ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ"

Ευδοκία Μελετόπουλος
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΙΙI ΤΟ ΙΠΟΛΙΚΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ 3.1 ιπολικό Τρανζίστορ Εισαγωγή: Αντικείµενο της εργαστηριακής άσκησης είναι η γνωριµία µε το διπολικό τρανζίστορ και η χρήση του στην υλοποίηση ενισχυτικών διατάξεων. Σε αυτή την άσκηση ο φοιτητής θα εξοικειωθεί µε την τοπολογία του ενισχυτή κοινού εκποµπού. Το διπολικό τρανζίστορ είναι ένα κυκλωµατικό στοιχείο τριών ακροδεκτών που δοµείτε από ένα ζεύγος PN επαφών συνδεδεµένων σε σειρά πλάτη µε πλάτη, είτε σε διάταξη PN-NP δηµιουργώντας το λεγόµενο PNP τρανζίστορ είτε σε διάταξη NP-PN δηµιουργώντας το NPN τρανζίστορ. Καλείτε διπολικό διότι από κοινού οπές και ηλεκτρόνια συµβάλλουν στα ρεύµατα που το διαρρέουν. Τα κυκλωµατικά σύµβολα των δύο τύπων του διπολικού τρανζίστορ δίδονται στο Σχήµα 3.1. Τα ονόµατα των τριών ακροδεκτών είναι: βάση (Β), εκποµπός (Ε) και συλλέκτης (C). Ο ακροδέκτης του εκποµπού σηµειώνεται µε το βέλος η φορά του οποίου προσδιορίζει και τον τύπο του τρανζίστορ. B E B C C E Σχήµα 3.1: α) Κυκλωµατικό σύµβολο PNP τρανζίστορ και β) NPN τρανζίστορ Υπάρχουν τρεις περιοχές λειτουργίας του διπολικού τρανζίστορ, η ενεργός περιοχή, η περιοχή του κόρου και η περιοχή της αποκοπής. α) Ενεργός Περιοχή: Για να λειτουργεί το τρανζίστορ στην ενεργό περιοχή θα πρέπει η επαφή βάσης-εκποµπού να είναι ανάστροφα πολωµένη ενώ η επαφή συλλέκτη-βάσης να είναι ορθά πολωµένη. Σε αυτή την περίπτωση το ρεύµα του συλλέκτη είναι πολύ κοντά στην τιµή του ρεύµατος του εκποµπού και πολλαπλάσιο του ρεύµατος στη βάση κατά την ποσότητα (β) που καλείται κέρδος ρεύµατος κοινού εκποµπού. Η ενεργός περιοχή είναι εκείνη που χρησιµοποιείται κατά την λειτουργία του τρανζίστορ σε ενισχυτικές διατάξεις. β) Περιοχή Κόρου: Για να λειτουργεί το τρανζίστορ στην περιοχή του κόρου θα πρέπει και οι δύο επαφές (εκποµπού-βάσης και συλλέκτη-βάσης) να είναι ορθά πολωµένες. Σε αυτή την περιοχή η αύξηση του ρεύµατος της βάσης δεν επιφέρει σηµαντικές αυξήσεις στο ρεύµα του συλλέκτη. γ) Περιοχή Αποκοπής: Το τρανζίστορ βρίσκεται στην περιοχή της αποκοπής όταν και οι δύο επαφές είναι ανάστροφα πολωµένες. Σε αυτή την περιοχή τα ρεύµατα όλων των ακροδεκτών 21

2 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής του τρανζίστορ είναι εξαιρετικά µικρά ώστε σε κάποιες περιπτώσεις να θεωρούνται αµελητέα Ο ενισχυτής κοινού εκποµπού: Η συνδεσµολογία του ενισχυτή κοινού εκποµπού δίδεται στο Σχήµα 3.2. Το διπολικό τρανζίστορ πρέπει να λειτουργεί στην ενεργό περιοχή µε κατάλληλη επιλογή των τιµών των τάσεων πόλωσης V CC και V I (DC συνιστώσα του σήµατος εισόδου) και των αντιστάσεων R C και R B. i C υ C υ Ι i B Σχήµα 3.2: Συνδεσµολογία ενισχυτή κοινού εκποµπού Το κέρδος τάσης του ενισχυτή είναι: υc rπ A υ = = g mr C υi rπ + R B όπου, g m =I C /V T η διαγωγιµότητα και r π =β/g m η αντίσταση εισόδου µικρού σήµατος Το ολοκληρωµένο CA3046: Το ολοκληρωµένο CA3046 αποτελείται από 5 ΝΡΝ διπολικά τρανζίστορ πυριτίου σε κοινό υπόστρωµα. Η τοπολογία των ακροδεκτών του παρουσιάζεται στο Σχήµα 3.3. ύο από τα τρανζίστορ (Q1 και Q2) είναι εσωτερικά διασυνδεδεµένα ώστε να σχηµατίζουν ένα διαφορικό ζεύγος. Το υπόστρωµα του ολοκληρωµένου (ακροδέκτης 13) πρέπει να συνδεθεί στο πιο αρνητικό δυναµικό του κυκλώµατος στο οποίο χρησιµοποιούνται τα τρανζίστορ. Για περισσότερες πληροφορίες ανατρέξτε στο εγχειρίδιο χρήσης/λειτουργίας του ολοκληρωµένου, που επισυνάπτετε στο τέλος του φυλλαδίου. Σχήµα 3.3: Το ολοκληρωµένο CA

3 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών 3.2 Σχεδίαση και προσοµοίωση στο PSPICE Σµήνος χαρακτηριστικών εξόδου διπολικού τρανζίστορ: Στο περιβάλλον σχεδίασης του OrCAD, σχεδιάστε τη συνδεσµολογία του διπολικού τρανζίστορ που δίδεται στο Σχήµα 3.4. Το σύµβολο του διπολικού τρανζίστορ υπάρχει στην PSPICE βιβλιοθήκη breakout.olb. V BE i B B i C C V CE E Σχήµα 3.4: Τοπολογία εξαγωγής χαρακτηριστικών διπολικού τρανζίστορ Προσοµοιώστε τη λειτουργία του κυκλώµατος εκτελώντας DC ανάλυση µε πρωτεύουσα παράµετρο την τάση V CE και δευτερεύουσα παράµετρο την τάση V BE. Σαρώστε την τάση V CE από 0V έως 12V µε βήµα 100mV και την V BE από 700mV έως 800mV µε βήµα 10mV και απεικονίστε το σµήνος των χαρακτηριστικών εξόδου (I C -V CE ) του τρανζίστορ. Κάντε χρήση της βιβλιοθήκης CA3046.lib Ο ενισχυτής κοινού εκποµπού: Στο περιβάλλον σχεδίασης του OrCAD, σχεδιάστε τη συνδεσµολογία του ενισχυτή κοινού εκποµπού που δίδεται στο Σχήµα 3.5. Χρησιµοποιήστε τάση V CC =12V και αντιστάσεις R B =10KΩ και R C =1KΩ. i C υ O υ Ι i B Σχήµα 3.5: Ο ενισχυτής κοινού εκποµπού 23

4 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής Α) Πραγµατοποιήστε DC ανάλυση µε παράµετρο την τάση υ I σαρώνοντάς την από 0V έως 12V και µε βήµα 10mV. Χρησιµοποιείστε πηγή ηµιτονικού σήµατος VSIN µε παράµετρο DC=0. Στο γραφικό περιβάλλον του PSPICE παρουσιάστε τη χαρακτηριστική µεταφοράς του ενισχυτή υ Ο = f(υ I ). Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική µεταφοράς στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί και προσδιορίστε την γραµµική περιοχή της. Από τη γραφική παράσταση προσδιορίστε το κέρδος τάσης Α υ του κυκλώµατος. Ποιο είναι το βέλτιστο σηµείο πόλωσης (V Iopt ) του ενισχυτή; Με αναφορά το σηµείο πόλωσης που υπολογίσατε, ποιο το µέγιστο πλάτος του σήµατος εισόδου (V i ) για λειτουργία στη γραµµική περιοχή; υ O (0, 0) Εύρος γραµµικής περιοχής: (υ I1, υ O1 ) = έως (υ I2, υ O2 ) = Α υ = V Iopt = V imax = υ I Β) Εκτελέστε ανάλυση στο πεδίο του χρόνου transient analysis χρησιµοποιώντας πηγή ηµιτονικού σήµατος µε DC offset ίσο µε την τάση V I του βέλτιστου σηµείου πόλωσης (υποερώτηµα Α), πλάτος V i =200mV και συχνότητα 1ΚHz (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε FREQ=1KHz, VAMPL=200mV και VOFF=V Iopt ). Απεικονίστε στο γραφικό περιβάλλον του PSPICE τις κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ Ι και του σήµατος εξόδου υ Ο. Υπολογίστε το κέρδος τάσης Α υ του κυκλώµατος. Μεταβάλλοντας το πλάτος του σήµατος εισόδου σε V i =1V καταγράψτε τι παρατηρείτε στην κυµατοµορφή του σήµατος εξόδου. Αιτιολογήστε την κυµατοµορφή που παρατηρείτε. Α υ = Παρατήρηση: 24

5 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών 3.3 Υλοποίηση στο εργαστήριο Ο ενισχυτής κοινού εκποµπού: Υλοποιήστε την συνδεσµολογία του ενισχυτή κοινού εκποµπού του Σχήµατος 3.6 στο breadboard του εργαστηρίου σύµφωνα µε της οδηγίες του Σχήµατος 3.7. Χρησιµοποιήστε το OK CA3046 και τρίµερ 10KΩ. i C τρίµερ 6 8 υ Ο υ Ι i B 7 13 Σχήµα 3.6: Ο ενισχυτής κοινού εκποµπού V CC 12V Gnd Τροφοδοτικό 8 Παλµογράφος 8 υ I υ Ο 10ΚΩ Τρίµµερ CA ΚΩ Gnd Γεννήτρια Συχνοτήτων υ I Σχήµα 3.7: Πειραµατική διάταξη ενισχυτή κοινού εκποµπού 25

6 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής Α) Αρχικά θέστε την τιµή της µεταβλητής αντίστασης (τρίµερ) περίπου ίση µε R C =1ΚΩ. Η αντίσταση R Β να επιλεγεί ίση µε R Β =10KΩ. ώστε στο κύκλωµα τροφοδοσία V CC =12V. Χρησιµοποιήστε στην είσοδο ηµιτονικό σήµα 400mV p-p (V i =200mV), µε DC συνιστώσα V I =1.2V και συχνότητα 1ΚHz. Στον παλµογράφο απεικονίστε της κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ Ι και του σήµατος εξόδου υ Ο. 1) Σχεδιάστε της κυµατοµορφές εισόδου-εξόδου στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί. 2) Μετρήστε την DC συνιστώσα V Ο και το πλάτος V ο του σήµατος στην έξοδο. 3) Υπολογίστε το κέρδος τάσης A υ του ενισχυτή. 4) Ποια η διαφορά φάσης εισόδου-εξόδου; V (0, 0) t V Ο = V o = A υ = ιαφορά φάσης = Β) Αυξήστε την τιµή V i του πλάτους του σήµατος εισόδου µέχρι τη µέγιστη τιµή για την οποία το σήµα στην έξοδο δεν παραµορφώνει. Ποια είναι αυτή η µέγιστη τιµή V imax του πλάτους εισόδου; Μετρήστε πάλι της τιµές V O και V o και υπολογίστε το κέρδος τάσης Α υ. Συγκρίνετε της νέες τιµές σε σχέση µε εκείνες του σκέλους (Α). V imax = V Ο = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση V o = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση A υ = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση 26

7 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών Γ) Επαναφέρετε την τιµή του πλάτους εισόδου στην αρχική τιµή, V i =200mV. Αυξήστε την τιµή της µεταβλητής αντίστασης R C µέχρι τη µέγιστη τιµή για την οποία το σήµα στην έξοδο δεν παραµορφώνει. Ποια η µέγιστη τιµή R Cmax της αντίστασης; Μετρήστε πάλι της τιµές V O και V o και υπολογίστε το κέρδος τάσης Α υ. Συγκρίνετε της νέες τιµές σε σχέση µε εκείνες του σκέλους (Α). R Cmax = V Ο = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση V o = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση A υ = Μεγαλύτερη / Μικρότερη / Ίση ) Για την προηγούµενη τιµή της R C (R Cmax ) αυξήστε την τιµή του πλάτους του σήµατος εισόδου έτσι ώστε V i =400mV. 1) Σχεδιάστε την κυµατοµορφή εξόδου στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί. 2) Σε ποια περιοχή λειτουργίας βρίσκεται το διπολικό τρανζίστορ στην µέγιστη και ελάχιστη τιµή του σήµατος εισόδου; V (0, 0) t υ Imax =V I + V i = 1.6V Περιοχή λειτουργίας BJT = υ Imin =V I V i = 0.8V Περιοχή λειτουργίας BJT = 27

8 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών - Μικροηλεκτρονικής E) Αυξήστε επιπρόσθετα την τιµή του πλάτους του σήµατος εισόδου έτσι ώστε V i =700mV. 3) Σχεδιάστε την κυµατοµορφή εξόδου στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί. 4) Σε ποια περιοχή λειτουργίας βρίσκεται το διπολικό τρανζίστορ στην µέγιστη και ελάχιστη τιµή του σήµατος εισόδου; V (0, 0) t υ Imax =V I + V i = 1.9V Περιοχή λειτουργίας BJT = υ Imin =V I V i = 0.5V Περιοχή λειτουργίας BJT = 28

Σχετικά έγγραφα

ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ

Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 4.1 MOS Τρανζίστορ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΙV ΤΟ MOS ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ 4.1.1 Εισαγωγή: Αντικείµενο της εργαστηριακής