Úloha 9

Impulzný emitorový sledovač

Postup merania v tejto úlohe ako aj spôsob určenia vstupného a výstupného odporu a spôsob návrhu vhodnej kapacity oddeľovacích kondenzátorov je obdobný ako v úlohe emitorový sledovač (F) , len tvar signálu, ktorým sa skúmajú vlastnosti zapojenia obvodu emitorového sledovača nemá harmonický priebeh ale má tvar obdĺžnikového impulzu. Z hľadiska postupnosti výkladu pre lepšiu zrozumiteľnosť textu by jeho čítanie možno malo predchádzať tomuto textu. (Bohužiaľ v praktiku nie je možné zabezpečiť pre všetkých poslucháčov rovnakú logickú postupnosť merania úloh - od jednoduchších k zložitejším.) 

Emitorový sledovač môže byť realizovaný pomocou jednoduchého obvodu s tranzistorom v zapojení so spoločným kolektorom (obrázok 1a). Základnou charakteristikou emitorového sledovača je napäťové zosilnenie A_u<=1, vysoký vstupný odpor a nízky výstupný odpor. Preto sa sledovač používa hlavne ako prevodník impedancii, napríklad medzi detektorom a káblom, pomocou ktorého sa impulzy transportujú do zosilňovača.

V tejto úlohe praktika sa skúmajú vlastnosti sledovača nepriamo - na základe vplyvu výstupného odporu sledovača na prenos impulzného signálu (pri rôznych pracovných podmienkach tranzistora, realizovaných rôznym spôsobom napájania bázy). Očakávame, že si meraním overíme nasledujúce skutočnosti:

• Ak má sledovač veľmi malý výstupný odpor tak amplitúda impulzov na jeho výstupe sa len málo mení pri rôzne veľkých záťažiach. (Sledovač má vlastnosti dobrého zdroja napätia.)

• Ak má pripojená záťaž kapacitný charakter (po pripojení ďalších častí aparatúry prostredníctvom kábla narastie montážna parazitná kapacita) dochádza vplyvom prechodového javu k nabíjaniu a vybíjaniu tejto kapacity, čo sa potom odrazí na tvare výstupného impulzu. Ak má však sledovač malý výstupný odpor tak tento prechodný jav zmeny náboja na kondenzátore bude rýchlejší a menej sa prejaví na tvare impulzu.

Obr. 1 a Zapojenie modifikácie číslo 1 emitorového sledovača s jednosmerným napájaním bázy tranzistora pomocou odporového deliča Rb1 - Rb2. (Kvôli zopakovaniu uvádzam, že použitý spôsob napájania (F) bázy tranzistora neumožňuje priame pripojenie generátora na vstup tranzistora (ale len cez oddeľovaci kondenzátor C1).

 

NAME Q2N3904

IB 5.40E-06

IC 7.72E-04

VBE 6.56E-01

VBC -9.79E+00

VCE 1.04E+01

bF= BETAD=1.43E+02

gm=GM= 2.95E-02

rp= RPI =5.59E+03

RX 1.00E+01

RO 1.09E+05

Cp=CBE 1.53E-11

Cm= CBC 1.61E-12

CJS 0.00E+00

b0=BETAAC 1.65E+02

CBX 0.00E+00

fT = FT 2.78E+08

Obr. 1 b V tabuľke je ilustrácia výpisu parametrov tranzistora zo simulovaného merania, v ktorom bol použitý vf náhradný obvodom tranzistora (F) s reálnymi frekvenčnými vlastnosťami - tranzitnou frekvenciou fT a kapacitami medzielektródových PN prechodov Cp, Cm ). Kapacity medzielektródových PN prechodov Cp, Cm   tranzistora však v emitorovom sledovači vplývajú na hornú hraničnú frekvenciu tranzistora omnoho menej ako v zapojení so spoločným emitorom.

Cieľom úlohy je overenie vplyvu jednosmerných pracovných podmienok tranzistora (F) v emitorovom sledovači na výstupný odpor (F) pri zosilňovaní (F) impulzného signálu (impulzov obdĺžnikového tvaru s krátkym trvaním čela a tyla). 

• Výsledkom pozorovania v tejto úlohe by malo byť určenie optimálneho spôsob napájania bázy (F) tranzistora pre tvarovo čo najvernejší prenos impulzov jednej, poprípade oboch polarít. Praktické výsledky kontróly vlastnosti zapojenia závisia aj od voľby amplitúdy a polarity vstupného signálu z generátora. Tranzistor má vlastnosti lineárneho prvku len pri malej amplitúde vstupného impulzu. Pri väčšich amplitúdach vstupných impulzov môže dochádzať k skresleniu linearity prenosu. Preto  aj dosiahnuté výsledky meraní sa môžu rozchádzať  z kontrolnými výpočtami na základe  linearizovaného modelu tranzistora.
  
• Ďalšou úlohou, súvisiacou s výstupným odporom sledovača, je overiť si vplyv kapacity výstupného  obvodu tranzistora na prenos tvaru impulzov a overiť si tiež vplyv záťaže R_L a R_vyst na amplitúdu a tvar výstupných impulzov. 
• Výsledkom tohto úsilia je nájsť pracovné podmienky (napájanie bázy), v ktorých bude vplyv emitorovej kapacity na tvar výstupného impulzu minimálny (resp. aj najhoršie podmienky, keď sa kapacita najviac prejaví) a tiež nájsť pracovné podmienky, v ktorých bude mať sledovač minimálny výstupný odpor. (Pri malom výstupnom odpore je malý rozdiel medzi amplitúdou impulzu na zaťaženom výstupe a na výstupe v stave naprázdno.)

1. deliča R_b1-R_b2 (obr. 1a); 

  Z hľadiska vhodnosti nastavenie potrebného predpätia pre pracovný bod v stave pokoja emitorového sledovača (F úloha sk) je najvhodnejšie typ zapojenia 1 - s napájaním bázy z deliča R_b1-R_b2 , ak je splnená podmienka, že prúd cez delič ja aspoň 5x väčší ako potrebný prúd bázy. 

2.  odporu R_b1 (obr. 3a); 

Z hľadiska dynamického rozsahu emitorového sledovača (lineárneho zosilnenia väčších amplitúd) je treba mať nastavený dostatočný jednosmerný prúd (F) cez tranzistor (čo pri konkrétnej voľbe súčiastok zapojenia spĺňa najlepšie zapojenie 2, aj keď možno mať k jeho dokonalosti výhrady, uvedené  v F úlohe sk). Pri veľmi malom pokojovom prúde cez sledovač môžu byť totiž s rôznou linearitou zosilňované kladné a záporné impulzy, predovšetkým väčšej amplitúdy. Preto by ste si pri meraní mali zvoliť aspoň 2 amplitúdy impulzu (napr. 0,3 V a 30mV) s rôznou polaritou impulzu  (je to dôležité v prípade napájania 1 a 2, v ktorých možno porovnávať namerané a vypočítané výstupné odpory - obr. 1d, obr. 1e, obr. 3b, obr. 4c). V snahe zmenšiť počet meraní v praktiku je pre každé meranie doporučená  jedna z polarít impulzu. 

3.  odporu R_b2 (obr. 4a);

Spôsob napájania 3 je ilustračný, nakoľko v stave pokoja je tranzistor prakticky nevodivý - zosilnenie je nelineárne a zapojenie je použiteľné len pre impulzy väčšej amplitúdy. Je však názorné na demonštrovanie vplyvu kapacity záťaže na predlženie impulzu (obr. 2b, obr. 4d). 

Obr. 1c. Amplitúdová frekvenčná charakteristika sledovača z obrázku 1a. (Prenos v dolnej časti frekvenčného pásma ohraničuje derivačný vstupný obvod s kondenzátorom Cv1=C1=50 nF, nakoľko v dôsledku voľby veľkej kapacity Cv2=C2=50mF je účasť výstupného obvodu s kondenzátorom Cv2  na filtrácii zanedbateľná. V hornej časti frekvenčného pásma nevidno ohraničenie prenosu nakoľko tranzistor má tranzitnú frekvenciu fT = 278MHz a charakteristika je meraná len po cca 100 MHz).

q 1. Napájanie bázy tranzistora cez delič R_b1-R_b2

Obr. 1d. Porovnanie tvaru impulzu obdĺžnikového tvaru na vstupe a výstupe sledovača, s pripojeným odporom záťaže RL . Výstupný impulz je rovnakej polarity ako vstupný. Napäťový zisk sledovača Au = Uout /U1<1. K zmene tvaru impulzu prakticky nedochádza jednak pre malý napäťový zisk a tiež preto, že medzielektródové kapacity PN prechodov Cp, Cm   nespôsobujú Millerov efekt. K predlženiu trvania čela výstupného impulzu prakticky nedochádza.

Obr. 1e. Porovnanie tvaru impulzu obdĺžnikového tvaru na vstupe a výstupe sledovača pri odpojenom odpore RL. V porovnaní s obrázkom 1d je výstupná amplitúda impulzu prakticky rovná vstupnej a napäťový zisk sledovača Au~Uout0/U1~1.

Na základe priebehu amplitúdovej frekvenčnej charakteristiky (F)sledovača z obrázku 1a, uvedenej na obrázku 1c vidno, že filtračný účinok časovej konštanty derivačného výstupného obvodu (s kondenzátorom C_v2=C₂) sa vďaka jeho vhodnej voľbe prakticky neprejavuje a že pre skúmanie prenosu krátkych mikrosekundových impulzov je aj vhodne zvolená kapacita vstupného oddeľovacieho kondenzátora C₁ ( Dolná hraničná frekvencia f_d~ 2 kHz je u oboch priebehov na obrázku 1c rovnaká.). 

Výsledky získané na základe amplitúdovo - frekvenčnej charakteristiky na obrázku 1c (interpretované na prenos tvaru obdĺžnikového impulzu (F)potvrdzuje obrázok 1d. Tvary vstupného a výstupného impulzu sa okrem amplitúdy (napäťový zisk A_u menší ako1)) prakticky neodlišujú. Ešte lepšia zhoda je na obrázku 1e pri odpojenom zaťažovacom rezistore R_L , keď vstupná amplitúda U_in ~ U_out0  je prakticky rovná výstupnej amplitúde naprázdno U_out0  (napäťový zisk A_u~1). 

Na základe odmeraných amplitúd impulzu z obrázkov 1d a 1e možno meraním určiť napäťový zisk sledovača A_u=U_out/U_in  (resp. napäťový zisk samotného tranzistora A_uT=U_out/U_b) a tiež jeho výstupný odpor R_vyst=[R_L(U_out0-U_out ]/U_out  (obdobným spôsobom ako v úlohe  SK(F). 
 
 

Obr.  2a  Modifikované zapojenie tranzistorového obvodu z obrázku 1a, s pripojenou emitorovou kapacitou záťaže CL = 150 pF. (Okrem tejto zmeny je totožné so zapojením na obrázku 1a.)

 
 

Obr. 2b. Porovnanie tvaru vstupného a výstupného impulzu sledovača z obrázku 2a pri kladnej polarite impulzu. Vplyvom kapacity CL=150pF došlo k predĺženiu tyla impulzu na výstupe. Jednosmerný pokojový prúd emitora je malý a preto proces ustálenia napätia na kondenzátore CL predlžuje zväčšený výstupný odpor Rvyst .

 
 

Obr. 2c. Porovnanie tvaru vstupného a výstupného impulzu sledovača z obrázku 2a pri zápornej polarite impulzu. Vplyv kapacity CL=150 pF sa nemôže prejaviť nakoľko nastavené jednosmerný prúd emitora nedovoľuje aby došlo k patričnému zvýšeniu amplitúdy emitorového impulzu. Impulz je nelineárne skreslený a došlo tiež k predĺženiu tyla impulzu na výstupe. Polarita impulzu spôsobuje pokles impulzného prúdu emitora.

 
 
 

u Vplyv zväčšenia kapacity emitora

Týmto experimentom sa snažíme si ozrejmiť možné dôsledky zväčšenia kapacity výstupu, ktorá môže nastať po neodbornom pripojení ´dalšej časti aparatúry, keď dôjde k  zváčšeniu montážnej kapacity. 

Vplyvom pripojenia kapacity záťaže C_L=150pF na emitor podľa obrázku 2a sa zmení tvar výstupného impulzu kladnej polarity podľa obrázku 2b. (Pri tranzistore NPN je na kolektore kladné napájacie napätie U_cc  a vstupný impulz kladnej polarity zvyšuje amplitúdu emitorového prúdu.) Markantné je predĺženie trvania tyla impulzu t_ta=2,2t  (kde t~R_vystC_L ) ako reakcia na pomalší priebeh prechodového javu vybíjania kondenzátora C_L cez málo vodivý tranzistor (reprezentovaný výstupným odporom R_vyst., resp. mohlo by sa tiež povedať aj, že je to dôsledok malého jednosmerného pokojového prúdu cez emitor v porovnaní s amplitúdou impulzu.) Pri tvarovaní čela impulzu sa zvyšuje amplitúda prúdu cez tranzistor a jeho výstupný odpor R_vyst  je zrejme dostatočne malý na to, aby sa prejavil na prechodovom jave nabíjania kondenzátora C_L. Pri takto volených pracovných podmienkach tranzistora je zrejme odlišný vnútorný odpor R_vyst pre rôzne polarity napäťového skoku, iný bude pri zvyšovaní a iný pri zmenšovaní emitorového prúdu. 
 
 

Na základe odmeraného aktívneho trvania tyla impulzu t_ta~2,2R_vystC_L  a známej kapacity C_L možno určiť výstupný odpor R_vyst  (použijeme ho len na porovnanie pri zhodnotení úlohy), ktorý zapríčiňuje predĺženie tyla impulzu. . 
 
 

Rvyst~tta/(2,2CL)

Pri vstupe impulzu opačnej polarity na obrázku 2c bude skreslenie tvaru impulzu väčšie. (Pri tranzistore NPN je na kolektore kladné napájacie napätie U_cc  a vstupný impulz zápornej polarity zmenšuje amplitúdu emitorového prúdu. Nedostatočná veľkosť jednosmerného pokojového prúdu tranzistora vedie k odrezaniu časti vstupnej amplitúdy impulzu a veľký výstupný odpor má za následok pomalé nabíjanie kondenzátora.) 
 
 

q  2. Napájanie bázy tranzistora cez rezistor R_b1

Obr.  3a   Zapojenie modifikácie číslo 2 emitorového sledovača s jednosmerným napájaním bázy tranzistora pomocou odporu Rb1 (F )

Obr. 3b. Porovnanie tvaru vstupného a výstupného impulzu sledovača z obrázku 2a pri kladnej polarite impulzu. Vplyvom kapacity CL=150pF prakticky nedošlo k predĺženiu tyla impulzu na výstupe takže výstupný odpor by mal byť malý. Pretože trvanie čela a tyla impulzu je približne rovnaké, znamená to, že výstupný odpor nebude závisieť od polarity impulzu a že jednosmerný pokojový prúd emitora je vhodne nastavený. O malom výstupnom odpore svedčí aj malý rozdiel medzi vstupnou a výstupnou amplitúdou impulzu na obrázku.

Obr. 3c. Porovnanie tvaru vstupného a výstupného impulzu sledovača z obrázku 2a pri zápornej polarite impulzu. Vplyv kapacity CL=150 F sa výrazne prejavuje na tvare výstupného impulzu. Jednosmerný pokojový prúd emitora je nedostatočne veľký pre impulzy zápornej polarity a preto dochádza podobne ako na obrázku 2c k obmedzeniu amplitúdy výstupného impulzu a k pomalému nabíjaniu kondenzátora CL. Pri opačnej zmene amplitúdy na konci impulzu prebieha prechodný jav rýchlejšie a k výraznému predlženiu trvanie tyla impulzu nedochádza.

Z porovnania impulzov na obrázku 1d a 3b, odmeraným pri rovnakom zaťažovacom odpore R_L vidno, že rozdiel medzi vstupnou amplitúdou U_in a výstupnou amplitúdou U_out .je menší, na obrázku 3b, takže aj výstupný odpor sledovača R_vyst  v tomto zapojení bude menši. Pre impulzy kladnej polarity má teda zapojenie na obrázku 3a lepšie vlastnosti ako zapojenie na obrázku 1a. Tento uzáver by mohol potvrdiť aj oscilogram so zapojenou emitorovou kapacitou. Nakoľko je prakticky rovnaký ako obrázok 3b z dôvodu šetrenia miesta ho neuvádzam. Skúste vykonať ešte jedno meranie výstupného odporu aj pri menšej amplitúde impulzu, napríklad pri U_in~50 mV, keď sú lepšie splnené podmienky, za ktorých možno ešte pokladať tranzistor za lineárny prvok (F). 

Pri (opačnej) zápornej polarite amplitúdy impulzu (obrázok 3c) bude vplyv kapacity C_L=150 pF na proces spomalenia reakcie sledovača podobný ako na obrázku 2c (keď je báza tranzistora napájaná z deliča R_b1-R_b2 a pracovné podmienky tranzistora pre zápornú polaritu impulzov sú nevhodne nastavené.) 
 
 

q 3. Napájanie bázy tranzistora cez rezistor R_b2

Na obrázku 4a je zapojenie obvodu s tranzistorom v zapojení SK - emitorového sledovača, v ktorom báza tranzistora je napájaná cez rezistor R_b2.Odmerané hodnoty jednosmerného napätia na báze U_B = 653 nV a na emitore U_E = 7 nV svedčia o tom, že tranzistor v pokojovom stave je prakticky v nevodivom stave (F ). (Pracovné podmienky tranzistora sú teda odlišné od zapojení na obrázku 1a a obrázku 3a, lebo pokojové prúdy cez tranzistor prakticky netečú a tranzistor je v nevodivom stave.)
 
 

Obr.  4a  Zapojenie modifikácie číslo 3 emitorového sledovača s jednosmerným napájaním bázy tranzistora pomocou odporu  Rb2  (Kvôli zopakovaniu uvádzam, že tento spôsob napájania (F ) bázy tranzistora nezabezpečuje nastavenie takých pokojových pracovných podmienok, pri ktorých by bol polovodičový PN prechod BE tranzistora vodivý.

Ako vyplýva z porovnania impulzov na obrázku 4b je tranzistor prakticky nevodivý a signál na jeho výstup prestupuje len vďaka kapacitným väzbám medzi jeho elektródami. Amplitúda impulzu U₁= 0,6 V je príliš malá na to aby uviedla tranzistor do aktívneho stavu. 
 

Obr. 4b. Porovnanie tvaru vstupného a výstupného impulzu sledovača z obrázku 4a bez kondenzátora CL=150pF. Pretože aplitúda vstupného impulzu je malá (U1< 0,6 V) a PN prechod BE tranzistora je nevodivý (jednosmerný pokojový prúd emitora netečie) dostane sa na výstup obvodu, vďaka kapacitám prechodov len skrátená časť signálu (ako cez derivačný článok CR (F)).

Pri zvýšení vstupnej amplitúdy na U₁=1,6V na obrázku 4c sa od určitej vstupnej amplitúdy impulzu začne pracovný bod tranzistora dostávať do aktívnej oblasti (F)) a na výstupe je pozorovateľný impulz. Jeho amplitúda je však zmenšená o napäťovú úroveň bariery PN prechodu diody báza emitor (U_BE=0,6 V), pokiaľ sa pracovný bod tranzistora nedostane do aktívneho stavu. 
 

Obr. 4c. Porovnanie tvaru vstupného a výstupného impulzu sledovača z obrázku 4a bez kondenzátora CL=150pF. Pretože aplitúda vstupného impulzu U1=1,6V je väčšia ako UBE=0,6V, tak hoci prechod BE je nevodivý (jednosmerný pokojový prúd emitora netečie) dostane sa na výstup obvodu časť amplitúdy impulzu prevyšujúca predpätie UBE = 0,6 V. (F)

Je zrejmé, že pri takýchto pracovných podmienkach, keď je tranzistor v stave nevodivom a potom sa pôsobením vstupného impulzu môže dostať do aktívneho stavu bude jeho ekvivalentný vnútorný odpor vysoký a vplyv pripojenia kapacity záťaže bude veľký, tak ako demonštruje obrázok 4d. 

Na základe odmeraného aktívneho trvania tyla impulzu t_ta~2,2R_vystC_L  a známej kapacity C_L určite výstupný odpor R_vyst , ktorý zapríčiňuje predĺženie tyla impulzu: 
 

Obr. 4d. Porovnanie tvaru vstupného a výstupného impulzu sledovača z obrázku 4a s pripojeným kondenzátorom CL = 150 pF. Pretože amplitúda vstupného impulzu U1=1,6V je väčšia ako barierové napätie UBE=0,6V, tak hoci je prechod BE je nevodivý (jednosmerný pokojový prúd emitora netečie) dostane sa na výstup obvodu časť amplitúdy impulzu prevyšujúca predpätie UBE=0,6V (F).) Pretože tranzistor sa pred vstupom impulzu nachádzal v nevodivom stave (s veľmi veľkým výstupným odporom) prebieha aj prechodový jav na kondenzátore CL pomalšie a impulz má predĺžené trvanie tyla výstupného impulzu. Priebeh impulzu (až na obmedzenú amplitúdu) má podobný tvar ako impulz na obrázku 2b. Dlhšie trvanie prechodového javu na obrázku 4d nasvedčuje, že v tomto prípade je výstupný odpor o niečo väčší, nakoľko tranzistor je v pokojovom stave nevodivý.

Porovnajte tiež výstupný odpor určený na základe obrázkov 2b a 4d a určite či sa odlišujú ? Porovnajte tiež tieto hodnoty výstupného odporu s hodnotou odmeranou na základe poklesu výstupnej amplitúdy pri zaťažení odporom R_L  (určeného na základe obrázkov 1d, 1e a 3b). 
 

Na záver :

Nezabudnite porovnať vypočítané hodnoty napäťového zisku A_u (resp. A_uT) a výstupného odporu R_vyst (len pre tie pracovné podmienky tranzistora pri ktorých má sledovač malý výstupný odpor R_vyst a má vyhovujúce podmienky s ohľadom na linearitu a výkon) s odmeranými hodnotami výstupného odporu. (Ak ste merali výstupný odpor pri rôznej amplitúde impulzov nezabudnite uviesť pri ktorej amplitúde je zhoda s vypočítanou hodnotou lepšia.). Určite tiež výstupný odpor v tých pracovných podmienkach tranzistora, keď sa maximálne uplatňuje vplyv kapacity C_L . 
 

Literatúra ( základná, v ktorej sú podrobnejšie uvedené potrebné vzťahy a pojmy.): 
 
 

	Dušan Kollár: Praktikum z elektroniky a automatizácie, skriptá MFFUK, 1991 - úloha:  9
	Dušan Kollár: Elektronika a automatizácia 1, skriptá MFFUK, 1990, str. str. 120 - 125.

 

[Návrat]