UKŁAD RÓŻNICOWY1 1. Projekt 1

Instytut Systemów Elektronicznych - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych
Ćwiczenie 3 - instrukcja, semestr letni 2016
1.2. Charakterystyki przejściowe
Układ różnicowy opisują jego charakterystyki przejściowe. Przypomnij sobie ich kształt
oraz związek z parametrami układu różnicowego. Narysuj przewidywane charakterystyki
przejściowe Twojego układu dla sterowania wejściowym sygnałem różnicowym. Na
jednym rysunku zamieść charakterystyki układu w dwóch wersjach: ze źródłem
prądowym i z opornikiem w obwodach emiterów tranzystorów układu różnicowego.
Zaznacz na rysunku napięcia UCMAX, UCMIN oraz napięcia wejściowe, przy których
tranzystory układu różnicowego wejdą w stan nasycenia.
UKŁAD RÓŻNICOWY1
1. Projekt
Projektowany układ różnicowy powinien mieć określone indywidualne parametry −
napięcie zasilania od strony obwodów kolektorowych U CC, prąd zasilania emiterów IEE
oraz minimalne napięcie osiągane na kolektorach U CMIN. Z poniższej tabeli wybierz
właściwy zestaw parametrów projektowych:
1.3. Wzmocnienie sygnału różnicowego - układ WR2
Wzmacniacz różnicowy może być wykorzystany do wzmacniania różnicy napięć, np.
zakłóconego sygnału pochodzącego z linii symetrycznych. Zaplanuj doświadczenia, które
pozwolą zaobserwować tę właściwość3, mając na uwadze, że dobry odbiornik linii
symetrycznej powinien mieć duże wzmocnienie sygnału różnicowego oraz silnie tłumić
tłumieniu sygnał wspólny, nazywany też "składową sumacyjną sygnału wejściowego".
Zespół
1
2
3
4
5
6
7
8
IEE [mA]
2,0
2,2
2,5
1,8
2,1
2,4
2,2
2,3
UCC [V]
6
8
6
8
6
8
6
8
•
UCMIN [V]
3,7
4,5
3,5
5,5
3,4
4,7
3,4
4,9
•
•
1.1. Dla wybranego zestawu oblicz:
•
• Rezystancję opornika RIEE, który należy wmontować w obwodzie źródła prądowego
IEE. Obliczeń dokonaj dla napięcia sterującego źródłem prądowym równego -11 V2.
Przy dobieraniu opornika pamiętaj, że będzie on montowany szeregowo z opornikiem
R24 (390 Ω), który jest już zamontowany na stale na płytce modułu DUR.
• Rezystancję opornika REE, który będzie pracował jako obwód zasilania emiterów. Tu
także uwzględnij wmontowany na stałe opornik szeregowy R9 (1,5 kΩ).
• Właściwe rezystancje oporników kolektorowych.
•
•
Po obliczeniu wartości rezystancji wymaganych oporników należy wybrać oporniki z
szeregu E12 możliwie najbliższe wyliczonym, a następnie ponownie obliczyć
odpowiadające im przewidywane prądy zasilania emiterów oraz napięcia U CMIN.
Opracuj sposób pomiaru wzmocnienia sygnału różnicowego na obu wyjściach
badanego układu.
Oblicz przewidywane wzmocnienia twojego układu, od wejścia symetrycznego do
każdego z jego wyjść, dla zastosowanych w p. 1.1 oporników z szeregu E12.
Oszacuj przewidywane tłumienie sygnału wspólnego, dla obu wersji układu
różnicowego (ze źródłem prądowym IEE oraz z opornikiem REE).
Opracuj eksperyment, który pozwoli zmierzyć wpływ składowej wspólnej na pracę
układu różnicowego. Ten wpływ (czyli wzmocnienie składowej wspólnej sygnału
wejściowego) będzie trzeba zmierzyć przy zasilaniu układu od strony emiterów ze
źródła prądowego IEE oraz w przypadku, gdy zostanie zastosowany opornik R EE.
Zastanów się więc, czy dla któregoś z tych przypadków nie napotkasz trudności z
pomiarem zbyt małego sygnału. Jak sobie z tym poradzisz?
Oblicz zakres napięcia wspólnego na wejściach układu różnicowego WR2 (obie
wersje!), przy którym ten układ będzie jeszcze poprawnie działał.
Przypomnij sobie definicję współczynnika tłumienia składowej wspólnej (CMRR).
1.4. Układ różnicowy z obciążeniem dynamicznym - układ WR3
Zastosowanie obciążenia dynamicznego (lustra prądowego) wyraźnie zmienia
właściwości układu różnicowego. Zaplanuj doświadczenia, które pozwolą zbadać
działanie takiego układu:
1) Autor instrukcji: dr inż. Aleksander Burd, [email protected]; Maciej Radtke,
[email protected]
2) Patrz opis modułu DUR (opis znajduje się w osobnym pliku).
3) Wykorzystaj sygnały ININ i INIP z układów pomocniczych - te sygnały mają
przeciwne fazy, więc dla badanego układu stanowią sygnał różnicowy.
1
Instytut Systemów Elektronicznych - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych
•
•
•
•
W układzie z obciążeniem dynamicznym osiąga się wzmocnienie większe niż w
odpowiadającym mu układzie "klasycznym", pracującym przy takim samym prądzie
IEE i z takimi samymi opornikami w kolektorach układu różnicowego. Dlaczego tak
jest? Ile razy większe powinno być to wzmocnienie? Zaproponuj eksperyment, który
umożliwi potwierdzenie.
Układ z obciążeniem dynamicznym umożliwia elektroniczną regulację wzmocnienia
w stosunkowo szerokim zakresie. Zastanów się, dlaczego podobna regulacja nie jest
możliwa w układzie klasycznym (bez lustra).
Zaproponuj eksperyment, który pokaże tę korzystną właściwość układu różnicowego
z obciążeniem dynamicznym.
W układzie z lustrem prądowym można osiągać bardzo duże wzmocnienia,
niemożliwe do osiągnięcia w układach klasycznych. Zastanów się, dlaczego
uzyskanie bardzo dużych wzmocnień jest możliwe tylko w układzie z obciążeniem
dynamicznym.
Zwiększenie oporności obciążenia w układzie z lustrem teoretycznie powinno
skutkować proporcjonalnym wzrostem wzmocnienia. Zastanów się, czy przy
dowolnie dużych wartościach oporności obciążenia taka zależność będzie nadal
obowiązywać.
Ćwiczenie 3 - instrukcja, semestr letni 2016
2.Wykonanie ćwiczenia
WAŻNE UWAGI:
1. Dla oszczędności czasu rysunki należy wykonywać w postaci szkiców 4, chyba że w
danym punkcie instrukcji wyraźnie zaznaczono inny sposób postępowania.
2. Układy WR3 i WR4 nie mają własnych obwodów polaryzacji, więc mogą działać
poprawnie tylko wtedy, jeśli do ich wejść zostaną do dołączone obwody zapewniające
przepływ prądów baz tranzystorów. Dlatego badanie konkretnego układu jest możliwe
dopiero po dołączeniu do jego wejścia wtyku INIP lub ININ.
3. Niniejsza instrukcja co prawda zawiera szczegółowe opisy wymaganych ustawień
przełączników i połączeń przewodów na płytce modułu DUR, ale nie zawiera schematów
ideowych badanych układów. Schematy są zawarte w opisie modułu (w oddzielnym
pliku). Wykonujący ćwiczenie ma obowiązek posiadania przy sobie wszystkich
schematów ideowych (w postaci wydruków, rysunków albo na ekranie monitora).
1.5. Wykorzystanie tranzystorów dyskretnych, poszerzenie strefy przejściowej
układu różnicowego - układ WR4
Przed przystąpieniem do wykonania zadań 1 i 2 narysuj w protokole schematy badanych
układów różnicowych i zaznacz na nich "oporniki dydaktyczne". Opisz je zgodnie z
oznaczeniami na płytce drukowanej modułu DUR, podaj wartości ich rezystancji.
Zanotuj, czy są to wartości odczytane z elementu, czy zmierzone omomierzem.
Układ różnicowy jest na ogół realizowany z użyciem pary tranzystorów umieszczonych
na wspólnym podłożu. Zaproponuj eksperymenty, które pokażą, kiedy wspólne podłoże
jest niezbędne, a kiedy można zbudować układ różnicowy z elementów dyskretnych.
Zadanie 1 - montaż i sprawdzenie poprawności działania układu WR2 (1 p)
Przemyśl następujące zagadnienia:
Na płytce modułu DUR zamontuj wszystkie oporniki obliczone w projekcie (4 szt.).
• Co się stanie, gdy tranzystory układu różnicowego będą miały różne temperatury? Czy
"klasyczny" układ różnicowy może w takiej sytuacji pracować poprawnie? Jak zmieni
się wrażliwość układu na zmiany temperatury w sytuacji, kiedy w obwody emiterów
zostaną włączone oporniki?
Aby układ WR2 działał poprawnie:
•
−dołącz do wejścia IN2A trzyżyłowy przewód INIP, a do wejścia IN2B przewód ININ
(położenie wtyków jest obojętne: sygnał jest zawsze podawany na styk środkowy, oba
przewody zewnętrzne to masa),
−dołącz do złącza WR2-O czterożyłowy “przewód wyjść”,
−ustaw:
• przełącznik RCC1/2 (SW8) w położeniu "RCC-2" (w kierunku brzegu płytki),
• przełącznik IEEE (SW1) w położeniu "WR2" (pozycja środkowa),
• przełącznik BEE1 (SW3) w położeniu "-11 V" (ustalony prąd źródła prądowego
IEE),
W wielu zastosowaniach bywa potrzebny układ różnicowy o większej szerokości
strefy przejściowej niż naturalna (ok. 100 mV), co uzyskuje się za pomocą oporników
wprowadzanych w obwody emiterów. Jaki jest związek pomiędzy zastosowanymi
opornikami a szerokością strefy przejściowej? Jakie jest wzmocnienie układu po
rozszerzeniu strefy w stosunku do wzmocnienia układu bez rozszerzonej strefy?
Zastanów się, jak można zaobserwować te zależności w laboratorium.
4) "Szkic" oznacza, że rysunek może być przybliżony, ale musi koniecznie zawierać
podstawowe informacje, np. poziomy napięć stałych, amplitudy zaobserwowanych
przebiegów itp.
2
Instytut Systemów Elektronicznych - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych
•
•
•
przełącznik BB34 (SW4) w położeniu "masa" (obie bazy tranzystorów są wtedy
dołączone, przez oporniki polaryzujące, do masy),
przełącznik TLUM (SW10) w położeniu "1:1" (w kierunku środka płytki,
sterowanie układu różnicowego ze źródła sygnału o małej rezystancji wew.),
przełącznik 6/8 V (SW9) w położeniu odpowiadającemu wymaganemu napięciu
zasilania badanych układów różnicowych.
Ćwiczenie 3 - instrukcja, semestr letni 2016
Zanotuj je i porównaj z wynikami obliczeń z zad. 1.
Jeśli pojawią się rozbieżności, spróbuj odnaleźć ich przyczyny7.
Uwaga: przypomnij sobie opis modułu DUR i zwróć uwagę na powiązanie napięcia
sygnału asymetrycznego przykładanego do wejścia modułu DUR z różnicą pomiędzy
napięciami na wyjściach INIP i ININ. Ta różnica jest dwa razy większa od napięcia
przyłożonego do wejścia. Nie zrób więc błędu w obliczeniach!
Doprowadź do wejścia układu różnicowego (czyli do wejścia WE modułu DUR)
sygnał z generatora. Zmierz, obserwując przy pomocy oscyloskopu sygnały na obu
wyjściach, wartości napięć UCMAX i UCMIN, a następnie oblicz skok napięcia ΔUC na
kolektorach tranzystorów. Pomiary wykonaj dla dwóch zaprojektowanych wersji układu 5.
Wyznacz rzeczywisty prąd źródła prądowego IEE oraz prąd płynący przez opornik REE.
b) Pomiar wzmocnienia składowej wspólnej.
W celu wykonania tego pomiaru przełącz przełącznik BB34 (SW4) w położenie „UP” i
wyłącz wyjście generatora. Teraz do baz obu tranzystorów układu różnicowego jest
doprowadzone to samo napięcie stałe, które może być regulowane przy pomocy
potencjometru na płycie czołowej modułu DUR. Przyciskiem ">" po prawej stronie
przycisku "AUTO" przełącz woltomierz w tryb uśredniania największej liczby pomiarów
(100). Wszystkie pomiary wykonaj powoli i bardzo dokładnie.
Zanotuj wyniki pomiarów i obliczeń w protokole, a następnie zestaw je z parametrami
zakładanymi w projekcie. Jeśli rozbieżności są duże, sprawdź poprawność montażu,
ewentualnie obliczenia projektowe. Jeśli układ nie działa zgodnie z oczekiwaniami i nie
da się ustalić przyczyny problemu, skonsultuj się z prowadzącym.
Uwaga: pomiar wzmocnienia składowej wspólnej są wykonywane przy pomocy napięcia
stałego i woltomierza, ponieważ sygnały uzyskiwane na wyjściach układu
różnicowego zasilanego źródłem prądowym IEE są bardzo małe i oscyloskop jest
przyrządem za mało dokładnym, aby ten pomiar dało się rzetelnie przeprowadzić.
Uwaga: w celu sprawdzenia poprawności działania układu możesz też przełączyć
oscyloskop w tryb pracy X-Y, a następnie zaobserwować wielkosygnałowe
charakterystyki przejściowe i porównać je z przewidywanymi. Jeśli uznasz to za
potrzebne, możesz wykonać szkicowy rysunek tych charakterystyk i zaznaczyć na nim
ważne poziomy napięć.
Zmień napięcie UP w całym możliwym zakresie (ok. ± 2 V) i zanotuj jego skrajne
wartości. Dla tych skrajnych wartości napięcia U P zmierz i zanotuj napięcia stałe na obu
wyjściach dwóch badanych wersji układu różnicowego.
Wyznacz wzmocnienia składowej wspólnej, a następnie - korzystając z wyników
pomiarów wzmocnień sygnału różnicowego - oszacuj wartości współczynnika tłumienia
składowej wspólnej (CMRR). Na podstawie uzyskanych wyników oszacuj rezystancję
źródła prądowego IEE.
Skomentuj uzyskane wyniki.
Na podstawie uzyskanych wyników oblicz przewidywane wzmocnienia badanego
układu. Podaj sposób ich obliczenia.
Zadanie 2 - układ WR2: pomiary wzmocnień (2 p)
Ustal częstotliwość sygnału sinusoidalnego podawanego z generatora na kilka kHz.
Ustaw w generatorze właściwą, małą amplitudę tego sygnału6.
Dołącz generator do wejścia modułu DUR i włącz wyjście generatora. Wykonaj
następujące pomiary:
Zadanie 3 - WR3: badanie układu różnicowego z obciążeniem dynamicznym (2 p)
Uwaga: pomiary w tym zadaniu powinny zostać wykonane tylko dla układu różnicowego
zasilanego od strony emiterów źródłem prądowym.
a) Pomiar wzmocnienia sygnału różnicowego.
Zmierz napięcia zmienne na obu wyjściach układu różnicowego, a następnie wyznacz
rzeczywiste wartości wzmocnień do obu wyjść, dla obu wersji badanego układu.
Narysuj w protokole schematy badanego układu różnicowego i zaznacz na nim "oporniki
dydaktyczne". Opisz je zgodnie z oznaczeniami na płytce drukowanej modułu DUR,
5) Pamiętaj o stałoprądowym (DC) sprzężeniu wejść oscyloskopu!
6) Można przyjąć, że "mały sygnał" to nie więcej niż 20 mVpp na wejściu układu
różnicowego.To znaczy, że do wejścia modułu DUR należy doprowadzić najwyżej
10 mVpp, ale dokładniejszy wynik uzyska się przy pomiarze sygnałem jeszcze mniejszym.
7) Jeśli podejrzewasz, że przyczyną zaobserwowanych rozbieżności jest
"niestandardowa" strefa przejściowa, przełącz oscyloskop w tryb X-Y i zaobserwuj
rzeczywistą strefę przejściową badanego układu różnicowego.
3
Instytut Systemów Elektronicznych - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych
podaj wartości ich rezystancji. Zanotuj, czy są to wartości odczytane z elementu, czy
zmierzone omomierzem.
Ćwiczenie 3 - instrukcja, semestr letni 2016
płycie czołowej modułu DUR.
Udokumentuj swoje obserwacje, na przykład rysując wykres zależności wzmocnienia
od prądu. Skomentuj uzyskane wyniki.
Sprawdź doświadczalnie, jak zmiana prądu wpływa na składową stałą na wyjściu.
Podsumuj swoje obserwacje.
Aby poprawnie skonfigurować moduł DUR do pomiarów układu WR3:
- trzyżyłowy przewód INIP dołącz do wejścia IN3A,
- czterożyłowy "przewód wyjść" dołącz do wyjścia WR3-O,
- ustaw:
• przełącznik IEEE (SW1) w położeniu "WR3" (pozycja do brzegu płytki),
• przełącznik BEE1 (SW3) w położeniu "-11 V" (ustalony prąd źródła prądowego
IEE),
• przełącznik IEE/REE (SW2) w położeniu "IEE",
• przełącznik B6 (SW6) w położeniu "masa" (baza "prawego" tranzystorów
dołączona do masy),
• przełącznik TLUM (SW10) w położeniu "1:1" (w kierunku środka płytki,
sterowanie układu różnicowego ze źródła sygnału o małej rezystancji
wewnętrznej).
Zadanie 4 - układ WR4: wykorzystanie tranzystorów dyskretnych, poszerzenie
strefy przejściowej (2 p)
a) Dołącz kabelek INIP do wejścia układu WR4 (złącze IN4A), przełącz przełącznik
STREFA (SW7) w pozycję "NORM" (układ różnicowy ze standardową strefą
przejściową). Sprawdź, czy możesz oszacować szerokość strefy przejściowej.
Wyjaśnij, czy zwykła strefa przejściowa poprawnie działającego układu WR
zbudowanego z tranzystorów dyskretnych może się różnić od strefy pary różnicowej
na wspólnym podłożu. Następnie przełącz przełącznik STREFA w pozycję "SZER" i
naszkicuj fragment charakterystyki z rozszerzoną strefą przejściową. Zanotuj
zmierzoną szerokość strefy przejściowej.
Jaka jest jej zgodność z przewidywaniami teoretycznymi? Porównaj charakterystykę
przejściową układu "klasycznego" z charakterystyką układu z rozszerzoną strefą.
a) Zamontuj jeden z oporników RC1/3 lub RC2/4 jako RLL w układzie WR3, a następnie
zmierz wzmocnienie tego układu8. Czy wzmocnienie w układzie z obciążeniem
dynamicznym jest takie samo jak wzmocnienie uzyskane w analogicznym układzie
WR2? Jeśli nie, jak można to wyjaśnić?
Czy kształty charakterystyk w obszarze strefy przejściowej są takie same? Czy można
wyciągnąć z tego wnioski na temat liniowości układu z rozszerzoną strefą?
b) Przełącz przełącznik STREFA z powrotem w pozycję "NORM". Mierząc
woltomierzem napięcia stałego potencjał jednego z kolektorów (zanotuj, którego)
zbadaj reakcję układu WR4 na zwiększenie temperatury 9 jednego z tranzystorów.
Wyjaśnij zaobserwowane zmiany potencjału kolektora. Czy można uzyskać poprawną
pracę układu różnicowego zbudowanego z tranzystorów dyskretnych?
b) Zmierz wzmocnienie układu dla około trzykrotnie większej wartości rezystancji RLL.
Porównaj zmianę wzmocnienia ze zmianą rezystancji.
Co by się stało, gdyby takie oporniki zamontowano w układzie WR2? Czy
wzmocnienie w tym układzie zmieniłoby się tak samo?
Wskazówka: Jeśli nie potrafisz odpowiedzieć na to pytanie, dokonaj eksperymentu i
sprawdź, w jakim stanie są tranzystory w układzie WR2.
Przełącz przełącznik STREFA w pozycję "SZER" i ponownie zbadaj reakcję układu
na podgrzanie jednego z tranzystorów. Porównaj reakcję tej wersji układu
różnicowego na zmiany temperatury z reakcją wersji podstawowej (bez rozszerzonej
strefy)
Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów odpowiedz na pytanie, czy układ
różnicowy z poszerzoną strefą przejściową musi być wykonany z tranzystorów
umieszczonych na wspólnym podłożu.
c) Wmontuj jako RLL opornik o jeszcze większej rezystancji (na przykład 10 razy
większej niż pierwotna). Ponownie zmierz wzmocnienie i wyciągnij wnioski z
przeprowadzonego eksperymentu.
d) Wróć do pierwotnej rezystancji RLL i sprawdź możliwość regulacji wzmocnienia w
układzie z obciążeniem dynamicznym za pomocą zmiany prądu I EE. W tym celu
zmień położenie przełącznika BEE1 na "UBEE" i reguluj prąd IEE potencjometrem na
Uwaga: w układzie WR4 nie ma możliwości mierzenia potencjałów wprost na
kolektorach tranzystorów, dlatego należy skorzystać z czterożyłowego “przewodu
wyjść”, a woltomierz dołączyć do gniazd DC na płycie czołowej modułu DUR.
8) Zauważ, że układ z obciążeniem dynamicznym ma wejście asymetryczne i
doprowadzasz do niego sygnał tylko z jednego przewodu (INIP). Sygnał na wejściu
układu różnicowego ma więc dwa razy mniejszą amplitudę niż w zad. 2. A więc, aby oba
porównywane układy były badane w takich samych warunkach, warto dwukrotnie
zwiększyć amplitudę sygnału podawanego z generatora na wejście modułu DUR.
9) W układzie WR4 można zwiększyć temperaturę jednego tranzystora z pary
różnicowej, trzymając przez chwilę tranzystor Q2 w palcach lub włączając układ
grzejnika z tranzystorem Q7 (podgrzewany jest wtedy tranzystor Q1).
4