Měření na bipolárním tranzistoru Změřte a nakreslete čtyři výstupní charakteristiky I C = ( CE ) bipolárního tranzistoru PNP při vámi zvolených hodnotách I B Změřte a nakreslete dvě převodní charakteristiky I C = (I B ) při zvolených hodnotách CE 3 Ve zvoleném pracovním bodě určete graicko-početní metodou dierenciální h-parametry h e a h e Parametr h e porovnejte s katalogovým údajem 4 Zbývající h-parametry (h e, h e ) určete orientačně měřením v okolí zvoleného pracovního bodu tranzistor PNP, číslicové voltmetry, analogový a číslicový ampérmetr, přípravek s rezistory, posuvný rezistor 5 K napájení použijeme dva zdroje napětí, jeden pro obvod báze emitor a druhý pro obvod kolektor - emitor Do série se zdrojem I B zařadíme velký odpor (řádově stovky k ), abychom vytvořili zdroj proudu (vysvětlete!) Do obvodu kolektoru zařadíme zatěžovací odpor 5 Výstupní charakteristiky I C = ( CE ) se měří při konstantním I B Všechny výstupní charakteristiky vycházejí z jediné saturační přímky; je nutno volit měřené body tak, aby se dala zakreslit i její poloha a přechod (ohyb), na který navazuje téměř lineární část každé charakteristiky Při měření nastavíme vždy konstantní I B a poté proměříme celou charakteristiku; I B se již nesmí měnit Převodní charakteristiky I C = (I B ) měříme při konstantním CE Toto napětí je třeba při každém měření znovu nastavit změnou napětí zdroje, protože při změně I B se mění I C, tudíž i úbytek napětí na zatěžovacím odporu, a při konstantním napětí zdroje by se změnilo i CE 3 Parametr h e (výstupní dierenciální vodivost) vypočítáme graicko-početní metodou: na tečně IC ve zvoleném pracovním bodě výstupní charakteristiky určíme I C a CE ; spočítáme he CE IC Podobně určíme h e (proudové zesílení): he IB 4 Zbývající h-parametry určíme tak, že rozladíme okolí pracovního bodu na obě strany a zjistíme příslušné rozdíly sledovaných veličin Např při zjišťování h e nastavíme konstantní CE a I B Pak změníme I B o malou hodnotu postupně na obě strany na I B a I B jejich rozdíl je I B ), přičemž se změní BE z BE na BE jejich rozdíl je BE ) Napětí CE musíme nastavit v obou případech na BE zvolenou hodnotu Parametr h e (vstupní dierenciální odpor) je he IB BE Podobně určíme h e (zpětný napěťový přenos he ) Zde může být obtížně měřitelný rozdíl BE, protože BE se při změně CE (a konstantním I B ) téměř nemění Vzor tabulky: CE I B = CE (V) I C (ma) CE = I B ( A) I C (ma)
Měření na unipolárním tranzistoru Změřte a nakreslete výstupní charakteristiky I D = ( DS ) unipolárního tranzistoru MOSFET typu N s vodivým kanálem v zapojení SS (se společným sourcem) Změřte charakteristiku při GS = a po dvou charakteristikách při kladném a záporném řídícím napětí GS Vyznačte všechny oblasti pracovních režimů (obohacený, ochuzený, odporový, nasycení) Změřte a nakreslete převodní charakteristiku I D = ( GS ) při vámi zvoleném napětí DS Ve zvoleném pracovním bodě určete graicko-početní metodou parametr y Výsledek porovnejte s katalogovým údajem 3 Zobrazte na osciloskopu výstupní charakteristiky Stáhněte je ve ormátu obrázku tranzistor KF 5, číslicové voltmetry, analogový ampérmetr, posuvný rezistor 5, usměrňovač, generátor, osciloskop Tranzistor KF 5 je MOSFET typu N s vodivým (zabudovaným) kanálem To znamená, že ho lze řídit napětím GS obou polarit Je-li GS >, pracuje v obohaceném režimu a saturační proud je větší než při GS =, je-li GS <, pracuje v ochuzeném režimu a saturační proud je menší Tranzistor je opatřen ochranným odporem mezi G a S, aby se nezničil náhodným statickým nábojem K měření použijeme dvojitý zdroj napětí Mezi G a S přivádíme z prvního zdroje řídící napětí GS, z druhého zdroje napájíme výstupní obvod (přes zatěžovací rezistor) Nastavíme GS = a měříme první výstupní charakteristiku I D = ( DS ) Další charakteristiky změříme při dvou kladných (obohacený režim) a dvou záporných (ochuzený režim) konstantních napětích GS Na každé křivce lze nalézt část, kdy proud narůstá s napětím přibližně lineárně (odporový režim) a část, kdy se proud s rostoucím napětím již téměř nezvyšuje (saturace neboli nasycení) Meze měření volíme tak, abychom nepřekročili mezní parametry tranzistoru ( DS, I D, P) Převodní charakteristiku změříme tak, že měníme postupně GS od záporných do kladných hodnot, přičemž měříme I D a napětí zdroje výstupního obvodu nastavujeme tak, abychom měli vždy konstantní (zvolené) napětí DS Charakteristiku je nutno nakreslit přes dva kvadranty, protože řídící napětí nabývá obou polarit Parametr y zjistíme graicko-početní metodou Na tečně v pracovním ID bodě určíme I D a GS a vypočítáme y GS 3 Na řídící vstup tranzistoru G přivádíme konstantní napětí GS Výstupní obvod D-S napájíme ze střídavého zdroje (generátoru) a usměrňovače, aby napětí DS pulsovalo Osciloskopem v režimu XY snímáme napětí DS a proud I D (jako úbytek napětí na zatěžovacím odporu) Průběhy zaznamenáme (unkce ATOSTOE) Zobrazené charakteristiky stáhneme do PC pomocí doplňku Excelu nebo programu IntuiLink Obrázek doplníme cejchováním os Vzor tabulky: GS = DS (V) I D (ma) DS = GS (V) I D (ma)
Měření na integračním C článku Změřte útlumovou a ázovou charakteristiku integračního C článku Graicky znázorněte změřené a teoreticky spočítané závislosti útlumu A dbm (db), A db (db) a ázového posuvu m ( ), ( ) obou článků na rekvenci (Hz) v semilogaritmických souřadnicích Naměřenou a teoretickou závislost nakreslete vždy do jednoho grau rčete graicky i početně mezní kmitočet Proveďte také detailní odvození vzorců pro teoretický výpočet přípravek s a C, generátor, osciloskop Útlumová charakteristika je závislost útlumu AdB log A log Fázová charakteristika je závislost ázového posuvu Osa rekvence je vždy logaritmická na rekvenci mezi vstupním a výstupním napětím na rekvenci Měření provádíme asi dvě dekády na obě strany od mezní rekvence, kterou si nejprve spočítáme ze změřených hodnot a C ( ) V každé dekádě provádíme asi 5 měření C ( 3 5 7) o Útlum se spočítá podle deiničního vztahu z hodnot vstupního a výstupního napětí článku, měřených digitálním osciloskopem (unkce MEASE, eektivní hodnota MS) o Fázový posuv měříme na osciloskopu pomocí kurzorů; dáváme přitom pozor na jeho znaménko zde je zpožděno za, ázový posuv je záporný (ázor v reálné ose, ve 4 kvadrantu) Teoretický výpočet útlumu a ázového posuvu provedeme z komplexního přenosu článku, z něhož určíme modul přenosu A (absolutní hodnotu A ) a tg jako poměr imaginární a reálné části A Z j C Přenos integračního článku A Zavedením mezní rekvence pak Z Z j C j C A Z toho modul A j o Útlum A log A log log db Im( A) o Fázový posuv arctg arctg arctg arctg e( A ) Záhlaví tabulky: = C = nf = ms = Hz (Hz) (V) (V) A m (db) m ( ) A (db) ( )
Měření na derivačním C článku Změřte útlumovou a ázovou charakteristiku derivačního C článku Graicky znázorněte změřené a teoreticky spočítané závislosti útlumu A dbm (db), A db (db) a ázového posuvu m ( ), ( ) obou článků na rekvenci (Hz) v semilogaritmických souřadnicích rčete graicky i početně mezní kmitočet Proveďte také detailní odvození vzorců pro teoretický výpočet přípravek s a C, generátor, osciloskop Útlumová charakteristika je závislost útlumu AdB log A log Fázová charakteristika je závislost ázového posuvu Osa rekvence je vždy logaritmická na rekvenci mezi vstupním a výstupním napětím na rekvenci Měření provádíme asi dvě dekády na obě strany od mezní rekvence, kterou si nejprve spočítáme ze změřených hodnot a C ( C ) V rozmezí každé dekády provádíme asi 5 měření o Útlum se spočítá podle deiničního vztahu z hodnot vstupního a výstupního napětí článku, měřených digitálním osciloskopem (unkce MEASE, eektivní hodnota MS) o Fázový posuv měříme na osciloskopu pomocí kurzorů; dáváme přitom pozor na jeho znaménko - zde předbíhá před, ázový posuv je kladný (ázor v reálné ose, v kvadrantu) Teoretický výpočet útlumu a ázového posuvu provedeme z komplexního přenosu článku, z něhož určíme modul přenosu A (absolutní hodnotu A ) a tg jako poměr imaginární a reálné části A Z j C Přenos derivačního článku A Zavedením mezní rekvence pak Z Z j C j C A o Útlum j Z toho modul A j A db log A log log log Im( A ) o Fázový posuv arctg arctg arctg e( A ) Záhlaví tabulky: = C = nf = ms = Hz (Hz) (V) (V) A m (db) m ( ) A (db) ( )
Měření na Wienově článku Změřte útlumovou a ázovou charakteristiku Wienova článku ( = =, C = C = C) Graicky znázorněte změřené a teoreticky spočítané závislosti útlumu A db (db), A dbm (db) a ázového posuvu m ( ), ( ) článků na poměrném rozladění F (-) Do protokolu uveďte také odvození vzorců pro teoretický výpočet přípravek s a C, generátor, osciloskop Útlumovou charakteristiku Wienova článku je výhodné uvádět jako závislost útlumu AdB log A log na poměrném rozladění F (osa F je lineární) Fázovou charakteristiku pak obdobně jako závislost ázového posuvu poměrném rozladění mezi vstupním a výstupním napětím na Měření provádíme asi dvě dekády na obě strany od mezní rekvence, kterou si nejprve spočítáme ze změřených hodnot a C ( C ) V rozmezí každé dekády provádíme asi 5 měření o Útlum se spočítá podle deiničního vztahu z hodnot vstupního a výstupního napětí článku, měřených digitálním osciloskopem (unkce MEASE, eektivní hodnota MS) o Fázový posuv měříme na osciloskopu pomocí kurzorů; dáváme přitom pozor na jeho znaménko Teoretický výpočet útlumu a ázového posuvu provedeme z komplexního přenosu článku, z něhož určíme modul přenosu A (absolutní hodnotu A ) a tg jako poměr imaginární a reálné části A j C Z Přenos Wienova článku A (vyzkoušejte si Z Z j C 3 j C j C j C postup výpočtu!) Dosazením mezní rekvence a zavedením poměrného rozladění F C dostaneme A 3 j Z toho modul A 3 jf o Útlum AdB log A log log(9 F ) 9 F F o Fázový posuv Im( A ) arctg arctg 9 F F arctg e( A 3 ) 3 9 F 9 F Záhlaví tabulky: = C = nf = s = Hz (Hz) F (-) (V) (V) A m (db) m ( ) A (db) ( )
Měření na operačních zesilovačích I Proveďte následující měření na operačním zesilovači (OZ) 458: Zapojte invertující zesilovač Pro A =, = k navrhněte velikost odporu Zapojte obvod, změřte a nakreslete převodní charakteristiku = ( ) pro obě polarity vstupního napětí až do saturace rčete vstupní odpor Pro neinvertující zesilovač a = k, = k určete A Zapojte obvod, změřte a nakreslete převodní charakteristiku = ( ) pro obě polarity vstupního napětí až do saturace Jaký je vstupní odpor? 3 Změřte vstupní klidové proudy I + - IB a I IB a proudovou nesymetrii vstupů I IO (za předpokladu vykompenzované napěťové nesymetrie) Výsledky porovnejte s katalogovými hodnotami 4 Změřte vstupní napěťovou nesymetrii IO Výsledek porovnejte s katalogovou hodnotou OZ 458; sada rezistorů; digitální voltmetry Nezapomeneme na správné napájení OZ z dvojitého zdroje napětí, střed zdroje se vždy spojí se zemí Napěťový přenos OZ v invertujícím i neinvertujícím zapojení určíme za zjednodušujících předpokladů: OZ má nekonečně velký vstupní odpor, takže do jeho vstupů neteče proud; mezi oběma vstupy + a je nulové napětí Platí I = -I ; dále: invertující vstup má proti zemi nulové napětí I (virtuální zem) Napěťový přenos A I Vstupní odpor je roven, což může být nevýhoda (kdy?) Převodní charakteristika = ( ) je lineární až do saturace pak dál již neroste Spočítáme napěťový přenos A za stejných předpokladů (proč je na odporu napětí?) Vstupní odpor je velmi veliký a odpovídá vstupu OZ 3 Vstupní klidové proudy I + - IB a I IB jsou proudy, které tečou do vstupů OZ rčíme je pomocí úbytku napětí na zpětnovazebním odporu v zapojení podle obrázků (napište vzorce) Nejsou-li oba proudy přesně stejné (to by byl poloideální OZ), vzniká vstupní proudová nesymetrie V zapojení podle obr vpravo platí = (I - IB - I + IB ) = I IO Nesymetrii změřenou tímto způsobem kontrolujte výpočtem z měření I + IB a I - IB 4 Vstupní napěťová nesymetrie je hodnota rozdílového napětí, které musíme přivést na vstup OZ, aby se na výstupu objevilo nulové napětí Naopak při nulovém rozdílovém napětí mezi vstupy je na výstupu určité napětí, čehož využijeme při měření V zapojení podle obrázku jsou vykompenzovány vstupní klidové proudy (jak?), takže předpokládáme nulové vstupní rozdílové napětí Při něm se vlivem nesymetrie objeví na výstupu napětí Pak IO A, přičemž A (volíme např = )
Měření na operačních zesilovačích II Úkol Proveďte následující měření na operačním zesilovači (OZ) 458: Zapojte invertující zesilovač s = k ; navrhněte velikost odporu tak, aby A = Zapojte obvod, změřte zesílení střídavým signálem a ověřte, že výstupní napětí je ázově posunuto o 8º Změřte a nakreslete převodní charakteristiku Sejměte časové průběhy obou napětí Zapojte neinvertující zesilovač s = k a = k Vypočítejte A Střídavým signálem ověřte, že výstupní napětí je ve ázi se vstupním Změřte a nakreslete převodní charakteristiku Sejměte obrázek 3 rčete dobu ustálení výstupního napětí t a rychlost přeběhu výstupního napětí S při skokové změně vstupního napětí Sejměte obrázek s označenými veličinami 4 Změřte a nakreslete v zapojení podle bodu rekvenční charakteristiky A db = () a = () Z charakteristiky zisku určete mezní rekvenci m OZ 458, sada rezistorů, generátor, osciloskop, PC Napěťový přenos OZ určíme za zjednodušujících předpokladů: OZ má nekonečně velký vstupní odpor, takže do jeho vstupů neteče proud; mezi oběma vstupy + a je nulové napětí Měření podle bodu a provedeme při nízké rekvenci, např khz Pro invertující zapojení platí I = -I (proudy jsou střídavé, jde proto o ázory proudů) I Napěťový přenos A Znaménko značí, I že výstupní napětí je v protiázi ke vstupnímu Spočítáme podle požadavku zadání Převodní charakteristika = ( ) je lineární až do saturace Výstupní napětí se pak začne ořezávat Stáhneme do PC obrázek monitoru osciloskopu a uložíme ho Spočítáme napěťový přenos A za stejných předpokladů (proč je na odporu napětí a proč je výstupní napětí ve ázi se vstupním?) Sejmeme obrázek 3 Doba ustálení t je doba mezi a 9% doby od skokové změny na vstupu do dosažení ustálené Δu hodnoty na výstupu ychlost přeběhu výstupního napětí je poměr S (uvádí se ve V/ s), kde Δt u je změna napětí za t Měření provedeme tak, že na vstup OZ přivedeme obdélníkový signál o přiměřené rekvenci, zobrazíme časový průběh výstupního napětí patřičně roztažený časovou lupou, umístíme kurzory na potřebné pozice Obrázek sejmeme pro kladnou a zápornou změnu vstupního napětí a průběh vyhodnotíme na základě uvedených deinic 4 Frekvenční charakteristiky měříme obvyklým způsobem Při konstantním napětí na vstupu začne výstupní napětí klesat až od určité vyšší rekvence Podobné je to s ázovým posuvem výstupu oproti vstupu Mezní rekvence je rekvence, při které poklesne zesílení o 3 db oproti zesílení střídavého signálu nízké rekvence Mezní rekvence závisí na zapojení (Jak spočítáme napětí odpovídající snížení úrovně o 3 db od výchozí hodnoty?)
Měření na operačních zesilovačích III Proveďte následující měření na operačním zesilovači (OZ) 458: Vytvořte z OZ zdroj proudu řízený vstupním napětím Použijte = k, nastavte I = 3 ma a ověřte, do jak velké hodnoty zatěžovacího odporu z bude proud skutečně konstantní Porovnejte s teoretickým výpočtem Vytvořte z OZ komparátor Ověřte jeho odezvu při různých hodnotách reerenčního napětí re včetně nuly Na osciloskopu zobrazte převodní charakteristiku komparátoru u = (u ), obrázek sejměte, vytiskněte a označte hodnoty saturačních napětí 3 Doplňte komparátor hysterezí Zjistěte vliv poměru odporů / na hysterezi Zobrazte, sejměte a vytiskněte převodní charakteristiky pro dvě různé hodnoty hystereze Porovnejte s vypočtenou hodnotou 4 Vytvořte zapojení astabilního klopného obvodu (KO) podle obr 4 Zobrazte osciloskopem, sejměte a vytiskněte časové průběhy napětí na výstupu OZ a na časovacím kondenzátoru Z obrázku určete periodu napětí Porovnejte ji se spočítanou teoretickou hodnotou periody KO OZ 458, generátor, osciloskop, PC, voltmetr, ampérmetr, sada a C Na odporu je konstantní napětí (proč?) Zátěží z teče stejný proud jako odporem Součet úbytků napětí na a z může být roven maximálně saturačnímu napětí OZ (Jak velký může nejvýše být z, aby proud nezačal klesat?) Pokud je mezi oběma vstupy OZ (vnucené) nenulové napětí, výstupní napětí OZ nabývá pouze dvou hodnot kladné a záporné odpovídající nasycení (saturaci) obou vnitřních zesilovačů Komparátor porovnává dvě napětí vstupní a reerenční komparátoru bez hystereze se mění výstupní napětí ze záporné na kladnou hodnotu saturačního napětí OZ při poklesu vstupního napětí pod hodnotu reerenčního a naopak ychlost změny závisí na vlastnostech OZ Přepneme osciloskop do režimu XY (v horizontálním menu), zobrazíme převodní charakteristiku u = (u ) a sejmeme obrázek monitoru rčíme z něj saturační napětí obou polarit 3 Hystereze se dosáhne kladnou zpětnou vazbou a zvyšuje se tak i stabilita komparátoru při pomalých změnách vstupního napětí (při překlápění by mohlo vznikat zakmitání obvodu) K překlopení dochází poté, co poklesne či převýší vstupní napětí součet reerenčního napětí s úbytkem napětí na odporu Tento úbytek však závisí na tom, je-li před překlopením na výstupu kladné nebo záporné saturační napětí Proto vzniká hystereze o velikosti na obě strany od překlápěcí úrovně re (odvoďte!) Obrázek monitoru opět sejmeme a vyhodnotíme 4 Astabilní KO se překlápí podobně jako komparátor po poklesu či převýšení napětí na C (invertující vstup) oproti neinvertujícímu vstupu, na kterém je část výstupního napětí (napěťový dělič, ) Kondenzátor se střídavě přebíjí vlivem kladného či záporného výstupního napětí přes odpor 3 (exponenciálně s časovou konstantou = 3 C) Lze odvodit dobu půlkmitu (půlperiody) výstupního obdélníkového napětí T t ln (je-li stejně velké kladné a záporné saturační napětí) Sejmeme časové průběhy u a u C, pomocí kurzorů změříme T a porovnáme s vypočtenou hodnotou