tranzystorowy układ różnicowy
Transkrypt
tranzystorowy układ różnicowy
Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: UKŁADY ELEKTRONICZNE 2 (TS1C500 030) TRANZYSTOROWY UKŁAD RÓŻNICOWY Białystok 2006 2 TRANZYSTOROWY UKŁAD RÓŻNICOWY 1. WSTĘP Tematem ćwiczenia są podstawowe własności tranzystorowego układu różnicowego. Ten elementarny układ jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych we współczesnej elektronice, przy czym różnorodność jego zastosowań jest bardzo duża. Układy różnicowe są wykorzystywane zarówno do wzmacniania sygnałów (np. stopnie wejściowe wzmacniaczy operacyjnych) jak i operacji nieliniowych (modulatory i demodulatory AM i FM, układy mnożące i logarytmujące, układy kształtujące, funkcyjne, ograniczniki itp.). Inną ważną dziedziną zastosowań układów różnicowych jest technika cyfrowa, w której są one podstawą realizacji funktorów logicznych ECL. Celem ćwiczenia jest ugruntowanie wiadomości dotyczących układu różnicowego poprzez obserwację jego wielkosygnałowych charakterystyk przejściowych oraz pomiary małosygnałowego wzmocnienia różnicowego i sumacyjnego w różnych warunkach obciążenia i zasilania. Między innymi bada się współpracę układu różnicowego z obciążeniem dynamicznym w postaci sterowanego źródła prądowego (lustra, wtórnika prądowego), które umożliwia nie tylko uzyskanie dużego wzmocnienia różnicowego, lecz również redukcję wzmocnienia sumacyjnego oraz desymetryzację wyjścia układu. W końcowej części ćwiczenia przewidziano eksperyment częściowo projektowany przez wykonującego, ilustrujący jedno z wielu możliwych nieliniowych zastosowań układu różnicowego. Eksperyment ten ilustruje efekt analogowego mnożenia sygnałów w układzie różnicowym. 2. OPIS TECHNICZNY UKŁADU BADANEGO DN031A Badany układ różnicowy, którego schemat przedstawiono na rys.2, składa się z dwóch tranzystorów (T1, T2) monolitycznego układu scalonego UL1111. Tranzystory te są polaryzowane przez przełączany układ pomocniczy, który w zależności od pozycji przełącznika może realizować prądowe zasilanie emiterów (źródło prądowe T3 o wydajności 0.5 lub 1.5mA) lub też - zasilanie quasi prądowe - przez rezystor R17. W tym drugim przypadku prąd zasilania emiterów wynosi około 1.5 mA. Badany układ różnicowy może współpracować z obciążeniem liniowym (rezystory R5 i R6) lub z obciążeniem dynamicznym sterowanym (wtórnik prądowy T6, T7). Zmiany rodzaju dokonuje się przełącznikiem obciążenia suwakowym "RC, dyn". W pozycji "RC" kolektory obu tranzystorów T1 i T2 dołączone są przez rezystory do napięcia zasilania +5V. Tranzystory wtórnika prądowego T6, T7 są wówczas zatkane. W pozycji "dyn" układ różnicowy zasilany jest w sposób pokazany na rys.1. Jak widać na rysunku, ten sposób zasilania umożliwia uzyskanie dużych wartości Rys.1. Zasilanie kolektorów układu różnicowego napięciowego wzmocnienia różnicowego (przy za pomocą wtórnika (lustra) prądowego w R →∞) oraz eliminację sygnału współbieżnego C pozycji „dyn” przełącznika rodzaju obciążenia. (do obciążenia płynie różnica prądów kolektorów), 3 Rys.2. Schemat badanego układu różnicowego DN031A. co - po pierwsze - prowadzi do radykalnego zmniejszenia wzmocnienia sumacyjnego kus, zaś po drugie - do uzyskania różnicowego sygnału na wyjściu niesymetrycznym. Rezystor RC w przypadku obciążenia dynamicznego służy do ograniczenia wzmocnienia różnicowego, bowiem przy bardzo dużych wartościach kur utrzymanie układu różnicowego w stanie równowagi jest bardzo trudne, np. ze względu na różnice charakterystyk tranzystorów T1 i T2 lub niesymetrię wtórnika prądowego T6, T7. Przy braku wysterowania napięcie wyjściowe równe jest UCC = 5V, bez względu na wartość prądu zasilania emiterów. Zakres aktywnej pracy tranzystora T2 ograniczony jest z jednej strony jego zatkaniem (uwy2 wynosi wówczas UCC + IERC), z drugiej zaś - jego nasyceniem, tzn. przewodzeniem złącza B-C T2. Przełącznik 4 "RC, 20kΩ" umożliwia zmianę wartości RC i zaobserwowanie wynikających stąd zmian wzmocnienia. Wybór rodzaju sygnału w różnych eksperymentach umożliwia zespół przełącznika sterowania bazy tranzystora T1 (base1) oraz przełącznik sterowania bazy T2 (base2, rys.3). Na bazę T1 można podać: przyrost napięcia stałego równy 5 mV przy pomiarach wzmocnienia różnicowego (włączenie ∆V i chwilowe naciskanie klawisza oznaczonego "←"); napięcie stałe regulowane z pomocniczego źródła V(T4, T5,R22) przy pomiarach wzmocnienia sumacyjnego. Napięcie to można regulować w granicach -2, +2V; napięcie trójkątne z przystawki charakterograficznej dwukanałowej XY (wkładka SN7212) przy obserwacji charakterystyk przejściowych; sygnał modulowany (sinusoidalny) z generatora sygnałów synfazowych (wkładka SN3112) przy analogowym mnożeniu sygnałów w układzie różnicowym. Sygnał ten jest na wejściu ("mod1") 100-krotnie redukowany (R1, R2), o czym należy pamiętać przy obliczeniach układu mnożącego. Rys.3. Płyta czołowa wkładki DN031A Do bazy T2 można jedynie dołączyć stałe regulowane napięcie V, potrzebne przy obserwacjach charakterystyk przejściowych i pomiarach wzmocnienia sumacyjnego. Ponadto oba wejścia układu różnicowego można niezależnie od siebie łączyć z masą klawiszem oznaczonym "⊥". Sygnał modulujący wprowadza się poprzez kondensator C1 bezpośrednio na bazę tranzystora T3 (gniazdo "mod2"). Na wyjściach układu różnicowego znajdują się dodatkowe rezystory szeregowe R23 i R24, zabezpieczające przed wzbudzaniem się układu po obciążeniu 5 go kablami łączącymi. Rezystory te, wobec dużej rezystancji wejściowej przyrządów pomiarowych ≥1 MΩ praktycznie nie wprowadzają błędów pomiaru. 3. WYKAZ APARATURY POMOCNICZEJ Do wykonania ćwiczenia potrzebne są następujące przyrządy pomiarowe: przystawka charakterograficzna dwukanałowa XY (wkładka SN7212), generator sygnałów synfazowych (wkładka SN3112), przełącznik dwukanałowy dc (wkładka SA4011). 4. OBLICZENIA WSTĘPNE I PROJEKTOWE Statyczne charakterystyki przejściowe tranzystorowego układu różnicowego mają w przybliżeniu kształt przedstawiony na rys. 4. Oba tranzystory znajdują się w stanie aktywnym jedynie w stosunkowo wąskiej strefie przełączania prądu. Poza tą strefą, gdy uwe < U0 T1 jest zatkany, T2 zaś przewodzi. Przy uwe > U0 stan tranzystorów jest odwrotny, przy czym począwszy od uwe = UM, tranzystor T1 nasyca się. Rys.4. Tranzystorowy układ różnicowy z obciążeniem liniowym. Schemat (a), charakterystyki przejściowe (b). UBCP - to napięcie przewodzenia złącza BC Korzystając z najprostszych modeli odcinkowych tranzystora dla zakresu zatkania, przewodzenia i nasycenia, należy wyprowadzić i wpisać do protokółu równania wszystkich odcinków charakterystyk przejściowych uc1, uc2 = f(ub1). Po wyprowadzeniu równań obliczyć i narysować w protokóle charakterystyki dla danych UCC=5V, UEE=-15V, U0=0V, RC1,1=2 kΩ, RE=10 kΩ. 2. Przyjmując, że zależność prądu IC od UBE tranzystora ma charakter wykładniczy, wyprowadzić równanie opisujące nieliniowy przebieg charakterystyk przejściowych w zakresie przełączania prądu. Analizę przeprowadzić dla układu ze źródłem prądowym. Korzystając z wyprowadzonych równań, obliczyć małosygnałowe wzmocnienie różnicowe dla układu z obciążeniem liniowym na wyjściu niesymetrycznym przy RC = 2 kΩ, IE = 1.5 mA. 3. Powtórzyć obliczenia wzmocnienia w p.2 dla obciążenia układu różnicowego wtórnikiem prądowym przy RE = 2 Ω, IE = 1.5 mA. Wykorzystać wyniki tych obliczeń w p.4. 1. 6 4. W końcowej części ćwiczenia bada się różnicowy układ mnożący, w którym dokonuje się amplitudowej modulacji sygnałów. Zakładając, że sygnał modulowany podawany na wyjście "mod1" jest stukrotnie tłumiony, obliczyć na podstawie danych katalogowych takie wartości amplitud sygnałów: modulującego i modulowanego, aby na wyjściu z układu badanego uzyskać przebieg zmodulowany o jednej dowolnej kombinacji wartości amplitudy nośnej i współczynnika głębokości modulacji z podanych w tablicy 1. Obliczenia wykonać dla układu z obciążeniem dynamicznym przy RC = 2 kΩ, IE = 1.5 mA. Tabela A. Założone wartości amplitudy i współczynnika głębokości modulacji sygnału wyjściowego z układu mnożącego. UN,V m 0.25 0.2 0.5 0.4 0.75 0.6 1 0.8 1.25 1 1.5 1 5. OBSERWACJE I POMIARY 5.1 Obserwacja statycznych charakterystyk przejściowych układu różnicowego Obejrzeć na ekranie oscyloskopu i przerysować do protokółu charakterystyki przejściowe uwy1, uwy2 = f(ub1) badanego układu różnicowego, współpracującego z obciążeniem liniowym RC (rys. 5). Obie charakterystyki powinny być obserwowane jednocześnie za pomocą wkładki charakterograficznej dwukanałowej XY SN7212 (por. rys.6), najlepiej w polu o wymiarach 8 × 5 cm i zakresach współrzędnych: x ∈ (-4 V; +4 V); y ∈ (0; 5 V). Podaną skalę należy zachować na rysunku. Obserwacji dokonać kilkakrotnie, zmieniając warunki zasilania układu różnicowego. W szczególności należy zdjąć charakterystyki przejściowe przy bazie T2 zwartej z masą oraz przy: Rys.5. Uproszczony schemat układu badanego przy a) zasilaniu prądowym IE = 1.5 mA oraz IE obserwacji statycznych charakterystyk przejściowych = 0.5 mA, b) zasilaniu oporowym RE Następnie zaobserwować wpływ zmian napięcia bazy T2 (włączyć ub2 = V) na położenie obu charakterystyk przejściowych. Na zakończenie zaobserwować dokładny przebieg charakterystyk przejściowych w zakresie przełączania prądu zwiększając 50-krotnie czułość odchylania we wkładce DN031A. Należy przy tym ponownie zewrzeć bazę T2 do masy. Zagadnienia: a) na podstawie nachylenia zaobserwowanych charakterystyk można oszacować wzmocnienie różnicowe i sumacyjne układu różnicowego. Należy przeprowadzić odpowiednie obliczenia i zapisać ich wyniki, porównać z wynikami obliczeń wstępnych; 7 określić szerokość strefy przełączania układu różnicowego jako taki przedział napięcia ub1, w którym zachodzi prawie całkowita zmiana prądu kolektora tranzystorów T1, T2, tzn. od 10% do 90% IE. Zaproponować zmiany układowe w kierunku poszerzenia tego zakresu; c) skomentować zmiany kształtu charakterystyk przejściowych pod wpływem zmian napięcia ub2 dla układu z rezystorem RE. b) Rys.6. Schemat połączenia przyrządów pomiarowych do obserwacji charakterystyk przejściowych układu różnicowego DN031A 5.2 Pomiary wzmocnienia układu różnicowego W dalszej części ćwiczenia układ badany będzie traktowany jako wzmacniacz różnicowy, którego wejściem nieodwracającym jest baza T1, odwracającym - baza T2, zaś wyjściem - kolektor T2. Wzmocnienie różnicowe kur układu badanego określa się na podstawie pomiaru przyrostu napięcia kolektora T2 (WY2), który powstaje wskutek zwiększenia napięcia różnicowego o 5 mV (∆ub1 przy ub2 = 0; dokonuje się tego wciskając chwilowo klawisz "←" przy włączonym klawiszu "∆V", przy czym baza T2 powinna być połączona z masą za pomocą klawisza "⊥" - por. rys. 1). Wzmocnienie sumacyjne kus określa się natomiast mierząc przyrost napięcia wyjściowego, wynikający z jednoczesnej zmiany napięcia na obu wejściach w zakresie -2, +2 V ( w tym celu zwiera się bazy tranzystorów T1, T2 i dołącza je do napięcia V wciskając oba klawisze oznaczone tym symbolem). Zmianę napięcia wejściowego kontroluje się również woltomierzem cyfrowym, który powinien być połączony z układem badanym poprzez przełącznik Rys.7. Układ do pomiarów wzmocnienia dwukanałowy SA4011 (rys. 7). Uproszczone różnicowego i sumacyjnego schematy układu badanego przy pomiarach wzmocnienia przedstawiono na rys. 8. 8 Wzmocnienie różnicowe i sumacyjne sześciokrotnie, w warunkach podanych w tablicy 2. układu badanego należy zmierzyć Zagadnienia: uzasadnić różnicę między wartościami wzmocnienia kur w przypadkach 1 i 2 i zależność tego wzmocnienia od prądu IE; b) uzasadnić różnicę między wartościami wzmocnienia kus w przypadkach 2 i 3 oraz podać zależność tego wzmocnienia od rezystancji obwodu zasilania emiterów; c) uzasadnić różnicę między wartościami wzmocnienia kur w przypadkach 4 i 5. Podać, czym ograniczona jest maksymalna wartość wzmocnienia różnicowego w badanym układzie; d) podać, jakie skutki spowodowałoby zwiększenie RC z 2 do 20kΩ przy pracy układu różnicowego z obciążeniem liniowym. Czy skutkom tym można byłoby zapobiec przez ewentualne zmiany wartości innych elementów schematu? Przedyskutować wpływ tych zmian na wielkość kur; e) wyjaśnić różnicę między wzmocnienia wartościami sumacyjnego w przypadkach 3 i 6. Jaki wpływ na wartość kus a) ma w przypadku 6 ewentualna niesymetria wtórnika (lustra) prądowego T6, T7? Rys.8. Uproszczone schematy ideowe układu badanego przy pomiarach wzmocnienia różnicowego (a) i sumacyjnego (b) Tabela B. Warunki pomiaru wzmocnienia różnicowego i sumacyjnego badanego układu Lp. 1 2 3 4 5 6 Obciążenie liniowe, RC = 2 kΩ jw jw dynamiczne, RC = 2 kΩ dynamiczne, RC = 20 kΩ dynamiczne, RC = 2 kΩ Zasilanie emiterów IE = 0.5 mA IE = 1.5 mA RE IE = 1.5 mA IE = 1.5 mA RE 9 5.3 Badanie wzmacniacza różnicowego jako układu analogowego mnożenia sygnałów Wykorzystując zależność wzmocnienia kur od prądu zasilającego emitery tranzystorów układu różnicowego, można zrealizować w tym układzie operację mnożenia analogowego. W szczególnym przypadku właściwość ta może być wykorzystana do modulacji amplitudowej sygnałów, przy czym wykorzystanie desymetryzujących własności obciążenia dynamicznego prowadzi do uzyskania modulatora zrównoważonego. Uproszczony schemat ideowy układu badanego pracującego w układzie modulatora przedstawiono na rys. 9. Do sterowania tego układu należy wykorzystać generator sygnałów synfazowych SN3112 (por. schemat pomiarowy na rys. 10). Amplitudę sygnałów modulowanego (sinusoida, wejście modulującego "mod1") oraz (trapezoida, wejście "mod2") należy ustawić zgodnie z wynikami obliczeń wstępnych. powinien Układ różnicowy współpracować z obciążeniem dynamicznym przy RC = 2 kΩ oraz Rys.9. Uproszczony schemat układu badanego pracującego jako IE = 1.5 mA. Przebieg napięcia wyjściowego przerysować do modulator amplitudy protokółu z zachowaniem skali obu współrzędnych. Następnie przełączyć obciążenie dynamiczne na liniowe i ponownie przerysować obserwowany przebieg do protokółu. Należy pamiętać o synchronizacji oscyloskopu z generatora SN3112. Zagadnienia: a) wyjaśnić ewentualne rozbieżności między obliczonymi a uzyskanymi parametrami przebiegu zmodulowanego; b) uzasadnić różnice kształtu przebiegów zmodulowanych w układzie z obciążeniem dynamicznym i liniowym, np. przez wyprowadzenie zależności analitycznych, opisujących te przebiegi. LITERATURA 1. Filipkowski A. Układy elektroniczne Rys.10. Schemat pomiarowy do badania układu różnicowego analogowe i cyfrowe. WNT, 2006. pracującego jako modulator amplitudy 2. Nosal Z., Baranowski J. Układy elektroniczne cz. I – Układy analogowe liniowe. WNT, 2003.