epälineaarisen komponentin ilmiöitä

ELEC-C5070 – Elektroniikkapaja
Laboratoriotyö 2
Käytännön radiotekniikkaa:
epälineaarisen komponentin ilmiöitä
Työohje
Syksy 2015
Työn tarkoitus ja kulku
Tässä työssä työssä tutustutaan epälineaarisen elektroniikkakomponentin muutamaan
tärkeään ilmiöön käytännön mittausten avulla. Esimerkiksi sekoitusilmiö on olennainen
mm. radiotekniikassa mutta tulee vastaan myös muussa elektroniikassa. Työn
mittauskohteena on yksinkertainen kokeellinen piiri, jonka aktiivinen piirielementti on
bipolaarinen transistori.
Varatkaa työlle aika sähköpajalta ja tehkää esitehtävät ennen vuorolle saapumista.
Kokeellisen osion jälkeen laatikaa raportti työstänne ja palauttakaa se MyCoursesjärjestelmän kautta.
Sisältö:
1.1 Johdanto
1.2 Mittausten kohde
1.3 Mittauslaitteisto
1.4 Tehtävät
1.1 Johdanto
Epälineaaristen elektroniikkakomponenttien avulla voidaan saada aikaan esimerkiksi
sekoitusilmiö, johon perustuvia sekoittimia käytetään varsinkin radiotekniikassa
muuttamaan signaalien taajuuksia. Epälineaarisuuden aiheuttamia ilmiöitä tulee vastaan
myös laajemmin elektroniikassa. Epälineaarisuus aiheuttaa muitakin ilmiöitä kuin
taajuuksien sekoituksen. Tavallisimpia epälineaarisia komponentteja elektroniikkakäytössä
ovat diodit ja transistorit. Epälineaarisuuden ilmeneminen voi riippua hyvin paljon
signaalijännitteiden tai –virtojen voimakkuudesta ja myös komponentin toimintapisteen
asettelusta. Sekä aika- että taajuusalueen mittaukset ovat tärkeitä epälineaarisuudesta
johtuvien ilmiöiden tutkimisessa. Elektroniikkapajan yksinkertaisista peruslaitteista
oskilloskooppi on nykyään käyttökelpoinen molempien alueiden mittauksissa.
Spektrianalysaattorilla voidaan tehdä taajuusalueen mittauksia.
1.2 Mittausten kohde
Kuvassa 1 on esitetty hyvin yksinkertainen kokeellinen piirikytkentä. Piirin aktiivisena
komponenttina on tavallinen bipolaariliitostransistori. Tavoitteena on tutkia mittauksilla
kokeilupiiristä epälineaarisuuden mahdollistamia ilmiöitä. Samalla voidaan arvioida piirin
toimintaa ja pohtia käyttökelpoisuutta esimerkiksi radiotekniikkaan.
2
+5 V
C2
1 mF
R1
100 kW
R4
51 W
R3
510 W
R2
10 kW
Vs_tr
(BNC OUT)
Vu1 (TP3)
C
B
Vu2 (TP4)
TR1
2N2219A
C1
47 nF
E
(GND)
Kuva 1: Transistoripiiri.
Transistoripiirin käyttöjännite on +5 V. Potentiometrin R1 avulla voidaan säätää
transistorin toimintapistettä ja siten piirin toimintaa. Tarkoitus on tuoda sisäänmenoon V s_tr
vaihtojännitteitä suhteellisen matalilla radiotaajuuksilla (esim. noin 200 kHz) ja mitata
vasteita käyttäen ulostuloja Vu1 ja Vu2. Näistä suuremman vaihtojännitetason Vu2 soveltuu
suuri-impedanssiselle oskilloskoopin mittapäälle. V u1 soveltuu tasavirtaerotetulle ja
suurtaajuisten jännitteiden kannalta pieni-impedanssiselle (50 ) spektrianalysaattorille.
Jännitteiden nollakontakti on piirin maa (GND).
Signaalien syötössä on tässä tapauksessa apuna kuvan 2 vastuspiiri. Työssä signaalilähteinä
käytettävistä funktiogeneraattoreista saatavat vaihtojännitteet kytketään sisäänmenoihin V g1
ja Vg2, joista syöttöjännitteitä myös kannattaa tarvittaessa mitata oskilloskoopilla.
Vastuspiiri vaimentaa transistorin herätejännitteitä sopivan pieniksi ja samalla summaa ne
transistoria varten. Apupiirin voidaan ajatella olevan ”lisäosana” transistoripiiriä
syöttävissä generaattoreissa. Piirin vaimennus määritetään, joten sen vaikutus voidaan
korjata tuloksiin. Periaatteessa jännitteitä voitaisiin yrittää mitata suoraan transistorin
kannaltakin, mutta käytännössä signaalien pieni taso tekisi tästä haastavaa tai ainakin
epätarkkaa. Mittapään impedanssilla on aina myös jokin vaikutus piirin toimintaan.
Mitattava käytännön piiri on varustettu BNC-liittimillä, jotka on merkitty IN 1, IN2 ja
OUT. Piirilevyllä ovat käytettävissä jännitteitä Vg1, Vg2,Vu1 ja Vu2 vastaavat testipisteet TP1,
TP2, TP3 ja TP4. Testipisteisiin on lisätty johdinlenkit, joihin on helppoa kytkeytyä
oskilloskoopin mittakärjillä. Mittakärkien maajohtojen hauenleuan yhdistämistä varten on
maadoituslenkki (GND). Piirin käyttöjännite (5 V) tuodaan banaaniliittimillä.
3
Rb
Rb
Vg1
(BNC IN 1)
(TP1)
Ra
Ra
=> Vs_tr
Rb
Rb
Ra
Vg2
(BNC IN 2)
Ra
(TP2)
Ra
Ra = 56 W
Rb = 470 W
Kuva 2: Vastuspiiri kuvan 1 piirin eteen.
Bipolaaritransistorin toiminnan epälineaarisuudesta yksi esimerkki on kollektorivirran IC ja
kantajännitteen VBE väliltä löytyvä eksponentiaalinen riippuvuus
I C » I S e VBE / Vt ,
(1)
jossa Is = saturaatiovirta ja Vt = kT/q on terminen jännite, joka on huoneenlämmössä noin
25 mV. Kun tavoitteena on tarkastella sisäänmenopuolella kannalle kytketyn jännitteen
muuttuvan signaaliosan vBE vaikutusta, voidaan sisällyttää saturaatiovirta ja esijännitteen
vaikutus ulostulopuolelle kollektorivirtaan erilleen kertoimeen IC0, jolloin saadaan
I C » I C 0 e vBE / Vt .
(2)
Eksponenttifunktiosta johtuvan vasteen ilmiöitä on mahdollista tunnistaa sarjakehitelmän
ex = 1+ x +
1 2 1 3
x + x + ...
2
6
(3)
avulla. Sarjan alkupään termeistä laskemalla saadaan vaihtojännitteille esiin mm. vahvistus
ja sekoitusilmiö, joiden voidaan ennakoida löytyvän mittauksissa myös kuvan 1
kokeilupiiristä. Esimerkiksi sekoitusilmiön takia sisäänmenon kahden taajuuden
erotustaajuus ja summataajuus olisivat havaittavissa ulostulossa. Nämä ovat tyypillisesti
mm. radiotekniikassa hyödynnettäviä haluttuja sekoitustuloksia. Kuvassa 3 on esimerkki
oskilloskoopin näytöstä tilanteesta, jossa voidaan havaita mm. sekoitusilmiön vaikutus
aikatason aaltomuodossa ja etenkin FFT-toiminnon tuottamassa spektrinäytössä.
Sijoittamalla sarjakehitelmän (3) termeihin syötteenä olevien vaihtojännitteiden esitykset
havaittaisiin, että epälineaarisuus voi tuottaa hyvin paljon taajuuskomponentteja. Yleisen
4
periaatteen mukaisesti nämä tuotokset ovat herätetaajuuksien tai niiden monikertojen
erilaisilla kombinaatioilla. Spektrinäytössä tuotokset ovat helposti nähtävissä ja
mitattavissa.
Kuva 3: Ulostulon aaltomuoto ja sen taajuuskomponentteja kun piirin kahteen
sisäänmenoon on syötetty eritaajuiset jännitteet. Oskilloskoopin näyttöön on valittu sekä
aikatason aaltomuoto (ylhäällä) että FFT-toiminnon tuottama spektriesitys (alhaalla).
Mittaustulosten perusteella voidaan arvioida piirin toimintaa. Käytännön piirissä myös
käyttöjännitteen aiheuttamat rajoitukset ja transistorin saturaatio vaikuttavat
toimintapisteestä ja tilanteesta riippuen vasteeseen. Laboratoriotyön hyvin yksinkertainen
kokeilupiiri ei ole suoraan mistään tietystä sovelluksesta, joten esimerkiksi radiolaitteeseen
tietyn taajuusalueen sekoitinkäyttöön tarkoitetulle piirille valittaisiin sopivin toteutus
monista erilaisista vaihtoehdoista ja vielä optimoitaisiin tarkoitukseensa. Samalla
sisäänmenopuolen signaalien yhdistämiseen käytettäisiin esimerkiksi vähähäviöistä
hybridiä.
1.3 Mittauslaitteisto
Työn laitteisto on sähköpajan tilassa hyllyvaunussa, johon laitteet on myös palautettava
mittauksen jälkeen. Transistoripiiriä vastuspiirin avulla syöttävinä generaattoreina
käytetään funktiogeneraattoreita GWInstek SFG-2004 ja päämittauslaitteena digitaalista
kaksikanavaista oskilloskooppia Tektronix TBS-1052B EDU. Tarjolla on kokeiltavaksi
myös edullinen spektrianalysaattori HAMEG HMS-X, jolla on mahdollista tutkia
5
korkeataajuisimpia
signaalikomponentteja.
Oskilloskooppi
näyttää
aikatason
jänniteaaltomuodon ja laitteessa on FFT-toiminto samanaikaiseen spektrin tutkintaan.
Mitattavaan piiriin kytketään 5 V:n käyttöjännite tasajännitelähteestä Digimess HY3003.
Mittauslaitteisiin tutustutaan enemmän mittausten yhteydessä kurssin hands-on -periaatteen
mukaisesti. Mahdollisia ongelmatapauksia varten apuna ovat myös laitteiden
käyttöohjeiden paperiversiot.
Funktiogeneraattoreissa käytettävän 50 :n ulostulon jännite riippuu kuormituksesta eikä
jännitteelle ole näyttöä, vaan jännite on mitattava. Tektronix-oskilloskoopin peruskäyttö on
melko yksinkertaista, mutta laitteen FFT-toiminnon (Fast Fourier Transform) käyttö voi
vaatia pientä perehtymistä. Oskilloskoopin ”User Manual” sisältää sivulta 53 alkaen tiiviin
esityksen FFT:n käytöstä. Pääideoina ovat ensinnä aikatason aaltomuodon sopivan kohdan
asetus ja toisaalta myös sopivan näytetaajuuden valinta, jotta halutut taajuuskomponentit
ovat erotettavissa. Komponenttien erottamisessa ja lukemisessa auttaa ”FFT Zoom” kuten
myös sopivan markkerin käyttö. Jos kokeilette myös HAMEG-spektrianalysaattoria, niin
muistakaa, että analysaattorin sisäänmeno muodostaa analysaattorin näyttämällä
taajuusalueella 50 :n kuorman. Tällä on vaikutusta sisäänmenoon kytketyn mitattavan
piirin toimintaan, vaikka analysaattorissa on mukana tasavirtaerotus estämässä
kuormitusvaikutusta
tasajännitetoimintaan.
Oskilloskoopin
korkeaimpedanssisten
mittakärkien avulla oskilloskoopilla on mahdollista tehdä mittauksia piiristä paljon
vapaammin ilman, että piirin toiminta muuttuu tai häiriintyy mitenkään merkittävästi.
1.4 Tehtävät
Esitehtävät
(Lyhyt esitys, joka esitellään mittausvuoron alussa assistentille ja liitetään osaksi
loppuraporttia)
1) Pohtikaa kuvan 1 piirin odotettavissa olevan toiminnan pääpiirteitä, eri komponenttien
merkitystä toiminnassa ja potentiometrin säädön vaikutusta.
2) Kuvan 2 vastuspiirin käyttö signaalien yhdistämiseen aiheuttaa sen, että sisäänmenoja
syöttävien generaattoreiden vaihtojännitteet eivät tule sellaisenaan suoraan
transistoripiirille. Selvittäkää paljonko vastuspiiri vaimentaa jännitteitä.
Mittaukset
Oletuksena on, että transistoria piirissään ja näiden toimintaan liittyvää epälineaarisuutta
voitaisiin yrittää käyttää hyödyksi erilaisilla tavoilla, joita tutkitaan ja arvioidaan mittausten
avulla. Toimintaan voidaan vaikuttaa toimintapisteen säädöllä potentiometrin avulla.
Toimintapistettä kuvaavana suureena voidaan käyttää tässä työssä yksinkertaisuuden vuoksi
kollektorilla olevaa tasajännitekomponenttia. Potentiometrin säätö vaikuttaa transistorin
kantavirran ja kollektorivirran kautta tähän tasajännitekomponenttiin. On huomattava, että
jos tasajännitekomponentti on valitussa toimintapisteessä lähellä arvoa 0 V ja/tai piiriä
syöttävä signaali on suuri, transistorin kollektorijännitteessä alkaa helposti ilmetä signaalin
leikkautumista. Leikkautumistilanteessa vaste poikkeaa eksponentiaalisen riippuvuuden
6
alueella olevasta. Sopiva lähtökohta mittauksissa voi olla esimerkiksi sellainen, jossa
toimintapistettä kuvaava tasajännite kollektorilla on ensin noin puolet käyttöjännitteestä ja
signaalitasot ovat melko pieniä. Toimintapistettä ja signaalien voimakkuuksia voidaan
sitten säätää mittauksen edetessä tilanteen tarpeen mukaisesti.
Seuraavassa on esitetty piirin mahdollisia käyttötapoja ja ehdotettu toimenpiteitä niiden
tutkimiseksi mittausten avulla. Mittauksista on hyvä kirjata tarvittavien tulosten lisäksi
jokaista tutkittavaa tilannetta (ja sen ilmiöitä) kuvaavat tiedot lyhyesti muistiin raporttia
varten. Mittausten olisi yleisen periaatteen mukaan oltava tarvittaessa toistettavissa
mittausraportissa esitetyn kuvauksen perusteella.
1) Vahvistin ja säädettävä vahvistin
Transistoripiirin perustoimintaa on vahvistus, johon tässä tapauksessa sisältyy myös
säätömahdollisuus. Syöttäkää mittausta varten generaattorista taajuudella 200 kHz
pieniamplitudinen sinivaihtojännite piiriin. Riittävän pienellä amplitudilla ulostulon jännite
ei vielä säröydy merkittävästi. Mitatkaa jännitteitä esimerkiksi 3 – 5 toimintapisteessä niin,
että voitte määrittää transistoripiiriltä saatavan jännitevahvistuksen arvon toimintapisteen
funktiona käyttökelpoisella alueella. (Idea: Jännitevahvistus = ulostulon jänniteamplitudi
jaettuna sisäänmenon jänniteamplitudilla ja korjattuna arvolla, joka eliminoi
sisäänmenopuolen vastuspiirin vaimennuksen vaikutuksen).
Aiheita pohdintaan:
Yksinkertaisen teorian mukaan vahvistus riippuu suoraan transistorin kollektorivirrasta
toimintapisteessä. Havaitsetteko tällaisen riippuvuuden? Missä tällainen säädettävä
vahvistin voisi olla käyttökelpoinen?
2) Taajuuskertoja
Epälineaarisessa piirissä voi syntyä perustaajuuden kerrannaisille erilaisilla
voimakkuuksilla ilmeneviä jännitekomponentteja. Säätäkää toimintapistettä ja generaattorin
jännitettä niin, että kollektorijännitteen aaltomuoto käyttää suuren osan mahdollisesta
vaihteluvälistään.
Mitatkaa
oskilloskoopin
FFT-toiminnon
avulla
alimpien
taajuuskomponenttien voimakkuuksia kun aaltomuoto ei vielä leikkaudu. Mitatkaa
vertailun vuoksi myös tilannetta, jossa aaltomuoto jo leikkautuu. Tutkikaa myös, miten
esimerkiksi kahden matalataajuisimman kerrontatuloksen voimakkuudet voitaisiin saada
maksimoiduksi.
Aiheita pohdintaan: Mitkä aikatason jänniteaaltomuodosta havaittavat syyt vaikuttavat
taajuustason komponenttien voimakkuuksiin ja näiden voimakkuuksien keskinäisiin
suhteisiin? Kuinka hyvä piiri on taajuuskertojana?
3) Sekoitin
Pyritään tässä kohdassa käyttämään piiriä kuten sekoitinta voitaisiin käyttää esimerkiksi
radiovastaanottimessa. Sekoittimiin syötetään suhteellisen suuriamplitudinen jännite
7
(”paikallisoskillaattorijännite”) ohjaamaan sekoitustoimintaa. Toinen, pienempi ja
käytännössä voimakkuudeltaan vaihteleva jännite on varsinainen mielenkiinnon kohde
(”signaali”), jonka sisältämän tiedon halutaan säilyvän sekoituksessa tapahtuvassa
taajuuden muutoksessa. Sekoituksen perustulokset ovat erotustaajuinen ja summataajuinen
komponentti, joista vain toista tyypillisesti käytetään hyödyksi. Epälineaarisessa
komponentissa syntyy helposti muitakin sekoitustuloksia. Ylimääräiset sekoitustulokset
ovat yleensä lähinnä haitallisia. Kokeilupiirissä transistorin toimintapisteen valinta
vaikuttaa omalta osaltaan sekoitusilmiöön.
Sekoitintoiminnan mittauksia varten sopiva lähtökohta on esimerkiksi seuraava: Säätäkää
ensin toimintapistettä ja ohjaavan generaattorin jännitettä niin, että kollektorijännitteen
aaltomuoto käyttää suuren osan mahdollisesta vaihteluvälistään. Jättäkää kuitenkin jonkin
verran tilaa myös toisen eli pienemmän signaalin tuomalle lisälle ilman leikkautumista.
Kytkekää sitten toinen generaattori pieniamplitudiseksi lähteeksi sekoitettavalle signaalille
ja säätäkää sen taajuus lähelle ensimmäisen taajuutta eli esimerkiksi 230 kHz:ksi.
Tutkikaa nyt FFT-toiminnon avulla haluttujen sekoitustulosten ilmenemistä ulostulossa
erotus- ja summataajuudella. Ovatko sekoitustulokset samalla tasolla kuten yksinkertainen
teoria ennustaa? Mitatkaa jännitteitä niin, että voitte laskea sekoitusvahvistuksen arvon
(sekoitustuloksen
voimakkuuden suhteen
sekoittimeen syötettävän signaalin
voimakkuuteen).
Kun toiminta näyttää suunnilleen toivotulta, niin kokeilkaa vielä sekoitusvahvistuksen
optimointia varovaisilla säädöillä. Selvittäkää myös sekoitustoiminnan lineaarisuutta
signaalin kannalta: pysyykö sekoitusvahvistus vakiona signaalin voimakkuutta
muutettaessa.
Tunnistakaa ja mitatkaa myös muutamia vahvimpia muita sekoitustuloksia kuin toivotut
kaksi taajuuskomponenttia. (Tunnistamisessa voi käyttää apuna mm. signaalitaajuuden
pieniä muutoksia ja niiden vaikutuksia ulostulosta havaittavassa spektrissä.)
Aiheita pohdintaan: Miten mittauksissa esiin saatujen haluttujen sekoitustulosten
ominaisuudet sopivat yksinkertaiseen teoriaan sekoitusilmiöstä? Esiintyikö sekoittimen
ulostulossa merkittävästi muitakin kuin haluttuja sekoitustuloksia? Olisiko piiri sopiva tai
jopa hyvä sekoitin esimerkiksi radiovastaanottimeen?
Raportointi
Tehkää mittauksista ja tutkimusten tuloksista kirjallinen raportti, joka palautetaan kahden
viikon sisällä mittauksista. Sisällyttäkää asiaan pohdinnat ja johtopäätökset piirin
toiminnasta ja käyttökelpoisuudesta. Liittäkää mukaan myös esitehtävien vastaukset.
8