaihtojännite piiriin. Riittävän pienellä amplitudilla ulostulon jännite ei vielä säröydy merkittävästi. Mitatkaa jännitteitä esimerkiksi 3 5 toimintapisteessä niin, että voitte määrittää transistoripiiriltä saatavan jännitevahvistuksen arvon toimintapisteen funktiona käyttökelpoisella alueella. (Idea: Jännitevahvistus = ulostulon jänniteamplitudi jaettuna sisäänmenon jänniteamplitudilla ja korjattuna arvolla, joka eliminoi sisäänmenopuolen vastuspiirin vaimennuksen vaikutuksen). Aiheita pohdintaan: Yksinkertaisen teorian mukaan vahvistus riippuu suoraan transistorin kollektorivirrasta toimintapisteessä. Havaitsetteko tällaisen riippuvuuden? Missä tällainen säädettävä vahvistin voisi olla käyttökelpoinen? 2) Taajuuskertoja Epälineaarisessa piirissä voi syntyä perustaajuuden kerrannaisille erilaisilla voimakkuuksilla ilmeneviä jännitekomponentteja. Säätäkää toimintapistettä ja generaattorin jännitettä niin, että kollektorijännitteen aaltomuoto käyttää suuren osan mahdollisesta vaihteluvälistään. Mitatkaa oskilloskoopin FFT-toiminnon avulla alimpien taajuuskomponenttien voimakkuuksia kun aaltomuoto ei vielä leikkaudu. Mitatkaa vertailun vuoksi myös tilannetta, jossa aaltomuoto jo leikkautuu. Tutkikaa myös, miten esimerkiksi kahden matalataajuisimman kerrontatuloksen voimakkuudet voitaisiin saada maksimoiduksi. Aiheita pohdintaan: Mitkä aikatason jänniteaaltomuodosta havaittavat syyt vaikuttavat taajuustason komponenttien voimakkuuksiin ja näiden voimakkuuksien keskinäisiin suhteisiin? Kuinka hyvä piiri on taajuuskertojana? 3) Sekoitin Pyritään tässä kohdassa käyttämään piiriä kuten sekoitinta voitaisiin käyttää esimerkiksi radiovastaanottimessa. Sekoittimiin syötetään suhteellisen suuriamplitudinen jännite 7

8 ( paikallisoskillaattorijännite ) ohjaamaan sekoitustoimintaa. Toinen, pienempi ja käytännössä voimakkuudeltaan vaihteleva jännite on varsinainen mielenkiinnon kohde ( signaali ), jonka sisältämän tiedon halutaan säilyvän sekoituksessa tapahtuvassa taajuuden muutoksessa. Sekoituksen perustulokset ovat erotustaajuinen ja summataajuinen komponentti, joista vain toista tyypillisesti käytetään hyödyksi. Epälineaarisessa komponentissa syntyy helposti muitakin sekoitustuloksia. Ylimääräiset sekoitustulokset ovat yleensä lähinnä haitallisia. Kokeilupiirissä transistorin toimintapisteen valinta vaikuttaa omalta osaltaan sekoitusilmiöön. Sekoitintoiminnan mittauksia varten sopiva lähtökohta on esimerkiksi seuraava: Säätäkää ensin toimintapistettä ja ohjaavan generaattorin jännitettä niin, että kollektorijännitteen aaltomuoto käyttää suuren osan mahdollisesta vaihteluvälistään. Jättäkää kuitenkin jonkin verran tilaa myös toisen eli pienemmän signaalin tuomalle lisälle ilman leikkautumista. Kytkekää sitten toinen generaattori pieniamplitudiseksi lähteeksi sekoitettavalle signaalille ja säätäkää sen taajuus lähelle ensimmäisen taajuutta eli esimerkiksi 230 khz:ksi. Tutkikaa nyt FFT-toiminnon avulla haluttujen sekoitustulosten ilmenemistä ulostulossa erotus- ja summataajuudella. Ovatko sekoitustulokset samalla tasolla kuten yksinkertainen teoria ennustaa? Mitatkaa jännitteitä niin, että voitte laskea sekoitusvahvistuksen arvon (sekoitustuloksen voimakkuuden suhteen sekoittimeen syötettävän signaalin voimakkuuteen). Kun toiminta näyttää suunnilleen toivotulta, niin kokeilkaa vielä sekoitusvahvistuksen optimointia varovaisilla säädöillä. Selvittäkää myös sekoitustoiminnan lineaarisuutta signaalin kannalta: pysyykö sekoitusvahvistus vakiona signaalin voimakkuutta muutettaessa. Tunnistakaa ja mitatkaa myös muutamia vahvimpia muita sekoitustuloksia kuin toivotut kaksi taajuuskomponenttia. (Tunnistamisessa voi käyttää apuna mm. signaalitaajuuden pieniä muutoksia ja niiden vaikutuksia ulostulosta havaittavassa spektrissä.) Aiheita pohdintaan: Miten mittauksissa esiin saatujen haluttujen sekoitustulosten ominaisuudet sopivat yksinkertaiseen teoriaan sekoitusilmiöstä? Esiintyikö sekoittimen ulostulossa merkittävästi muitakin kuin haluttuja sekoitustuloksia? Olisiko piiri sopiva tai jopa hyvä sekoitin esimerkiksi radiovastaanottimeen? portointi Tehkää mittauksista ja tutkimusten tuloksista kirjallinen raportti, joka palautetaan kahden viikon sisällä mittauksista. Sisällyttäkää asiaan pohdinnat ja johtopäätökset piirin toiminnasta ja käyttökelpoisuudesta. Liittäkää mukaan myös esitehtävien vastaukset. 8