6.071 Lab 3 - Transistores

Transcrição

1 1 Pré-laboratório, Semana Lab 3 - Transistores 8 de abril de 2002 Por favor, leia integralmente o laboratório antes de ir à sessão de laboratório. Este laboratório se baseia no laboratório 2. Fizemos todos os esforços para explicar como fazer as partes pertinentes do laboratório 2 o mais rápido possível. Contudo, se você não tiver completado o laboratório 2, este laboratório levará um tempo significativamente maior para ser terminado, e você pode precisar de aulas de reforço além das sessões de laboratório normais. 1.1 Fonte da Corrente Calcule I saída como uma função de V entrada (a função de transferência) para este circuito: Aqui você pode usar o modelo 0,6V simples coberto na aula (assuma que o coletor do transistor está em uma tensão alta o suficiente para estar na região linear. Assuma que V BE = 0,6V, ß = ). Na verdade, você provavelmente não conseguirá encontrar uma solução de forma fechada se usar o modelo exponencial exato. 1.2 Estágio de ganho Agora, usaremos isto como o estágio de ganho. Novamente usando o modelo 0,6V, dê Vsaída como uma função de V entrada para este circuito: 1

2 Mais uma vez, assuma que os valores do resistor são escolhidos de modo que o coletor esteja em uma tensão alta o suficiente para que o transistor não esteja na região linear. Você pode reutilizar a maior parte do trabalho da parte anterior. O que acontece com o ganho quando R 1 0? Isso parece fisicamente possível? Qual é o problema aqui? (Dica: compare com o "ganho" na parte anterior). 1.3 Buffer Estamos tentando estabelecer uma tensão de viés ao longo de uma carga R carga desconhecida em um circuito. Tentaremos duas configurações para isso: carga carga Divisor de tensão Divisor de tensão com buffer Deixe ß = 200, V BE = 0,6V e os valores do resistor serem escolhidos de modo que, sem carga, V carga = 5V. Com R carga = 1kO, quanta corrente estará atravessando a carga? De onde virá essa corrente? Qualitativamente, qual impacto isso causará sobre a saída de tensão pelo divisor de tensão? 2

3 Com o transistor do buffer, quanta corrente estará atravessando a carga? Quanta corrente adicional isso puxará do divisor de tensão? Em comparação, que impacto isso causará sobre o divisor de tensão? 3

4 2 Pré-laboratório, Semana 2 É absolutamente crítico que você leia a parte do laboratório antes de entrar no laboratório. Sem tê-la lido, você teria muitos problemas para concluí-lo. 2.1 Par Diferencial Iremos caracterizar o comportamento de grandes sinais de um par diferencial. Novamente, assuma que os coletores estão em uma tensão grande o suficiente para o transistor estar na região linear. Pegue este circuito: saída1 saída2 entrada1 int entrada2 bias (residual/diferencial) Comportamento de equilíbrio Deixe V entrada1 = 0V e V entrada2 = 0V. O que é V int? Quais são I saída1 e I saída2? (Use o modelo 0,6V) Comportamento de limite Deixe V entrada1 = 0V and V entrada2 = 5V. O que é V int? Quais são I saída1 e I saída2? (Use o modelo 0,6V) Ganho Agora, iremos calcular o ganho ao redor de V entrada1 = V entrada2. Aqui, o simples modelo 0,6V nos daria ganho infinito, de modo que precisamos usar ou um modelo de pequenos sinais ou o modelo exponencial exato. Aplique uma pequena tensão positiva em V entrada1 e uma tensão igual, mas negativa, a V entrada2. Argumente que, por linearidade, V int não irá se alterar. Se você conhecer o modelo de pequenos sinais: Ajuste o modelo de pequenos sinais. A corrente deve cair de modo relativamente fácil. Se você não conhecer o modelo de pequenos sinais: Dada a seguinte relação para o transistor: Coloque as variáveis adequadas para V B e V E e tire a derivada em relação a 4

5 3 Laboratório 3.1 Introduzindo o transistor Nesta seção, iremos caracterizar as propriedades de um transistor na região linear. Conectaremos uma tensão através da junção base-emissor e mediremos a corrente de saída: saída entrada Gerador de função Idéia Implantação Usaremos o gerador de função para aplicar uma tensão à junção base-emissor. Para medir a corrente de saída, podemos usar o multímetro digital no modo amperímetro ou conectar um resistor através da saída. Faremos isso mais tarde. Como a junção base-emissor age como um diodo, ele irá explodir se aplicarmos mais do que cerca de 0,6V nela. Para protegê-la, colocaremos um resistor de 10K em série com a base. Conecte o circuito. Plote a corrente de saída como uma função da tensão de entrada na plotagem abaixo: Dica: Pode ajudar usar seu escopo no modo X-Y. Meça V BE com uma sonda, e V C com a outra. (V DD V C )=1KO dará a corrente de saída. A corrente de saída pode ser aproximada como I saída = (isso irá variar significativamente de transistor para transistor).. Estime I saída para seu transistor 5

6 3.2 Um amplificador básico Nesta seção, construiremos um amplificador de transistor básico. Primeiro, construiremos a fonte de corrente controlada por tensão a partir do pré-laboratório: Agora, para medir a corrente de saída, colocaremos um resistor a partir da saída para fazer o aterramento: Usando o modelo 0,6 model, qual é a função de transferência deste circuito qualquer offset?, omitindo Agora, meça o ganho e o offset do circuito ao redor de V entrada = 1V. Como o ganho se compara com o valor calculado? Não desmonte seu circuito. Usaremos isso na próxima parte. 3.3 Um buffer Iremos simular uma carga ao colocar um resistor a partir da saída para aterramento: Meça e registre o quanto o ganho do circuito se altera em relação à parte anterior. 6

7 Agora, adicionaremos um amortecedor na saída: Meça o ganho novamente. Coloque uma carga de 10k na saída. Quanto muda a saída? 7

8 4 O par diferencial Nesta seção, estudaremos o par diferencial a partir do pré-laboratório. Por questões de simplicidade, conectaremos uma entrada no aterramento. Também substituiremos a fonte de corrente com um resistor. Assumindo que V in fica próximo de 0V, a tensão através do resistor ficará bastante constante em cerca de 15 0,6V, e a corrente não será muito diferente de Construa este circuito e faça a plotagem de V in contra V out para: Qual é a corrente máxima em cada lado? Qual é o ganho diferencial ao redor de V in = 0? Compare esses valores com aqueles calculados no pré-laboratório. Mantenha esse circuito em seu kit para a próxima parte. 8

9 5 Estágio de Ganho do Receptor de AM Agora temos todos os componentes do receptor de AM. Combinaremos tudo isso no receptor completo de AM. Para ajudar colocar toda a classe no mesmo pé, revisaremos como construir as partes relevantes do laboratório 2. Filtro de Ajuste Detector de Pico saída Bobina da Antena Antena Estágio de Ganho 5.1 Elemento Ajustado Como vimos, o ganho do par diferencial vai como o resistor do coletor. Queremos um ganho alto de cerca de 455KHz e um ganho baixo em qualquer outro lugar. Para alcançar isso, construiremos um elemento de filtro ajustado. Construímos um elemento ajustado no laboratório 2, embora vários alunos tenham ficado sem tempo para testar a freqüência do centro, a largura de banda, etc. Para testar a impedância do elemento ajustado, colocamo-lo em um divisor de tensão com um grande resistor: saída Aplicamos uma tensão de CA na entrada e alteramos a freqüência. A freqüência do centro é onde a tensão de saída V saída tem seu pico. Meça as freqüências alta e baixa nas quais a tensão de saída cai para. Essa diferença entre essas freqüências lhe dá a largura de banda. Para a versão deste circuito feita pelos professores-assistentes, descobrimos que C = 1000pF e R = 2.2k funcionaram. Se você não conseguir ajustar em 455KHz, altere o valor de capacitância (menor capacitância maior freqüência). Se você não conseguir atingir a largura de banda desejada, altere o valor de resistência (baixa resistência menor largura de banda). Para nossos objetivos, uma largura de banda levemente maior é melhor que uma levemente menor. 9

10 5.2 Estágio de ganho Para o estágio de ganho, usaremos o par diferencial da seção anterior. Iremos conjugar a entrada por meio de um grande capacitor (0,1µF), de modo que a CA passe, mas a CC não. Prenderemos a CC ao aterramento por meio de um resistor de 10kO. Esse capacitor age como um curto-circuito a 455KHz, e como circuito aberto em CC. Por simetria, ligamos a entrada negativa pelo mesmo tipo de rede ao aterramento. Isso não é estritamente necessário, mas pode haver uma pequena queda de CC pelo resistor de 10O no transistor esquerdo. Colocar o mesmo tipo de transistor no lado direito mantém o par diferencial operando mais próximo ao centro. Já que não precisamos disso, removeremos o primeiro resistor do coletor. Substituiremos o resistor do coletor de saída com nosso elemento ajustado: Escolhemos um par diferencial porque é muito rápido. Os circuitos são lentos em razão das capacitâncias de dispersão. Em um par diferencial, todas as capacitâncias principais estão no aterramento. Não há capacitâncias diretamente da entrada para a saída. Neste ponto, nosso circuito está assim: Filtro de Ajuste Detector de Pico saída Pode ajudar testar todo o circuito antes de adicionar a antena. Se você quiser testá-lo, conecte o gerador de função pelo capacitor para o estágio de ganho. Você provavelmente precisará estabelecer o gerador de função para uma tensão de entrada muito baixa. Faça uma varredura do gerador do função e certifique-se de que a saída esteja por volta de 455KHz. 5.3 Antena Estágio de Ganho No laboratório 2, também colocamos um resistor em série com a bobina da antena; na prática, podemos omitir isso. O resistor de 10O que usamos para conjugar a entrada no aterramento nos dará a largura de banda de que precisamos. Variável Bobina da Antena 10

11 Para construir o circuito da antena, coloque um capacitor em série com a bobina da antena. Um capacitor de 100pf deve dar um valor levemente maior que 455KHz. Coloque um capacitor variável (de seu professor-assistente ou da recepção) em paralelo. O professor-assistente terá um transmissor montado no meio do laboratório. Ajuste o capacitor semi-fixo até que a saída através de V saída tenha seu pico. Quando o capacitor variável estiver fora da freqüência ajustada, é provável que você não veja nenhuma saída. Se sua saída for muito pequena, é possível reduzir o resistor de 15kO para dar um pouco mais de corrente de polarização. Peça para o professor-assistente verificar seu receptor. A equipe do curso está preocupada em ensinar o feitio um transmissor de AM de propósito mais geral, assim como pequenos amplificadores que você pode conectar a seu receptor. Embora seja improvável que tenhamos isso disponível este ano, no caso de termos e você se interessar, é possível tentar ligar um dos amplificadores e ouvir música pelo receptor. 11