UNIVESITY OF JYVÄSKYLÄ LABOATOY WOKS For analog electronics FYSE400 Loberg 2010 D E P A T M E N T O F P H Y S I C S
2 P a g e
3 P a g e
4 P a g e
Contents 1 Shortly about Multisim... 7 2 Ominaiskäyrästön mittaus... 8 2.1 CB-output characteristics of NPN-transistor 2N2222.... 8 2.2 CE-output characteristics of NPN-transistor 2N2222.... 9 2.3 Output characteristics of N channel MOSFET BS170... 10 2.4 Käytännön mittauskytkentä mosfetille... 11 2.5 Käytännön mittauskytkentä NPN-transistorille... 12 2.6 NPN-transistorin parametrien β0 ja βf määritys... 13 2.7 Transistorin tuloresistanssin r määritys... 16 2.8 Transistorin antoresistanssin ro määritys... 18 3 Biasointi... 18 4 Takaisinkytketty vahvistin... 19 5 P a g e
6 P a g e
1 Shortly about Multisim Alla olevassa kuvassa on esitetty simlointiohjelman käyttöliittymä, johon on merkitty muutamia oleellisia llisia kohtia, joita tarvitaan laboratoriotyön laboratoriotyön suoritsuorit tamiseen. Oikeanpuoleisessa pystypalkissa on mittauslaitteita, joita voi käyttää, kun haluaan suorittaa mittaukset, kuten oikeassakin tilanteessa tehdään, tehdään käyttämällä tämällä yleismittareita, oskilloskooppia ja signaaligeneraattoria. Simulaatio atio voidaan käynnistää yksinkertaisesti hiirellä klikkaamalla 0/10/1 kytkintä vasemmasta yläkulmasta. Simuloinnin pysäytys tapahtuu samoin. Simulaatio on pysäytettävä ennen kuin kytkennän parametrejä, kuten esimerkiksi vastuksen arvoa muutetaan. Varsinaisett analyysiin perustuvat simulaatiot hoidetaan ylimmästä vaakapalkista, kohdista SIMULATE/Analyze ja analyysi tyyppi, kuten DCDC sweep. Analyysiä varten kannatta kytkentään lisätä mittapäät (Measurement Probe)) oikenpuoleisen pystypalkin alimmasta kohdasta, niihin ihin kohtiin joiden jännitteet ja virrat kiinnostavat. Ohjelman käyttö on suositeltavaa, koska se helpottaa asioiden ymmärtämistä ja nopeuttaa laboratoriotöiden suorittamista koska työn suoritus vaiheesta jää pois hankaluudet joita väistämättä tulee eteen käytännön työskentelyssä. yssä. Kuten esimerkiksi kontakti häiriöt, virheistä johtuvat komponenttien rikkoontumiset sekä puuttuvat johtimet (ja sotkeentuvat) ja mittalaitteet (lainatut ( yleismittarit). Kokemuksen ja varmuuden lisääntyessä on sitten kyllä aikaa ja valmiuksia hypätä elektroniikan ihmeelliseen liseen ja aikaa vievään maailmaan. 7 Page
2 Ominaiskäyrästön mittaus 2.1 CB-output characteristics of NPN-transistor 2N2222. Mittaa npn-transistorin ominaiskäyrästö käyttämällä alla olevan kuvan, figure 1, mukaista kytkentää. Kuvaajan pystyakselilla tulee olla transis- torin kollektori virta IC, välillä 0-10mA, ja vaaka-akselilla on kollektorin ja kannan n välinen jännite VCB, välillä 0-10V. Figure 1. Ominaiskäyrästön mittaus yhteiskanta kytkennässä. Mittaustuloksen tulisi olla seuraavan kuvan, figure 2, mukainen käyrästö. Simulaatiosta valitaan Analyze ja sen alta DCsweep.. Ykkösmuuttujaksi valitaan VCB ja kakkosmuuttujaksi IE. Muuttujilla annetaan halutut rajat ja askeleet. Lisäksi valitaan mitattava parametri (Output parameter), joka tässä tapauksessa on kollectorivirta IC.. Jos kaikki tarvittava on valittu oikein, voidaan simulaatio käynnistää ja näytölle ilmestyy haluttu ominasikäyrästö. Pysty ja vaaka-akselien ala - ja ylärajoja voi joutua jonkin verran muokkaamaan. Figure 2. NPN-transistorin 2N2222 ominaiskäyrästö yhteiskanta kytkennässä. 8 P a g e
2.2 CE-output output characteristics of NPN-transistor NPN transistor 2N2222. Mittaa npn-transistorin transistorin ominaiskäyrästö käyttämällä alla olevan kuvan, figure 3, mukaista kytkentää. Kuvaajan pystyakselilla a tulee olla transistorin kollektori virta IC, välillä 0-25mA, ja vaaka-akselilla akselilla on kollektorin ja emitterin välinen jännite VCE, välillä 0-10V. Figure 3. Ominaiskäyrästön aiskäyrästön mittaus yhteisemitteri kytkennässä. Mittaustuloksen tulisi olla seuraavan seuraav kuvan, figure 4, mukainen käyrästö. Toimi, kuten edellisessäkin kohdassa, saadaksesi halutun ominaiskäyräsominaiskäyräs tön. Figure 4. NPN-transistorin transistorin 2N2222 ominaiskäyrästö yhteisemitteri y kytkennässä. 9 Page
2.3 Output characteristics of N channel MOSFET BS170 Mittaa fetin ominaiskäyrästö käyttämällä alla olevan kuvan, figure 5, mukaista kytkentää. Tässä mittauksessa on käytetty edellisistä poikkeavaa tapaa, koska ominaiskäyrät mitataan eri VGS jännitteillä. Kuvaajan pystyakselilla tulee olla virta ID, välillä 0-5mA, ja vaaka-akselilla on jännite VDS, välillä 0-10V. Figure 5. MOSFET:n BS170 ominaiskäyrästön n mittauskytkentä. Määritä fetin kynnysjännitteen arvo piirtämällä virta ID tulojännitteen VGS funktiona ( katso figure 6 ) tietyllä vakio jännitteellä VDS (esim VDS = 4V). Muista, että fetin tulee olla saturaatio alueella, eli. Oleta samalla, että 0. Figure 6. MOSFET:n BS170 kynnysjännitteen määritys. 10 P a g e
2.4 Käytännön mittauskytkentä mosfetille Figure 7. MOSFET:n BS170 ominaiskäyrästön mittaukseen sopiva kytkentä. Yllä olevassa kuvassa, figure 7, on esitetty yksinkertainen käytännön kytkentä, jonka avulla voidaan mitata fetin ominaiskäyrä halutulle VGSjännitteelle. Fetin hilajännitteen arvo valitaan säätämällä hiiren avulla kytkennässä olevan säätövastuksen 2 arvoa. Kun oskilloskoopin asetukset on valittu oikein (XY-mode ja mittauskanavien 1 ja 2 herkkyydet), voidaan simulaation aikana muutella hilajännitettä, ja oskilloskoopin kuvaruudulta nähdään heti hilajännitteen vaikutus virtaan ID. Alla olevassa kuvassa, figure 8, on annettu yksi esimerkki käyrä. Figure 8. MOSFET:n BS170 ominaiskäyrä oskilloskoopin ruudulta nähtynä, kun VGS = 3.2V. 11 P a g e
Potentiometrin 2 säätötarkkuutta voidaan muuttaa näpäyttämällä hiirellä kaksi kertaa potentiometrin kohdalla. Kun kytkennän vastus 1 pidetään riittävän pienenä, on mittavirhe jännitteissä VDS ja VGS häviävän pieni. Mittaa kaksi ominaiskäyrää sopivaksi katsomillasi hilajännitteillä Esitä ne samassa kuvaajassa. 2.5 Käytännön mittauskytkentä NPN-transistorille Figure 9. NPN-transistorin ominaiskäyrästön mittaukseen sopiva kytkentä. Alla olevassa kuvassa, figure 9, on esitetty perus kytkentä, jolla voidaan mitata NPN-transistorin ominaiskäyrän likiarvo halutulla kantavirralla IB. Potentiometrillä 5 säädetään kanta virtaa. Mittaa ominaiskäyrät kahdelle kantavirran arvolle : IB = 0.04mA ja 0.1mA. Esitä käyrät samassa kuvaajassa. Arvioi karkeasti lineaarisella toiminta-alueella ominaiskäyrän kulmakerroin, kun kollektorivirta IC on likimain 50mA. Kuvassa, figure 10, on annettu esimerkki, jossa oskilloskoopin kuvaruudulla nähdään ominaiskäyrä missä kantavirta on likimain 1mA. 12 P a g e
Figure 10. NPN-transistorin ominaiskäyrä, kun kantavirta IB on 1mA. 2.6 NPN-transistorin parametrien β0 ja βf määritys Figure 11. NPN-transistorin kollektorivirta IC kantavirran IB funktiona, kun kanta-emitterijännite VCEQ on vakio, saadaan määritettyä yksinkertaisella simulaatiolla. 13 P a g e
Seuraavassa kuvassa, figure 12, on esitetty käyrä, jossa nähdään simulaation tulos. Kantavirtaa on muutettu välillä 0-2mA. Kuvaajasta nähdään, että DC-virtavahvistus on kohtalaisen vakio pienillä kantavirroilla, pienentyen kantavirran noustessa ma alueelle. Figure 12. NPN-transistorin kollektorivirta IC kantavirran IB funktiona. Analyysistä saadun käyrän derivaatan avulla saadaan määritettyä transistorin β0 halutulla kantavirta-alueella ja tietylle jännitteelle VCEQ. Kuvan 12 mukaisen käyrän ollessa (Grapher View ikkunassa), voidaan samaan kuvaajaan lisätä käyrän derivaatta, josta saamme β0 :n. Seuraavan sivun kuvissa, figure 13 14, esitetty derivaatan kuvaaja laajahkolla kantavirta-alueella. 14 P a g e
Figure 13. NPN-transistorin β0 kantavirran funktiona, välillä 0-20µA. Figure 14. NPN-transistorin β0 kantavirran funktiona, välillä 0-2mA. 15 P a g e
Kuvassa, figure 15, on esitetty ohjelmasta näkymä, jossa on määritelty asetukset käyrän derivaatan laskemiseksi. Funktion deriv{ } muuttujaksi (variable) valitaan kollektorivirta IC eli tässä kuvan esimerkissä ( I{Probe1} ). Figure 15. NPN-transistorin β0 määritykseen käytetyt asetukset. 2.7 Transistorin tuloresistanssin r määritys Seuraavassa kuvassa, figure 16, on esitetty kanta-emitteri jännitteen arvo kantavirran IB funktiona, kun VCE on vakio. Tuloresistanssi voidaan määrittää piirtämällä kuvatun käyrän derivaatta simuloidulla kantavirta alueella. Kuvassa, figure 17, on annettu esimerkki tuloresistanssin riippuvuudesta itse kantavirran arvoon. Vertaa tuloresistanssin käyrästä saatua arvoa alla annetusta likiarvokaavasta saatuun tuloresistanssiin, kun kantavirran arvo välillä 25-27 µa. 26 16 P a g e
Figure 16. NPN-transistorin kanta-emitteri jännite kantavirran funktiona. Figure 17. NPN-transistorin tuloresistanssi, kantavirran funktiona. 17 P a g e
2.8 Transistorin antoresistanssin ro määritys Alla olevassa kuvassa, figure 18, on esitetty NPN-transistorin ominaiskäyrä yhdelle kantavirran arvolle. Samaan kuvaajaan on lisätty ominaiskäyrän derivaatta, jonka käänteisluvusta saadaan transistorin antoresistanssi ro, kuten alla olevassa kaavassa määritellään. 1 Figure 18. NPN-transistorin kollektorivirta IC, kantavirran IB ollessa vakio. Simulaatiossa käytetyn transistorin VA (Early voltage) voidaan määrittää edellisen kaavan ja simulaatiosta saadun antoresistanssin avulla. Anna VA:n arvo. 3 Biasointi Seuraavassa kuvassa, figure 19, on esitetty neljällä vastuksella toimintapisteeseen biasoitu NPN-transistori (2N2222A). Valmiiksi annettuja parametreja on asteen käyttöjännite 12V, emitteri vastus (1=470Ω) sekä kollektori virraksi ICQ halutaan 1mA. Lisäksi vastuksien 3 ja 4 rinnankytkentä tulisi olla suurin piirtein 9.1kΩ. Käytä transistorin DC-virtavahvistus kertoimena oletusarvoa 200. Transistorin kanta-emitteri jännite VCEQ tulisi olla 8V. Anna kaikki tarpeelliset transistorin lepotilan arvot, puuttuvat vastuksien arvot, sekä kytkennän kuluttama kokonaisteho ja virta. 18 P a g e
Figure 19. Biasoi transistorin kollektorivirta arvoon ICQ = 1mA ja VCEQ = 8V. 4 Takaisinkytketty vahvistin Seuraavan sivun kuvassa, figure 20, on esitetty kytkentä kaksi asteisesta takaisinkytketystä vahvistimesta, jonka topologia on tyyppiä series-shunt. Tee ensin molemmat asteet valmiiksi simulaattoriin ilman takaisinkytkentää, eli jätä C3 ja 10 pois aluksi. Määritä simulaattorin avulla lepotilan arvot molemmille asteille, kun kytkennän teholähteen jännite on Vcc = 20V. Kuinka suuri on tuloasteen (Q1) emitteri-jännitteen VENQ1 ja lähtöasteen (Q2) kollektori-jännitteen VCNQ2 välinen ero lepotilassa. Koska kytkennän piensignaali laskut on käyty (toivottavasti on) luennolla ja yksityiskohtaisemmin laskuharjoituksissa, emme käy niitä tämän monisteen puitteissa ollenkaan läpi, vaan annamme t-parametrien kaavat suoraan. Annetut kaavat kannattaa lukea ajatuksella, jotta mahdolliset virheet eivät siirry työselostukseen asti. Laske t-parametrien arvot (sekä AOL ja T) annetulle kytkennälle ja määritä niistä signaalin vahvistuskerroin AF takaisinkytketyssä tilassa. Määritä simuloimalla vahvistuskerroin AF ja vertaa sitä laskujen antamaan tulokseen. Mittaa lopuksi kytkennän antoresistanssi siten, että lisäät ulkoista kuormaa pienentämällä vastuksen 9 arvoa, kunnes antojännitteen amplitudi on 19 P a g e
pudonnut puoleen lähtötilanteesta. Alussa 9 on esimerkiksi 10MΩ ja lopussa 9 = o. Muista käyttää riittävän pientä tulosignaalin amplitudia, jotta antosignaali on puhdas sini-aalto koko alueella. Muuten tulos ei ole oikea. 4 12k 1 3.9k C2 360k C3 8 5 3.9k V2 20Vdc C4 C1 Q1 50uF 50uF Q2 50uF V1 100uF 1Vac 0Vdc 3 1.5k 2N2222A/ZTX 10 2 820 20k 7 45k 2N2222A/ZTX 6 820 9 10Meg C5 470uF 0 Figure 20. Takaisinkytketty series-shunt vahvistin. Tee viimeisenä käytännön mittaus, jossa määrität AF :n taajuuden funktiona. Lopuksi monisteeseen on listattu joukko kaavoja, joiden avulla voidaan laskea vahvistimen t-parametrit ja muut tarpeelliset arvot. t11 missä t 11 = ' O + 5 A F V + 5 + r ' s π1 O = 2 = 2 1+ β 01 O sekä A V = s + r 2 ( 1+ β 01) + ( 1 β ) π 1 2 + 01 20 P a g e
t21 t 21 = s + β 01 L1 ' π 1 + E + r ( 1 β ) 01 missä ' L 1 = 1 rπ 1 sekä E = 2 10 t12 missä t = g m 12 2 L2 ( ' ) = + L2 5 10 O t22 t 22 = β 01 L1 2 ' 1 + β 01 O + 2 10 + O 1 Loop gain T T = β g 01 L1 2 m2 L2 ' 1+ β01 O + 2 10 + O 21 P a g e
Open loop gain A OL = t + 11 t12t21 Closed loop gain AF A F AOL = 1 + T ** circuit file for profile: fys438lab Date/Time run: 12/21/00 03:19:46 (A) fys438lab2b-schematic1-fys438lab.dat (active) 50 Temperature: 27.0-0 -50-100 -150 100uHz 10mHz 1.0Hz 100Hz 10KHz 1.0MHz 100MHz VDB(9:2) Frequency A1:(125.893,27.596) A2:(10.798K,27.597) DIFF(A):(-10.672K,-472.234u) Date: December 21, 2000 Page 1 Time: 03:28:03 Tässä olivatkin sitten tämän syksyn pakolliset labrat. Seuraavat tehtävät ovatkin sitten vapaaehtoisia, jotka suosittelen tietenkin käymään läpi, kunhan niitä tähän putkahtelee. 22 P a g e
23 P a g e