ELEC-C5070 Elektroniikkapaja Laboratoriotyö 2 Käytännön radiotekniikkaa: epälineaarisen komponentin ilmiöitä Työohje
Sisällysluettelo 1 Johdanto... 2 2 Mittauksista... 2 2.1 Mittausten kohde... 3 2.2 Epälineaarisuus kokeilupiirissä... 4 2.3 Mittauslaitteisto... 5 3 Tehtävät... 6 3.1 Esitehtävät... 6 3.2 Mittaukset laboratoriossa... 6 3.2.1 Mittaus 1: Vahvistin ja säädettävä vahvistin... 7 3.2.2 Mittaus 2: Taajuuskertoja... 7 3.2.3 Mittaus 3: Sekoitin... 8 3.3 Raportointi... 9 1
1 Johdanto Tässä työssä työssä tutustutaan epälineaarisen elektroniikkakomponentin muutamaan tärkeään ilmiöön käytännön mittausten avulla. Epälineaarisuutta voi esiintyä kaikissa komponenteissa ainakin hyvin suurilla signaalitasoilla, mutta usein amplitudiltaan pienikin signaali riittää. Mielenkiintoisimmat epälineaarisuuden sovellukset perustuvat sekä suuren että pienen signaalin yhtäaikaiseen syöttämiseen epälineaariseen komponenttiin. Esimerkiksi sekoitusilmiö on olennainen mm. radiotekniikassa mutta ei ole tuntematon muussakaan elektroniikassa. Sekoittimia käytetään radiotekniikassa muuttamaan signaalien taajuuksia Epälineaarisuus aiheuttaa muitakin ilmiöitä kuin taajuuksien sekoituksen ja tyypillisesti komponentissa ilmenee samalla kertaa useampia ilmiöitä. Tavallisimpia epälineaarisia komponentteja elektroniikkakäytössä ovat diodit ja transistorit. Epälineaarisuuden ilmeneminen voi riippua hyvin paljon signaalijännitteiden tai virtojen voimakkuudesta ja myös komponentin toimintapisteen asettelusta. Nämä pyritään säätämään sopiviksi haluttua tarkoitusta varten. 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. Laboratoriotyön mittauskohteeksi on valittu yksinkertainen kokeellinen piiri, jonka aktiivinen piirielementti on yleinen transistori. Varatkaa työlle aika sähkö/elektroniikkapajalta MyCourses-järjestelmässä ja tehkää esitehtävät ennen vuorolle saapumista, jotta voitte esitellä vastauksenne assistentille pajassa vuoron alussa. Tämä ohje kannattaa lukea kokonaan jo etukäteen. Kokeellisen osion jälkeen laatikaa raportti työstänne ja palauttakaa se MyCourses-järjestelmän kautta. Ajankäyttö: - Esiselostustehtävät ja teoria 3 h - Laboratoriotyöskentely 3 h - Loppuselostus 5 h 2 Mittauksista Laboratoriotyössä on mahdollisuus tutkia mittausten avulla epälineaarisuuden mahdollistamia eri ilmiöitä kokeilupiirissä. Samalla voidaan arvioida piirin toimintaa ja pohtia käyttökelpoisuutta esimerkiksi radiotekniikkaan. Mittaukset eivät ole erityisen vaikeita - ainoastaan viimeistä eli kolmatta mittauskohtaa voidaan pitää hieman haastavana (riippuen ryhmän taustatiedoista, huolellisuudesta ja etukäteen valmistautumisesta). 2
2.1 Mittausten kohde Kuvassa 1 on esitetty hyvin yksinkertainen kokeellinen piirikytkentä. Piirin aktiivisena komponenttina on tavallinen bipolaariliitostransistori.. 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 pieniimpedanssiselle (50 Ω) 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. Apupiiri on transistoripiirin edessä ja apupiirin voidaan myös ajatella olevan tavallaan lisäosana transistoripiiriä syöttävissä generaattoreissa. Lisäpiirin 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. 3
Kuva 2. Vastuspiiri kuvan 1 piirin eteen. Mitattava käytännön piiri on varustettu BNC-liittimillä, jotka on merkitty IN 1, IN 2 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. 2.2 Epälineaarisuus kokeilupiirissä 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 2 1 = 1+ x + x + x 2 6 3 +... (3) 4
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 voidaan havaita, että epälineaarisuus voi tuottaa hyvin paljon taajuuskomponentteja. Yleisperiaatteen 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). 2.3 Mittauslaitteisto Työn laitteisto on sähköpajan tilassa omassa hyllyvaunussaan, 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 5
myös edullinen spektrianalysaattori HAMEG HMS-X, jolla on mahdollista tutkia 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 lisää mittausten yhteydessä kurssin hands-on -periaatteen mukaisesti. Mahdollisia ongelmatapauksia varten apuna ovat myös laitteiden käyttöohjeiden paperiversiot. Funktiogeneraattoreissa käytettävän 50 Ω:n ulostulon jännite riippuu kuormituksesta eikä jännitteelle ole näyttöä, vaan jännite on mitattava. Tektronix-oskilloskoopin peruskäyttö on melko yksinkertaista, mutta laitteen FFTtoiminnon (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 kursorin käyttö. Jos kokeilette myös HAMEG-spektrianalysaattoria, niin muistakaa, että analysaattorin sisäänmeno muodostaa analysaattorin näyttämällä taajuusalueella 50 Ω: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. 3 Tehtävät 3.1 Esitehtävät Tavoitteena on lyhyt mutta olennaiset asiat kertova ja perusteleva esitys. Asia 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. 3.2 Mittaukset laboratoriossa 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. Transistorin toimintapistettä kuvaavana suureena voidaan käyttää tässä työssä yksinkertaisuuden vuoksi kollektorilla olevaa tasajännitekomponenttia. Potentiometrin säätö vaikuttaa transistorin kantavirran ja kollektorivirran kautta tähän tasajännite- 6
komponenttiin. 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 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. 3.2.1 Mittaus 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 tuloksesta 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? 3.2.2 Mittaus 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 kerrannaistaajuuskomponenttien 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? 7
3.2.3 Mittaus 3: Sekoitin Tässä kohdassa pyritään käyttämään piiriä kuten sekoitinta voitaisiin käyttää esimerkiksi radiovastaanottimessa. Sekoitus on edellisten mittauskohtien aiheita monimutkaisempi ilmiö mutta samalla myös mielenkiintoisempi. Tästä syystä seuraavassa ohjeessa on mukana hieman lisää johdatusta asiaan. Tarvittaessa aiheesta löytyy lisätietoa oppikirjoista ja myös internetistä laittakaa hakuun vaikkapa frequency mixer tai superheterodyne receiver. Sekoittimiin syötetään suhteellisen suuriamplitudinen jännite ( paikallisoskillaattorijännite ) ohjaamaan sekoitustoimintaa. Toinen, pienempi ja käytännössä voimakkuudeltaan vaihteleva jännite on varsinainen mielenkiinnon kohde ( signaali ), jonka sisältämän tiedon halutaan säilyvän sekoituksessa tapahtuvassa taajuuden muutoksessa. Ohjaava isompi jännite on sekoittimelle olennainen asia mutta tavallaan kuitenkin sivuroolissa. Kiinnostava signaali on yleensä sillä taajuudella millä joku sen lähettää ja millä siis voimme sen vastaanottaa - kuten esimerkiksi radiovastaanotossa. Sekoitintamme ohjaavan isomman jännitteen taajuuden valitsemme käytännössä sopivasti siirtämään sekoitustuloksen haluamallemme vakiotaajuudelle (taajuuskaistalle) jatkokäsittelyä varten - kuten ns. välitaajuudelle perinteisessä radiolaitteessa. Sekoituksen perustulokset ovat erotustaajuinen ja summataajuinen komponentti. Näistä tyypillisesti vain toista käytetään hyödyksi. Hyödyntäminen ja siihen liittyvä jatkoprosessointi voisivat alkaa kaistanpäästösuodattamalla ko. komponentti ensin eroon kaikesta muusta. Tässä laboratoriotyössä suodatus rajoittuu vain spektrikomponenttien erotteluun FFT- tai spektrinäytössä. Epälineaarisessa komponentissa syntyy helposti monenlaisia sekoitustuloksia. Ylimääräiset sekoitustulokset ovat yleensä lähinnä haitallisia. Kokeilupiirissä transistorin toimintapisteen valinta vaikuttaa omalta osaltaan sekoitusilmiöön ja sen tulosten voimakkuuksiin. 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 etenkin sekoitusvahvistus vakiona signaalin voimakkuutta muutettaessa. Kuten edellä jo mainittiin, niin signaalijännitteen suhteellinen amplitudi- ja vaihetieto (eli signaalissa oleva informaatio ) halutaan säilyttää sekoituksessa hyvänä vaikka taajuus muuttuukin operaatiossa. Yksi hyvän sekoittimen ominaisuus on, että sekoitin on lineaarinen signaalin tiedon säilymisen kannalta. 8
Tunnistakaa ja mitatkaa myös muutamia vahvimpia muita sekoitustuloksia kuin toivotut kaksi taajuuskomponenttia. (Tunnistamisessa voidaan käyttää apuna mm. signaalitaajuuden pieniä muutoksia ja niiden vaikutuksia ulostulosta havaittavaan spektriin.) 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? 3.3 Raportointi Tehkää mittauksista ja tutkimusten tuloksista tiivis mutta kuitenkin olennaiset asiat kattava kirjallinen raportti, jonka palautatte kahden viikon sisällä mittauksista MyCourses-järjestelmässä. Sisällyttäkää raporttiin myös omat pohdintanne ja johtopäätöksenne piirin toiminnasta ja käyttökelpoisuudesta. Liittäkää mukaan myös kopio esitehtävien vastauksista (laskuineen, perusteluineen tms.). Vinkkejä: Laadukkaan teknistieteellisen raportin sisältö tekee asiantuntijalle mahdolliseksi tutkimusten ja tulosten toiston asian tarkistamiseksi. Teknisissä raporteissa käytetään yleensä tekstin ohessa taulukoita, käyriä yms., joiden perusteella tuloksia on helppo tutkia kuten myös arvioida tehtyjen päätelmien pätevyyttä. Teknisen raportin johtopäätös on parhaimmillaan aina perusteltavissa esitetyllä numerotiedolla ja/tai pätevällä omalla tai luotettavasta lähteestä (lähdeviittaus tällöin mukaan) haetulla kriteerillä. Teknisen raportin kuvat palvelevat tarkoitusta, niihin viitataan tekstissä ja asian käsittelyssä eivätkä ne ole pelkkää erillistä kuvitusta. Laskelmia ja yhtälöitä käytetään tarvittaessa raportissa esityksen apuna (kuten olette nähneet mm. hyvissä oppikirjoissa). 9