FYSE302 ZENERDIODI JA FET-VAHVISTIN Elektroniikka 1:n laboratorioharjoitukset sisältävät kaksi työtä, joista ensimmäinen sisältyy A-osaan (FYSE301) ja toinen B-osaan (FYSE302). Pelkän A-osan suorittavat tekevät siis vain työn 1, ja koko elektroniikan ykkösosan suorittavat tekevät kummatkin työt. Työ 2: FYSE302 B-osa Mitataan zenerdiodin ominaiskäyrä. Käytetään zenerdiodia jännitevakavoinnissa. Tutustutaan FET:lla toteutetun vahvistinpiirin ominaisuuksiin. Elektroniikan A- ja B-kurssien kumpaakin laboratoriotöitä koskevat yleiset ohjeet ovat A-osan työohjeessa, joka löytyy oppilaslabran sivuilta. Tämä työohje sisältää vain B-osan työssä tarvittavat simulaatio-ohjelman ohjeet sekä työhön kuuluvat ennakkotehtävät, simulaatiot ja mittausohjeet. Kertaa siis muut ohjeet tarvittaessa A-osan työohjeesta. Ennakkotehtävät: 1) Etsi datasivuilta zenerdiodin BZX79C5V1 zenerjännite. Kuinka tämä eroaa kynnysjännitteestä? 2) Laske kuvan 12 piirin transistorin toimintapiste, eli nieluvirta I D ja -jännite V DS. Määritä myös hilajännite V GS. Transistorin BS170 vakio K = 0,1275 A/V 2 ja V T = 2,1 V. 3) Hahmottele samaan kuvaan kuvan 12 piirin DC-kuormitussuora ja piirin transistorin ominaiskäyrät. Huomaa, että hahmotelma riittää. Kuinka voit päätellä piirin jännitevahvistuksen kuormitussuoran ja transistorin ominaiskäyrien avulla? Jos teet työn parityönä, tehkää ennakkotehtävät ja -simulaatiot yhdessä. Esitä ennakkotehtävät assistentille labravuorolle tullessasi, ja liitä ne myös lopulliseen työselostukseen. Tee B-osan työtä varten kansio, johon tallennetaan kaikki työhön liittyvät tiedostot. Nimeä kansio työn tekijän tai tekijöiden mukaan. Tee kansioon alakansiot simulaatioita ja mittausdatoja varten.
Lyhyt Multisim-ohje (ks. myös A-osan työohje) Kuva 1: Multisimin valikoita Kuvassa 1 on esitetty Multisimin ruudun yläreunan valikoita. Komponentteja voidaan lisätä ohjelman kytkentäalustalle klikkaamalla kuvassa 1 näkyvää Place -valikkoa ja valitsemalla Component. Eteen aukeavassa kuvassa 2 esitetyssä ikkunassa on tekstin Group pudotusvalikko, josta voidaan valita haluttu komponenttityyppi. Huom: maadoitus löytyy ryhmän Sources alta. Vastukset löytyvät ryhmästä Basic. Kun komponentti on sijoitettu alustalle, sen parametreja voidaan muuttaa tuplaklikkaamalla kyseistä komponenttia kytkentäalustalla. Simulaatioita tehtäessä tarvitaan komponenttien lisäksi erilaisia työkaluja, kuten signaaligeneraattoria. Nämä ovat vakioasetuksilla Multisimin oikeassa reunassa pystyvalikossa. Jos valikkoa ei löydy, klikkaa View Toolbars Instruments. Kun haluttu työkalu on sijoitettu kytkentäalustalle, sen kytkentäohjeet ja asetukset saa näkyviin tuplaklikkaamalla kyseistä työkalua kytkentäalustalla. Kuva 2: Komponenttivalikko
Kuva 3: Multisimissä tehty kytkentä Kuvassa 3 on esitetty esimerkki, miltä Multisimissä tehty kytkentä näyttää. Kytkennässä on sarjassa 12 V:n tasajännitelähde sekä kaksi vastusta. Huomaa, että simuloitaviin piireihin on aina kytkettävä maadoitus. Ilman sitä simulaatio ei suostu toimimaan. Punaiset numerot johdinten vieressä viittaavat potentiaaleihin kytkennän eri osissa. Maapotentiaalin Multisim merkitsee aina nollalla, mutta muiden potentiaalien numerointi riippuu järjestyksestä, jossa kytkentä rakennetaan. Esimerkiksi kuvassa 3 jännitelähteen V1 ja vastuksen R1 välissä on potentiaali numero 1 ja vastusten R1 ja R2 välissä potentiaali 2. Kuva 4: DC Sweep-toiminnon Analysis Parameters -välilehti
Tässä työssä käytetään muutamaa Multisimin simulaatiotoimintoa, joissa joudutaan kertomaan ohjelmalle esimerkiksi, mitä potentiaalia tai komponentin parametria tarkastellaan. Ennen näiden toimintojen käyttöä tarkista, että simulaatio on pois päältä. Tällöin kuvan 1 vasemmassa alanurkassa oleva kytkin on nolla-asennossa. Huomaa, että kytkimen paikka ei välttämättä ole samassa kohdassa kuin kuvassa 1. Kytkimen tarkistettuasi klikkaa Simulate Analyses. Tässä työssä käytetään Analyses -valikon alta löytyviä toimintoja DC Sweep ja Parameter Sweep. DC sweep Klikkaa Simulate Analyses DC Sweep. Ruudulle aukeaa kuvan 4 mukainen ikkuna. DC Sweep-toiminto mallintaa kytkennän jännitelähteen jännitteen vaikutusta valittuun piirin parametriin. Kuvan 4 ikkunassa voidaan asettaa alue, jolla jännitettä muutetaan (Start value ja Stop value) sekä väli, jolla mittauspisteitä otetaan (Increment). Kohdasta Source voidaan valita eri jännitelähteitä, mikäli niitä piirissä on. Tässä valintana on vv1, joka tarkoittaa kuvan 3 kytkentäkaaviossa olevaa jännitelähdettä V1. Kun haluttu jänniteväli on asetettu, voidaan vaihtaa välilehteä kohtaan Output (kuvan 4 yläreuna), jonka näkymä on kuvassa 5. Tällä välilehdellä voidaan valita, minkä parametrin funktiona jännitteen muutosta seurataan. Valittavana on kaikki piirin eri potentiaalit sekä eri jännitelähteiden syöttämät virrat. Esimerkiksi kuvassa 5 parametri V(1) merkitsee kuvan 3 jännitelähteen V1 ja vastuksen R1 välillä olevaa potentiaalia, joka on numeroitu kytkentäkaavioon numerolla 1. Virta I(v1) viittaa puolestaan jännitelähteen V1 syöttämään virtaan. Kuva 5: DC Sweep -toiminnon Output -välilehti
Tällä välilehdellä voidaan myös syöttää Multisimille yksinkertaisia yhtälöitä klikkaamalla Add Expression. Jos esimerkiksi halutaan tarkastella vastuksen R1 kulkevaa virtaa, syötetään aukeavaan kenttään yhtälö (V(1)-V(2))/250, eli vastuksen yli oleva potentiaaliero jaettuna vastuksen resistanssilla. Tässä menetelmässä ei tosin ole tässä tapauksessa järkeä, koska virta saataisiin suoraan parametrina I(v1). Kun tarkasteltava parametri on valittu, simulaatio voidaan käynnistää klikkaamalla Simulate. Parameter Sweep Klikkaa Simulate Analyses Parameter Sweep. Ruudulle aukeaa kuvan 6 mukainen ikkuna. Tämä toiminto mallintaa esimerkiksi vastuksen resistanssin vaikutusta jännitteeseen tai virtaan. Tässä työssä tarkastellaan vain resistanssien muutoksia. Aukeavassa ikkunassa voidaan valita kohdasta Device Type komponentin tyyppi, jonka parametria muutetaan. Esimerkiksi kuvassa 6 on valittu komponenttityypiksi vastus. Alempaa, kohdasta Name valitaan haluttu komponentti. Tässä tapauksessa on valittu rr1, joka tarkoittaa kytkennän vastusta R1. Kohdasta Parameter valitaan vielä komponentin parametri, joka on tässä tapauksessa resistanssi. Alempaa voidaan asettaa tarkasteltavan resistanssialueen rajat kohdista Start ja Stop. Mittauspisteiden määrän voit asettaa kenttään # of points. Vaihtoehtoisesti voit valita mittauspisteiden välin kohdasta Increment. Huomaa, että mittauspisteiden maksimimäärä on 50. Tässä työssä tehtävissä simulaatioissa on oltava valittuna ikkunan alaosasta kohdasta Analysis to sweep valinta DC Operating Point. On huolehdittava, että kohdasssa Group all traces on one plot on ruksi. Tämän jälkeen voidaan vaihtaa välilehteä kohtaan Output. Kuva 6: Parameter Sweep -toiminnon "Analysis Parameters" -välilehti
Parameter Sweepin välilehti Output on identtinen kuvan 5 välilehden kanssa. Tällä välilehdellä voidaan valita parametri, jonka funktiona resistanssin muutosta tarkastellaan. Tähän pätevät samat ohjeet kuin DC-Sweepin vastaaviin valintoihin. Grapher View Riippumatta siitä, onko tehty DC-Sweep vai Parameter Sweep, ruudulle pitäisi aueta Grapher view. Jos näin ei tapahdu, valitse ylärivin valikoista (kuva 1) View Grapher. Esimerkki aukeavasta näkymästä on kuvassa 7. DC-Sweepin jälkeen ruudulla on kuvaaja, Parameter Sweepin jälkeen taulukko. Tästä riippumatta ruudulla näkyvät simulaatiodatat on syytä viedä Multisimistä ulos. Tämä tapahtuu klikkaamalla Grapher-ikkunan yläreunan työkaluriviltä löytyvää Export to Excel -nappia (kolmas oikealta). Jos ruudulla on useampia kuvaajia, ohjelma saattaa kysyä, minkä kaikkien datat haluat tallentaa. Tee haluamasi valinnat ja klikkaa OK. Tämän jälkeen datat aukeavat uuteen Excel-tiedostoon. Kuva 7: Grapher-näkymä
Simulaatiot S2.1 Simuloi mittauksessa 2.1 käytettävän zenerdiodin ominaiskäyrä. Etsi Multisimissä kyseinen zenerdiodi, sen pitäisi löytyä hakusanalla BZX79-C5V1. Sijoita diodin lisäksi kytkentäalustalle IV-Analysis -työkalu työkaluvalikosta. Tuplaklikkaa kytkentäalustalle sijoittamaasi työkalua, ja saat eteesi ikkunan, jossa on diodin kytkentäohjeet ja mahdollisuus muokata simulaatioparametreja. Klikkaa nappia Sim_Param. Aseta aloitusjännitteeksi -5.15 V ja lopetusjännitteeksi 850 mv. Aseta lisäksi Increment -kohtaan 1 mv ja klikkaa OK. Käytä tämän jälkeen simulaatiota päällä, jolloin saat eteesi zenerdiodin ominaiskäyrän. Avaa grapher -työkalu valikosta View Grapher. Vie datat grapherista Excel-tiedostoon. Tallenna Excel-tiedosto simulaatiokansioon muodossa.xlsx ja nimellä S2.1. Tallenna myös Multisimin simulaatiotiedosto nimellä S2.1. S2.2 Simuloi mittauksen 2.2 kuvan 9 piiri. Jännitteen V S saat Multisimissä asettamalla piirin sisäänmenonapoihin tasajännitelähteen (välille OUT jänniteseuraajalta ja AGND ). Jännitelähteen jännitteen suuruudella ei ole tässä tapauksessa merkitystä. Muista myös sijoittaa maadoitus oikeaan kohtaan piiriä. Simuloi piirin V out (V S )-kuvaaja DC Sweep -toiminnolla. Huolehdi, että simulaatio ei ole käynnissä samaan aikaan. Aseta jännitteen alkuarvo Start value nollaksi ja loppuarvo Stop value 10 V:iin. Mittaa jännitettä 0,1 V:n välein, eli aseta Increment - kohtaan 0,1 V. Muista käyttää ohjelmassa amerikkalaista desimaalierotinta eli pistettä. Output -välilehdellä valitse aktiiviseksi zenerdiodin estopuolen potentiaali (tarkista sen numero tekemästäsi kytkennästä) ja klikkaa keskeltä ruutua Add. Klikkaa tämän jälkeen ikkunan alareunasta Simulate. Eteesi aukeaa jälleen Grapher-ikkuna, josta voit jälleen viedä datat Exceliin. Tallenna Excel-tiedosto nimellä S2.2. Tallenna myös simulaatiotiedosto samalla nimellä. S2.3 Simuloi kuvan 10 piiri. Nyt simuloidaan zenerin läpi kulkevaa virtaa I Z syöttöjännitteen V S funktiona. Tätä varten muista jälleen lisätä piiriin tasajännitelähde ja maadoitus kuten simulaatiossa 2.2. Käytä jälleen DC Sweep -toimintoa ja tarkista Analysis parameters -välilehdeltä, että parametrit ovat samat kuin edellisessä simulaatiossa. Ero S2.2:een on se, että Output -välilehdelle syötetään mitattavaksi suureeksi diodin yli kulkeva virta. Tämä onnistuu Add Expression -komennolla. Syötä kenttään työohjeen alkuosan Multisim-ohjeiden mukaisesti R 1 :n päiden välinen potentiaaliero jaettuna vastuksen resistanssilla. Kun olet valmis, klikkaa OK ja aja simulaatio klikkaamalla Simulate. Grapherissa vie datat jälleen Exceliin ja tallenna Excel-tiedosto nimellä S2.3. Tallenna myös simulaatiotiedosto nimellä S2.3. S2.4 Simuloi kuvan 11 piiri. Sisääntulonapoihin täytyy jälleen kiinnittää tasajännitelähde. Aseta jännitteen suuruudeksi 10 V. Korvaa myös potentiometri R L kiinteällä 2 kω:n vastuksella. Tutkitaan piirin ulostulojännitteen V out riippuvuutta kuorman virrasta I L. Tämä on tehtävä hieman monimutkaisesti kahdessa vaiheessa. Ensin kohdassa a) simuloidaan ulostulojännitteen V out riippuvuus kuormavastuksen resistanssista R L. Tämän jälkeen kohdassa b) simuloidaan kuormavastuksen virran I L riippuvuus resistanssista R L. Kun tulokset yhdistetään, saadaan selville riippuvuus V out (I L ).
a) Tarkista, että simulaatio on pois päältä ja klikkaa Simulate Analyses Parameter Sweep. Aseta muutettavaksi parametriksi työohjeen Multisim-ohjeen mukaisesti 2 kω:n kuormavastuksen resistanssi. Aseta lähtöresistanssiksi 10 Ω ja loppuresistanssiksi 500 Ω. Aseta mittauspisteiden lukumääräksi 50. Tarkista, että ruudun alaosassa kohdassa Group all traces on one plot on ruksi. Output -välilehdellä valitse tarkasteltavaksi suureeksi ennen 10 Ω:n etuvastusta oleva potentiaali. Tämän jälkeen voit ajaa simulaation. Tallenna datat grapherista nimellä S2.4a. b) Määritetään seuraavaksi kuormavastuksen virta kuormavastuksen resistanssin suhteen. Tämä tapahtuu tismalleen samalla tavalla kuin ulostulojännitteenkin määritys, joka on kuvailtu yläpuolella. Ainoa ero on, että tarkasteltavaksi suureeksi on vaihdettava kuormavastuksen virta, joka voidaan kirjoittaa Add Expression -komennolla potentiaalierona etuvastuksen R 1 yli jaettuna vastuksen resistanssilla. Tallenna tästä simuloinnista saamasi datat nimellä S2.4b. S2.5 Rakenna Multisimissä mittauksen 2.5 kuvan 12 mukainen piiri. Kohtaan OUT jänniteseuraajalta täytyy kytkeä Multisimin oikeanpuoleisesta työkaluvalikosta signaaligeneraattori (kolmas työkalu ylhäältä luettuna). Aseta työkalu kytkentäalustalle ja yhdistä sen positiivinen napa kondensaattoriin C1 ja keskimmäinen napa maahan. Negatiivista napaa ei kytketä mihinkään. Tuplaklikkaa työkalua ja aseta aukeavassa ikkunassa signaalin amplitudiksi 0,1 Vp (huomaa jatkon kannalta, että 2Vp = Vpp). Signaalin taajuuteen ei tarvitse koskea. Potentiometrin R P voit jättää pois kytkennästä. Kuvan 12 piirin napaan +15 V kytketään Multisimissä vastaavan suuruinen tasajännitelähde. Etsi lisäksi työkaluvalikosta Bode Plotter. Aseta työkalu kytkentälevylle ja kytke sen IN -navat kuvan 12 kohtiin AI0+ ja AI0-. Vastaavasti kytke OUT -navat kohtiin AI1+ ja AI1-. Varmista, että napojen merkit menevät oikein päin. Tuplaklikkaa Bode plotteria ja napsauta simulaatio päälle. Tällöin Boden kuvaaja piirtyy ruudulle. Tämän jälkeen simulaation voi kytkeä pois päältä. Mene grapher-näkymään ja tallenna sen kautta sekä vahvistuksen että vaihesiirron boden kuvaajat. Kuvaajia ei pysty tallentamaan kumpiakin yhtä aikaa, vaan ennen tallennusta on klikattava sitä kuvaajaa, jonka datat halutaan tallentaa. Klikkaus siirtää kuvaajan oikealla puolen olevan huomaamattoman punaisen nuolen aktiivisen kuvaajan kohdalle. Tallenna ylemmän kuvaajan datat nimellä S2.5 vahvistus ja alemman datat nimellä S2.5 vaihe. Tallenna vielä simulaatiotiedosto nimellä "S2.5". S2.6 Jatka edellisen simulaation kytkennällä, mutta korvaa Bode plotter oskilloskoopilla (kytke se samoihin napoihin kuin Bode plotter). Syötä piiriin signaaligeneraattorista 1 khz:n signaalia amplitudilla 0,1 Vp. Napsauta simulaatio päälle, ja aseta oskilloskoopin oikeasta alanurkasta Trigger -vaihtoehdoksi Nor. Huomaa, että ensimmäisen parin sekunnin ajan piiri stabiloituu, joten tänä aikana oskilloskoopin kuvaajiin ei kannata luottaa. Säädä oskilloskoopin asetuksia siten, että näet sekä sisään- että ulostulosignaalin samassa suhteessa. Riittää, että ruudulla näkyy muutama jakso. Yritä pysäyttää simulaatio siten, että ruudulle jää näkyviin vähintään muutama jakso. Jos tämä ei onnistu ensimmäisellä yrittämällä, kokeile uudelleen. Kun olet saanut signaalin ruudulle, mene jälleen grapheriin ja vie datat Exceliin nimellä S2.6a. Huomaa, että jaksoja ei pidä olla ruudulla liikaa, koska tällöin datatiedoston koko suuruus kasvaa turhan suureksi. Kasvata sisääntulosignaalin amplitudi arvoon 1,0 Vp. Skaalaa oskilloskoopin näyttämää tarpeen mukaan, ja koita jälleen pysäyttää simulaatio siten, että saat tarpeeksi jaksoja näkyviin ruudulle.
Tallenna datat grapherin kautta nimellä S2.6b. Laske sisääntulosignaalin amplitudi arvoon 0,5 Vp. Muokkaa piiriä siten, että asetat vastuksen R D resistanssiksi 20 kω. Kytke tämän jälkeen simulaatio päälle ja tallenna muutaman jakson datat nimellä S2.6c aikaisempaan tapaan. S2.7 Mittaa simuloimasi vahvistinpiirin toimintapiste: Lisää käyttämääsi piiriin työkaluvalikosta yleismittarit mittaamaan nieluvirtaa I D, nielujännitettä V DS ja hilajännitettä V GS. Laita mittaamasi arvot muistiin Excel-tiedostoon, joka tallennetaan nimellä S2.7. Tallenna myös simulaatiotiedosto nimellä S2.7.
Mittaukset: M2.1 Rakenna kuvan 8 mukainen kytkentä. Mitataan VI curve tracer -työkalulla zenerdiodin BZX79C5V1 jännite V Z virran I Z funktiona. Virta I Z mitataan jännitteenä V R vastuksen R 1 yli. Muista syöttää IV curve traceriin oikea etuvastuksen R 1 arvo, jonka olet mitannut DMM-työkalulla. Koordinaatiston kooksi voit asettaa vaaka-akselille -6 V 2 V ja pystyakselille -25 ma 35 ma. Käytä ominaiskäyrän piirtoon curve tracerin toimintoa Automatic Sweep jännitevälillä -7,5 V 4 V. Aseta näytteiden (samples) määräksi 300 ja klikkaa Go. Klikkaa curve tracerin koordinaatistoa hiiren oikealla, jolloin aukeavan valikon alimpana on export -vaihtoehto. Vie datat Excel-tiedostoon. Liitä aukeavaan tiedostoon myös kuva curve tracerin piirtämästä kuvaajasta klikkamalla jälleen export ja valitsemalla kuvavaihtoehdon. Tallenna Excel-tiedosto nimellä M2.1 mittauskansioon. Kuva 8: Zenerdiodin ominaiskäyrän määritys M2.2 Rakenna kuvan 9 mukainen rinnakkaisvakavoija, jossa käytät zenerdiodia BZX79-C5V1. Mittaa VI curve tracerilla kytkennän lähtöjännitettä V out tulojännitteen V S funktiona kuvan 9 mukaisesti. Huomaa, että curve tracer piirtää pystyakselille virran arvoja, mutta se tekee sen laskennallisesti käyttäen mittaamaansa jännitettä jonkin etuvastuksen yli. Mainittu ongelma voidaan siis kiertää, kun asetetaan etuvastuksen arvoksi 1, jolloin pystyakselin arvot vastaavat jännitettä. Säädä curve tracerin ruudun kooksi vaaka-akselille väli 0 V 10 V, ja pystyakselille väli 0 V 6 V. Mittaus suoritetaan Automatic sweep -toiminnolla jännitevälillä 0 V - 10 V. Näytteiden määrä voi olla 100. Tallenna datat ja kuvaaja Excel-tiedostoon nimellä M2.2. Kuva 9: Rinnakkaisvakavoijan kytkentäkaavio
M2.3 Käytä edelleen mittauksessa 2.2 rakentamaasi piiriä, mutta mittaa nyt zenerin läpi kulkevaa virtaa I Z syöttöjännitteen V S funktiona. Lisää tätä varten zenerin eteen 10 ohmin etuvastus R 1 kuvan 10 mukaisesti. Aseta mydaq:in AI1-sisääntulot mittaamaan jännitettä lisäämäsi etuvastuksen R 1 yli. Vaihda VI curve traceriin oikea etuvastuksen arvo ja vaihda koordinaatiston pystyakselin kooksi väli 0 ma 18 ma. Vaaka-akseli saa pysyä ennallaan (0 V 10 V). Käytä jälleen Automatic Sweep -toimintoa välillä 0 V 10 V. Tallenna kuvaaja ja datat Excel-tiedostoon samaan tapaan kuin aikaisemminkin. Tallenna tiedosto nimellä M2.3. Kuva 10: Rinnakkaisvakavoijan diodivirran mittaus M2.4 Vaihda edellisen mittauksen piirin kuormavastukseksi R L 2 kω:n potentiometri ja R S :ksi 100 Ω:n vastus (kuva 11). Huomaa, että etuvastuksen paikka vaihtuu edellisestä mittauksesta kuormavastuksen R L eteen. Mittaa kuvan 11 mukaisesti piirin lähtöjännitettä V out ja kuormavirtaa I L. Käytä VI curve traceria, mutta tällä kertaa älä käytä automatic sweepiä. Varmista, että etuvastuksen arvona on curve tracerissa oikea lukema ja aseta ulostulojännite 10 volttiin. Aseta koordinaatiston kooksi vaaka-akselille 0 V 6 V ja pystyakselille 0 ma 35 ma. Tämän jälkeen kytke Continuous sampling päälle, jolloin ruudulle ilmestyy kursori. Testaa tämän jälkeen kursorin käyttäytymistä kun käännät potentiometriä ääriasennosta toiseen. Testailun jälkeen suorita Kuva 11: Vakavointipiirin lähtöjännitteen mittaus kuormavirran funktiona
varsinainen mittaus asettamalla potentiometri jompaan kumpaan ääriasentoon ja kytkemällä curve tracerissa päälle Enable persistence. Tällöin ohjelma alkaa tallentaa mittauspisteitä. Huolehdi, ettet pommita mittauksen aikana samaa pistettä yhtäjaksoisesti sekuntikaupalla, vaan kierrät koko ajan potentiometriä johonkin suuntaan. Tällöin mittausdataan ei muodostu ikävää rypästä mittauspisteitä. Kun olet valmis, kytke välittömästi continuous sampling pois päältä ja tallenna datat ja kuvaaja Excel-tiedostoon nimellä M2.4. M2.5 Rakenna kuvan 12 mukainen vahvistinkytkentä. Transistorina käytetään kurssin A-osan mittauksista tuttua BS170-avauskanavatransistoria. Huomaa, että joudut liittämään mydaq:in +15 V -ulostuloon toisen johdon, jolla tuot vahvistimelle käyttöjännitteen. Tässä kytkennässä siis kyseiseltä ulostulolta lähtee kaksi johtoa: toinen jänniteseuraajalle ja toinen kuvan 12 mukaisesti vahvistimelle. Vastus R P on 20 kω:n potentiometri. Ennen mittauksen aloittamista varmista, että potentiometrin resistanssi on säädetty nollaan. Avaa Elvis Instrument Launcherista Bode-työkalu. Varmista, ettei taustalla ole samaan aikaan käynnissä muita työkaluja, kuten oskilloskooppi. Aukeavassa ikkunassa aseta aloitustaajuus 10 Hz:iin ja lopetustaajuus maksimiin 20 khz. Aseta askelten (steps) määräksi 20. Aseta kohtaan peak amplitude 0,1 V. Klikkaa tämän jälkeen Run, jolloin ohjelma piirtää vahvistinpiirin Bode-kuvaajan antamillasi parametreilla. Tallenna datat klikkaamalla Log, ja anna tiedostonimeksi M2.5 datat. Tallenna myös kuva Boden kuvaajista klikkaamalla Print. Ota valinta "Print Ink Saver Mode" pois päältä. Valitse tämän jälkeen "File" ja klikkaa kansion kuvaa. Syötä tiedostonimeksi "M2.5 kuva", anna tiedostomuodon olla.png ja hyväksy painamalla kummastakin ikkunasta "OK". Kuva 12: FET:llä toteutettu vahvistinkytkentä
M2.6 Jatka mittauksen 2.5 kytkennällä. Avaa Instrument Launcherista oskilloskooppi ja signaaligeneraattori. Anna potentiometrin resistanssin olla edelleen nollassa. Aseta signaaligeneraattori syöttämään piiriin 1 khz:n taajuus amplitudilla 0,2 Vpp. Varmista, että ruudulla näkyy kummankin kanavan signaalit keskenään samassa suhteessa. Säädä oskilloskoopin näyttämää siten, että kuvaajat ovat ruudulla mahdollisimman suuret ja helposti luettavat. Pysäytä oskilloskooppi stop-napista ja tallenna signaalien data klikkaamalla oskilloskoopin ikkunasta "Log". Syötä tiedostonimeksi "M2.6a datat". Tallenna myös kuva oskilloskoopin ruudusta klikkaamalla "print". Ota valinta "Print Ink Saver Mode" pois päältä. Valitse tämän jälkeen "File" ja klikkaa kansion kuvaa. Syötä tiedostonimeksi "M2.6a kuva", anna tiedostomuodon olla.png ja hyväksy painamalla kummastakin ikkunasta "OK". Tämän jälkeen tutki sisääntulosignaalin amplitudin vaikutusta ulostulosignaaliin kasvattamalla syöttösignaalin amplitudia asteittain arvosta 0,2 Vpp arvoon 2,0 Vpp. Älä hyppää suoraan minimiarvosta maksimiarvoon! Mitä havaitset, kun amplitudi kasvaa liian suureksi? Tallenna oskilloskoopin data ja kuva ruudusta, kun sisääntulosignaalin amplitudi on 2,0 Vpp. Käytä tiedostoniminä M2.6b datat ja M2.6b kuva. Laske nyt sisääntulosignaalin amplitudi arvoon 0,5 Vpp. Ala kasvattamaan potentiometrin resistanssia ja tarkkaile ulostulosignaalin käyttäytymistä. Mitä tapahtuu, kun resistanssi kasvaa lähelle potentiometrin maksimia? Tallenna kuva ja datat tilanteesta, jossa potentiometrin resistanssi on maksimissa. Tallenna kuva nimellä M2.6c kuva ja oskilloskoopin data nimellä M2.6c datat. M2.7 Selvitetään vahvistinkytkennän toimintapiste, eli transistorin nieluvirta I D ja -jännite V DS kuvan 12 piirissä. Nieluvirran saat mitattua mydaq:in DMM-työkalulla jännitteenä vastuksen R D yli. Nielujännitteen saa mitattua suoraan nielun ja maan välillä DMM:llä. Mittaa myös toimintapisteen hilajännite V GS. Tallenna tiedot samaan Excel-taulukkoon, johon olet tallentanut käyttämäsi vastuksien resistanssit. M2.8 Käytä edelleen kuvan 12 vahvistinpiiriä. Tarkastellaan nyt vahvistimen vaikutusta audiosignaaliin. Irrota jänniteseuraajalta tuleva OUT-johto vahvistinpiiristä. Liitä assistentilta saamasi audiokaapeli tietokoneen etupaneelin kuulokeliitäntään. Liitä audiokaapelin toinen audiosignaalia välittävistä haaroista (L tai R) vahvistimen sisääntuloon ja maajohto vahvistimen maahan. Jäljelle jäävä kaapelin haara on tarpeeton. Etsi YouTubesta mieleisesi kappale. Aseta YouTuben äänenvoimakkuus maksimiin. Aseta lisäksi Windowsin äänenvoimakkuus ruudun oikeasta alanurkasta 20 %:iin. Avaa Elvis instrument launcherista oskilloskooppi, kytke se päälle ja laita valitsemasi kappale soimaan. Etsi sellaiset oskilloskoopin asetukset, joilla näet sisään- ja ulostulosignaalin yksityiskohdat. Aikaskaalalle sopiva arvo on 2 ms. Signaali on luonnollisesti melko rauhatonta, mutta älä anna sen häiritä. Oskilloskooppi toimii paremmin, kun Trigger -kohdasta on valittu Immediate. Tallenna oskilloskoopin näyttämästä sellainen kuva, jossa sisään- ja ulostulosignaalit ovat selvästi vertailtavissa keskenään. (ts. pysäyttele oskilloskooppia ja valitse hyvältä vaikuttava otos signaaleista). Tallenna valitsemasi kuva nimellä M2.8a kuva aikaisempien ohjeiden mukaan. Tallenna myös vastaava oskilloskoopin data nimellä M2.8a datat.
Tarkastele, mitä ulostulosignaalille tapahtuu kun kasvatat Windowsin äänenvoimakkuutta 20 %:sta 75 %:iin. Kun äänenvoimakkuus on 75 %, tallenna jälleen edustava kuva oskilloskoopin ruudusta. Tallenna kuva nimellä M2.8b kuva ja datat nimellä M2.8b datat. Tarkastellaan vielä, miltä vahvistimen läpi tuleva musiikki kuulostaa pienellä (20 %) ja suurella (75 %) vahvistimelle syötettävällä signaalilla. Irrota ensin kaikki mydaq:in johdot vahvistinpiiristä lukuunottamatta maajohtoa ja käyttöjännitteen +15 V johtoa. Liitä assistentilta saamasi audiokaapelit tietokoneen etupaneelin audioliitäntöihin. Kytke mikrofoniliitäntään kytkemäsi johto vahvistimen ulostulopuolelle (maahaara maapuolelle ja jompi kumpi audiohaaroista ulostuloon). Kuulokeliitännän johto pitäisi olla valmiiksi kytkettynä piiriin, koska sitä käytettiin edellisessä mittauksessa. Jos näin ei ole, katso kytkentäohjeet ylempää. Avaa Windowsissa Sound Recorder -ohjelma, jolla voidaan tallentaa tietokoneen mikrofoniliitäntään syötettävää signaalia. Löydät ohjelman Windowsin hakutoiminnolla. Laita Youtubessa musiikki soimaan, mutta paina mieleesi kohta jonka soitat. Varmista, että Youtuben äänenvoimakkuus on edelleen maksimissa ja Windowsin äänenvoimakkuus on 20 %. Tallenna Sound Recorderilla noin 15 sekunnin pätkä vahvistimen läpi tullutta musiikkia tällä äänenvoimakkuudella. Pysäytä tallennus ja tallenna audiotiedosto nimellä M2.8 vahvistettu 20. Kasvata Windowsin äänenvoimakkuus 75 %:iin ja soita YouTubesta sama kohta uudelleen. Tallenna jälleen Sound Recorderilla 15 sekunnin pätkä tästä samasta kohdasta. Tallenna tämä tiedosto nimellä M2.8 vahvistettu 75. Tallennetaan vielä vahvistamattomat vertailuotokset saman kappaleen samasta kohdasta. Kytke nyt käytössäsi olevilla audiokaapeleilla tietokoneen mikrofoniliitäntä suoraan kuulokeliitäntään ilman, että vahvistin on välissä. Aseta Windowsin äänenvoimakkuus 20 %:iin ja tallenna Sound Recorderilla 15 sekunnin otos samasta kohdasta kuin aikaisemmin. Tallenna tämä äänitiedosto nimellä M2.8 kontrolli 20. Kasvata Windowsin äänenvoimakkuus 75 %:iin ja tallenna uusi otos samasta kohdasta nimellä M2.8 kontrolli 75.
Kotitehtävät: Zenerdiodin ominaiskäyrä Piirrä mittaamasi zenerdiodin ominaiskäyrä V Z (I Z ). Vertaa kuvaajaa simulaatioista saamaasi ominaiskäyrään. Määritä mittaamastasi ominaiskäyrästä kynnysjännite ja zenerjännite. Vastaavatko nämä simulaation arvoja? Arvoi zenerdiodin dynaaminen resistanssi zenerjännitettä matalammilla jännitteillä (lineaarinen osuus kuvaajasta) ja kynnysjännitettä korkeammilla jännitteillä (myös lineaarinen osuus). Vertaa näitä arvoja keskenään ja myös simulaatiosta saamiisi arvoihin. Vakavointipiiri Kerro, miksi zenerdiodia voidaan käyttää jännitevakavoinnissa. Piirrä M2.2:ssa mitattu tulojännitteen vakavointikuvaaja V out (V S ) ja selitä lyhyesti sen muoto. Millä ulostulojännitteellä zenerdiodi alkaa vakavoida? Vertaa tätä jännitettä M2.1:ssä määrittämääsi zenerjännitteeseen. Vertaa myös mittaamaasi V out (V S ) -kuvaajaa ja tuloksia simulaation vastaaviin tuloksiin. Selitä M2.3:ssa mittaamasi kuvaajan I Z (V S ) muoto ja vertaa sitä simuloituun kuvaajaan. Kun zenerdiodi johtaa vakavointipiirissä, mitä tapahtuu diodin läpi kulkevalle virralle I Z jännitteen V S kasvaessa ja miksi? Laske, millä välillä syöttöjännite V S saa vaihdella M2.2:n kuvan 9 kytkennässä jotta lähtöjännite V out pysyy vielä vakiona. Zenerdiodin läpi kulkeva virta ei saa alittaa arvoa 5 ma (perustele miksi). Lisäksi zenerdiodin tehohäviö ei saa ylittää arvoa 500 mw. Oleta zenerin dynaaminen resistanssi nollaksi, mutta perustele miksi näin voi tehdä. Ylemmän tehtävän tietojen perusteella, mikä on suurin mahdollinen tehonkulutus M2.2:n kuvan 9 kytkennän etuvastuksessa R S? Piirrä M2.4:n kuorman vakavointikuvaaja V L (I L ). Vertaa kuvaajaa simulaatiosta saamaasi kuvaajaan. Kuinka suuri virta kuormalle voidaan tässä kytkennässä enintään syöttää, jotta vakavointi vielä toimii? Mikä rajoittaa tämän virran suuruutta? FET-vahvistin Selitä, miten kuvan 12 mukainen vahvistin toimii. Mitkä ovat kondensaattoreiden C 1 ja C 2 ja vastusten R 1, R 2 ja R D ja R P merkitykset piirin toiminnalle. Mitä voit lukea M2.5:ssä mittaamistasi Boden kuvaajista? Kuinka suuri vahvistus piirillä on taajuudella 1 khz (desibeleinä ja prosentteina)? Kuinka suuri tällöin on vaihesiirto? Vertaa simuloimiasi ja mittaamiasi kuvaajia laadullisesti. Mitä tapahtuu ulostulosignaalille, kun vahvistimen sisääntulosignaalin amplitudia kasvatetaan M2.6:ssa arvosta 0,2 Vpp arvoon 2,0 Vpp. Pohdi, mistä havaitsemasi ilmiö johtuu. Käytä apunasi ennakkotehtävässä tekemääsi hahmotelmaa. Mitä tapahtuu ulostulosignaalille M2.6:ssa, kun potentiometrin R D resistanssia kasvatetaan lähelle maksimia? Pohdi, mistä ilmiö johtuu, ja käytä jälleen apuna ennakkotehtävän hahmotelmaa. Mittauksen 2.6 ja kahden ylemmän kotitehtävän pohjalta päättele, millaisia rajoituksia kuvan 12 vahvistinpiirillä on.
Vertaa ennakkotehtävässä laskemaasi ja M2.7:ssa mittaamaasi toimintapistettä keskenään. Laske piirin jännitevahvistuksen suuruus, kun V GS vaihtelee mitatun arvon ympärillä amplitudilla 0,1 V. Vertaile oskilloskoopin näyttämiä otoksia M2.8:n vahvistetuista äänitiedostoista mittauksen 2.6 tuloksiin. Havaitsetko yhdenmukaisuuksia? Tee korvakuulolta vertailua M2.8:ssa vahvistettujen äänitiedostojen ja kontrollitiedostojen välillä. Vertaile myös tiedostojen äänen laatua tiedostoja vastaaviin oskilloskoopin näyttämiin. Vinkki: Parhaiten äänen laadun tutkiminen onnistuu korvanapeilla. Huomaa, että vahvistimen läpi tulleissa äänitiedostoissa on tallennettu vain vasen tai oikea kanava, kun taas kontrollitiedostoissa on mahdollisesti kummatkin kanavat. Tee vertailu siis siten, että pidät vain toista nappia korvassa (aina samassa korvassa). Huomaa myös, että tietokoneen äänenvoimakkuutta joudutaan nostamaan reilusti, jotta tallennetut äänitiedostot kuuluvat. Mitä huomioita ja johtopäätöksiä voit tehdä tutkitun vahvistimen ominaisuuksista ja niiden vaikutuksesta äänen laatuun?