docinstrukcja
download 
Reklamacja Transkrypt
instrukcja
L A B O R A T O R I U M P O D S T A W E L E K T R O N I K I I M E T R O L O G I I Badanie stopnia wejściowego wzmacniacza operacyjnego (charakterystyki statyczne) 1A W ćwiczeniu badany jest stopień wejściowy wzmacniacza operacyjnego tj. wzmacniacz róŜnicowy. Układ pomiarowy umoŜliwia pomiar podstawowych parametrów wzmacniacza róŜnicowego wykonanego na tranzystorach bipolarnych i umoŜliwia zmianę konfiguracji pary róŜnicowej. Za pomocą przełączników moŜna wybrać jeden z wariantów źródła prądowego polaryzującego tranzystory, jak równieŜ rodzaj obciąŜenia tranzystorów. Przed przystąpieniem do ćwiczenia naleŜy zapoznać się z teorią dotyczącą zasady działania wzmacniacza róŜnicowego (zamieszczona jest ona w niniejszym opracowaniu). - VWYR= f(VWES) tj. wspólny wykres czterech charakterystyk statycznych dla pobudzenia sumacyjnego dla konfiguracji A,B,C,D, - IE= f(VWER) tj. wspólny wykres prądu emitera IE w zaleŜności od pobudzenia róŜnicowego VWER dla konfiguracji A,B,C,D, - IE= f(VWER) tj. wspólny wykres prądu emitera IE w zaleŜności od pobudzenia sumacyjnego VWES dla konfiguracji A,B,C,D. 2) Na podstawie pomiarów obliczyć wartość wzmocnienia róŜnicowego Kr, wzmocnienia sumacyjnego Ks oraz wartość współczynnika CMRR. 3) Opierając się na schemacie wzmacniacza w konfiguracji A i B wyliczyć: punkt pracy tranzystorów T1 oraz T2 oraz wartość prądu IE, ponadto wyliczyć wartość wzmocnienia Kr. Porównać wyniki pomiarów i obliczeń: punktów pracy tranzystorów, wzmocnienia Kr. 2. Pomiary Zamieścić własne wnioski i spostrzeŜenia. Porównać układy pomiędzy sobą, a takŜe skomentować zgodność obliczeń teoretycznych z pomiarami. 1. Wstęp NaleŜy wykonać pomiary wzmacniacza róŜnicowego pracującego w następujących konfiguracjach: A. B. C. D. źródło prądowe — rezystor RE, obciąŜenie — rezystor RC; źródło prądowe — rezystor RE, obciąŜenie — RC’; źródło prądowe — tranzystor z rezystorem RE1, obciąŜenie — rezystor RC; źródło prądowe — tranzystor z rezystorem RE2, obciąŜenie — rezystor RC. UWAGA: za kaŜdym razem, gdy jest zmieniana konfiguracja A-D naleŜy układ zrównowaŜyć. W tym celu naleŜy wycisnąć przełącznik K1 i potencjometrem P1 ustawić napięcie wejściowe równe 0mV. Dla takich warunków, naleŜy za pomocą potencjometru P3 „ZER” ustawić takie same wartości napięć na kolektorach tranzystorów T1 i T2. Dla kaŜdej konfiguracji A-D naleŜy wykonać charakterystyk statycznych przy pobudzeniu: 1) sygnałem róŜnicowym (przełącznik K1 wciśnięty), 2) sygnałem sumacyjnym (przełącznik K1 wyciśnięty). pomiary W pierwszym przypadku naleŜy zmierzyć wartości napięć na kolektorach tranzystorów T1 i T2 (VWY1, VWY2) w funkcji wejściowego napięcia róŜnicowego VWER (przełącznik K1 w pozycji wciśniętej). Ponadto dla tych samych wartości napięcia wejściowego naleŜy zmierzyć prąd IE (prawy wskaźnik). Wejściowe napięcie naleŜy zmieniać za pomocą potencjometru P2 w zakresie [-130mV, +130mV] (wskazania lewego miernika naleŜy przemnoŜyć przez 10 i przyjąć jednostkę mV). W drugim przypadku (dla sygnału sumacyjnego) naleŜy zmierzyć wartość napięć na kolektorach tranzystorów T1 i T2 (VWY1, VWY2) w funkcji wejściowego napięcia sumacyjnego VWES (przełącznik K1 w pozycji wyciśniętej). Ponadto dla tych samych wartości napięcia wejściowego naleŜy zmierzyć wartości prądu IE. Wejściowe napięcie naleŜy zmieniać za pomocą potencjometru P1 w zakresie [-5V, +5V] (wskazania lewego miernika naleŜy podzielić przez 2 i przyjąć jednostkę V). Wciśnięcie przełącznika oznaczonego: RE, RE1, RE2, RC, R’C powoduje załączenie wybranej konfiguracji. Do poprawnego ustawienia konfiguracji całego układu naleŜy wcisnąć jeden z przełączników RE, RE1, RE2 (kolor czarny) oraz jeden z przełączników RC, R’C (kolor biały). 3. Opracowanie wyników 1) Wyniki pomiarów wzmacniacza róŜnicowego w konfiguracji A, B, C i D naleŜy przedstawić na wykresach: - VWYR= f(VWER) tj. wspólny wykres czterech charakterystyk statycznych dla pobudzenia róŜnicowego dla konfiguracji A,B,C,D, 4. Teoria (dla zainteresowanych) Uproszczony schemat wzmacniacza róŜnicowego (bez przełączników zmiany konfiguracji i potencjometrów regulacji napięć wejściowych) pokazano na rys. 1. Wzmacniacz róŜnicowy jest zbudowany z dwóch symetrycznych gałęzi zawierających tranzystory T1 i T2. +VZ =12V RC + VWY1 - T1 + VB1 - RC IC1 IC2 T2 + VB2 - IE VBE1 + VWY2 - VBE2 RE -VZ=12V Rys. 1. Uproszczony schemat wzmacniacza róŜnicowego. Zasada działania wzmacniacza róŜnicowego moŜe być wyjaśniona w następujący sposób. JeŜeli na bazę tranzystora T1 zostanie podane dodatnie napięcie VB1, zaś napięcie VB1=0, to wtedy prąd kolektora IC1 tranzystora T1 wzrośnie. Jednocześnie prąd kolektora IC2 tranzystora T2 zmaleje. Sytuacja ulegnie odwróceniu, jeŜeli polaryzacja napięć będzie przeciwna. We wzmacniaczu suma prądów emiterów tranzystorów jest równa prądowi IE, który płynie przez rezystor RE, a zatem: I E1 + I E 2 = I E (1) JeŜeli wartość rezystancji RE jest dostatecznie duŜa, to wartość prądu jest niezaleŜna od wysterowania tranzystorów T1 i T2. Znacznie korzystniejsze pod tym względem jest stosowanie źródła prądowego zamiast rezystora RE. Korzystając z napięciowego prawa Kirchoffa moŜna ułoŜyć równania: VBE1 = VB1 − VE VBE 2 = VB 2 − VE Po eliminacji napięcia VE z równań (2) moŜna otrzymać: (2) 1A-2 VWER = VB1 − VB 2 = VBE1 − VBE 2 Rys. 3 Charakterystyka statyczna przenoszenia wzmacniacza róŜnicowego. (3) Napięcie VWER stanowi róŜnicowe wysterowanie wzmacniacza. Ze wzoru (3) widać, Ŝe róŜnicowe napięcie wejściowe VWER jest niezaleŜne od wartości rezystora RE. Z tego powodu wzmocnienie róŜnicowe Kr całego wzmacniacza nie zaleŜy od wartości rezystora RE. Praca wzmacniacza róŜnicowego z wejściem asymetrycznym została przedstawiona na rys. 2. g*m gm 1 Re=100Ω Re=50Ω 0,5 Re=0 +VZ =12V RC RC Vwyr + - T1 Vwer Re1 VB1-VB2 VT +10 0 -10 T2 Re2 -2 0 +2 Rys. 4 Wpływ wartości rezystancji w emiterach tranzystorów na zakres liniowości transkonduktancji wzmacniacza g*m. + - Vb1 =Vwer/2 Vb2 =-Vwer /2 RE JeŜeli rezystancje spełniają warunek Re=Re1=Re2, wówczas wartość transkonduktancji całego wzmacniacza dla wyjścia asymetrycznego wyraŜa się wzorem: g *m = -VZ=12V Rys. 2. Wzmacniacz róŜnicowy pracujący z asymetrycznym wejściem i symetrycznym wyjściem. W układzie z rys. 2 tranzystor T1 pracuje w konfiguracji wtórnika emiterowego. Z emitera tego tranzystora sygnał jest doprowadzany do tranzystora T2, który pracuje w konfiguracji wspólnej bazy. Dla dostatecznie duŜej wartości rezystancji RE chwilowe zmiany wartości prądów emiterów obu tranzystorów są sobie równe i przeciwnie skierowane. Stąd efektywne napięcia sterujące oba tranzystory są prawie jednakowe (dla idealnego źródła prądowego zamiast RE i identycznych tranzystorów T1 i T2 napięcia są równe). KaŜde z tych napięć stanowi połowę napięcia sterującego Vwer. Wzmacniacz róŜnicowy posiada więc cechę samoczynnego symetryzowania wejściowego sygnału sterującego oba tranzystory. W efekcie wzmocnienie kaŜdej z gałęzi wzmacniacza jest równe połowie wzmocnienia całego układu. 4.1. Zakres liniowej pracy wzmacniacza róŜnicowego Na rys. 3 przedstawiono typową charakterystykę statyczną wzmacniacza róŜnicowego. Z wykresu moŜna zauwaŜyć, Ŝe istnieje zakres o względnie liniowym przebiegu. Charakterystyki przejściowe tranzystorów są liniowe w pobliŜu spoczynkowego punktu pracy wzmacniacza, tj. punktu symetrii odpowiadającego sytuacji gdy VB1 = VB 2 . Zakres względnie liniowej pracy wzmacniacza odpowiada róŜnicy napięć wejściowych wynoszących około 50mV. Zakres ten jest więc bardzo mały. JeŜeli zachodzi konieczność poszerzenia zakresu liniowego, moŜna to zrobić włączając dodatkowe rezystory Re1 oraz Re2 pomiędzy emitery tranzystorów, a punkt przyłączenia rezystora RE (tak jak pokazano to na rys. 2). Działanie dodatkowych rezystorów polega na wprowadzeniu ujemnego sprzęŜenia zwrotnego, które poszerza zakres liniowości wypadkowej transkonduktancji wzmacniacza g*m. Wpływ wartości rezystancji Re=Re1=Re2 na zakres liniowości wzmacniacza pokazano na rys. 4. IC IE 1 IC2 zakres liniowy VB1-VB2 VT 0 -2 0 +2 g m = I C VT , VT = 25,8mV (4) . 4.2. Rola rezystora RE we wzmacniaczu róŜnicowym Dla jednakowych, w tej samej fazie sygnałów VB1 i VB2 (sygnał sumacyjny), lub dla takich samych zmian parametrów tranzystorów (np. wywołanych zmianą temperatury otoczenia) istnieje silne sprzęŜenie zwrotne na wspólnej rezystancji RE. SprzęŜenie to jest tym silniejsze im większą wartość rezystancji ma RE. Z kolei przy wysterowaniu wzmacniacza sygnałem róŜnicowym, zmiany prądów obu tranzystorów są przeciwne i redukują się na rezystancji RE. Wobec tego, ujemne sprzęŜenie zwrotne nie obejmuje tej rezystancji i w efekcie, dla sygnału róŜnicowego wzmocnienie układu jest duŜo większe w porównaniu ze wzmocnieniem dla sygnału sumacyjnego. Wzmocnienie róŜnicowe zaleŜy jedynie od wartości rezystorów RC oraz Re, zaś wzmocnienie sumacyjne od wartości RC, Re oraz RE, a mianowicie: Kr = Ks = ∆VWY 1 ∆VWES ∆VWYR = −2 RC g *m ∆VWER RC g m =− 1 + (2 RE + Re )g m (5) (6) Wzór (5) został wyprowadzony w oparciu o wzór (4) podający transkonduktancję całego wzmacniacza róŜnicowego (wzmocnienie wzmacniacza jest równe iloczynowi transkonduktancji i rezystancji obciąŜenia RC). Cyfra 2 wynika z faktu, Ŝe transkonduktancja (4) została podana dla konfiguracji asymatrycznego wyjścia. Środkowe składniki wzorów (5) i (6) podają metody obliczania wzmocnień przy wykorzystaniu danych pomiarowych. 4.3. Sumacyjne wysterowanie wzmacniacza róŜnicowego IC1 0,5 -10 gdzie gm 2(1 + Re g m ) +10 Z sumacyjnym wysterowaniem wzmacniacza róŜnicowego ma się do czynienia gdy do obu wejść wzmacniacza są doprowadzone takie same sygnały napięciowe VB1=VB2. W tym przypadku napięcia sterujące tranzystory będą zmniejszone o wartość spadku napięcia na rezystancji RE. Wzmocnienie sygnałów sumacyjnych jest więc silnie zaleŜne od wartości rezystancji RE. Jak moŜna zauwaŜyć ze wzoru (6) im większa jest wartość rezystancji RE, tym mniejsze jest wzmocnienie sumacyjne układu. W praktyce wszelkie sygnały sumacyjne mają charakter zakłóceń, np. dryft cieplny powodujący zmianę punktów pracy tranzystorów T1 i T2. Z kolei sygnał róŜnicowy niesie informacje uŜyteczne. MoŜna więc stwierdzić, Ŝe idealny wzmacniacz róŜnicowy powinien mieć zerowe wzmocnienie sumacyjne. 1A-3 Typowo wartość rezystancji wyjściowej RO źródła pokazanego na rys. 5 jest równa kilka-kilkanaście MΩ. 4.4. Wyliczenie punktów pracy tranzystorów Opierając się na schemacie z rys. 2 moŜna wyliczyć punkty pracy tranzystorów T1 i T2 dla stanu spoczynkowego wzmacniacza. W przypadku braku wysterowania (Vwer = 0) obowiązują równania: VBE1 + I E RE + I C1Re1 = Vz (7) I C1 = I E / 2 stąd: IE = Vz − VBE ; I C1 = I C 2 = I E / 2 RE + Re1 / 2 (8) 5. Dane elementów w układzie R1=110Ω Ω R2=110Ω Ω Ω R3=8,2kΩ R4=8,2kΩ Ω RE2=6,36kΩ Ω R5DO=5,18kΩ Ω P2=10kΩ Ω VC1 = VC 2 = Vz − RC I E / 2 Wyliczenie prądu IE dla wzmacniacza z konfiguracji ze źródłem prądowym na tranzystorze T3 przebiega inaczej. W oparciu o rys. 5 moŜna ułoŜyć równania: VB 3 R7 =− Vz ; R7 + R8 I E ≅ I E3 V + VB 3 − VBE = z RE 1 (9) 4.5. Współczynnik tłumienia sygnałów sumacyjnych — CMRR DąŜąc do ideału, wzmacniacze róŜnicowe projektuje się w taki sposób aby uzyskać jak najmniejsze wzmocnienie sumacyjne. Parametrem charakteryzującym relację między uŜytecznym wzmocnieniem róŜnicowym, a szkodliwym wzmocnieniem sumacyjnym jest współczynnik CMRR (ang. Common Mode Rejection Ratio): CMRR = K r ∆VWYR ∆VWER ∆VWES = = K rs ∆VWYR ∆VWES ∆VWER (7) Często w praktyce wygodnie jest określić CMRR, korzystając z ostatniego równania we wzorze (7). Definicja ta mówi, Ŝe CMRR jest ilorazem sumacyjnego napięcia wejściowego do róŜnicowego napięcia wejściowego, które wytwarza takie same napięcie róŜnicowe na wyjściu wzmacniacza. W przypadku idealnej symetrii wzmacniacza róŜnicowego współczynnik CMRR jest równy nieskończoności. W rzeczywistym układzie jednak współczynnik CMRR ma skończoną wartość, która wzrasta ze wzrostem wartości rezystancji RE. W związku z tym w celu uzyskania jak najlepszego CMRR wymaga się, aby rezystor RE miał moŜliwie jak największą wartość oraz aby oba uŜyte tranzystory miały identyczne parametry, szczególnie chodzi tu o wartość współczynnika wzmocnienia prądowego β. 4.6. Układ prądowego zasilania emiterów Jak juŜ zostało powiedziane wcześniej, moŜliwe jest uzyskanie dobrych parametrów wzmacniacza róŜnicowego pod warunkiem zapewnienia duŜej wartości rezystancji RE. Zwiększanie wartości tego rezystora jest w praktyce ograniczone warunkami zasilania. MoŜliwe jest jednak zastosowanie źródła prądowego w miejsce rezystora. Najprostszym źródłem prądowym jest pojedynczy tranzystor w konfiguracji pokazanej na rys. 5. IE IE T3 T3 R7 RO + - VB3 R8 RE1 -Vz RE1 -Vz Rys. 5. Przykład źródła prądowego zrealizowanego na pojedynczym tranzystorze. RC=12kΩ Ω R’C=2kΩ Ω RE=12kΩ Ω RE1=3,13kΩ Ω RW=4,9kΩ Ω Re1= Re2= P3”ZER”/2 Literatura: [1] [2] [3] Przyjąć VBE = 0,65 V. R5=820Ω Ω R6=820Ω Ω R7=2kΩ Ω R8=910Ω Ω RP=490Ω Ω P1=2,2kΩ Ω P3”ZER”=470Ω Ω Z. J. Staszak, J. Glinianowicz, D. Czarnecki “Materiały pomocnicze do przedmiotu Układy Elektroniczne Liniowe”. A. Guziński, “Liniowe elektroniczne układy analogowe” WNT 1992. S. Soclof, “Zastosowania analogowych układów scalonych”, WKŁ 1991.
