instrukcja

Komentarze

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.

Podobne dokumenty