UR ΔUC = I R

Pomiar szerokości strefy przejściowej układu różnicowego
Maciej Radtke, [email protected]
wersja 1.0
Układ różnicowy dobrze opisują jego charakterystyki przejściowe, czyli przedstawione graficznie
zależności napięć na dwóch wyjściach układu od napięcia różnicowego na jego wejściu. Każdemu
elektronikowi jest dobrze znany, pokazany niżej, charakterystyczny "motylek", który powstaje ze
złożenia obu charakterystyk przejściowych na jednym rysunku.
Pokazane na rys. 11 linią kropkowaną charakterystyki przejściowe to charakterystyki "naturalne",
których rozmiar na osi pionowej (ΔUC) jest zależny od prądu zasilającego układ różnicowy I EE
i rezystancji RC umieszczonych w kolektorach tranzystorów, natomiast rozmiar na osi poziomej
(tzw. szerokość strefy przejściowej) zależy tylko, w niewielkim stopniu, od temperatury.
Matematyczny opis charakterystyk przejściowych układu różnicowego jest dosyć skomplikowany,
więc w praktyce najczęściej stosuje się liniową aproksymację, którą na rysunku pokazano przy
pomocy linii ciągłych, stycznych do rzeczywistych charakterystyk w ich środkowym punkcie.
Nachylenie tych linii odpowiada wzmocnieniu układu różnicowego w środku jego strefy
przejściowej, natomiast punkty przecięcia z liniami poziomymi, wyznaczającymi maksymalny skok
napięcia na kolektorach tranzystorów wynoszący ΔUC, są od siebie oddalone o 4φ T, czyli
o 100 mV2.
ok. 112 mV
UCC
UWY1
UWY2
0,9 ΔUC
ΔUC = IEERC
0,1 ΔUC
UCC - IEERC
100 mV
-200mV
-100mV
0mV
100mV
200mV
UR
Rys. 1: Charakterystyki przejściowe układu różnicowego
Nierzadko zdarza się, że układ różnicowy nie posiada charakterystyk naturalnych, a szerokość
strefy przejściowej jest zwiększona. Może to być efekt zamierzony, ale może się też zdarzyć tak, że
poszerzenie strefy przejściowej wynika z nieidealności użytych tranzystorów. Tak właśnie jest
w układach scalonych UL1111, które zostały zastosowane w układach różnicowych modułu DUR.
1
2
Wykorzystano rysunek pochodzący z materiałów dydaktycznych do przedmiotu USE, autorstwa dr inż.
K. Antoszkiewicza
W temperaturze 20°C
Tranzystory w tym układzie mają stosunkowo dużą rezystancję szeregową emiterów r ee', co skutkuje
zwiększeniem szerokości strefy w stosunku do jej naturalnego rozmiaru. Nietrudno zauważyć, że
rozszerzenie strefy przejściowej będzie powodowało zmniejszenie nachylenia charakterystyk
przejściowych, a więc zmniejszenie wzmocnienia w stosunku do oczekiwanego. To sprawia, że
jedną z podstawowych czynności przy próbie wytłumaczenia przyczyn "tajemniczej" utraty
wzmocnienia układu różnicowego powinien być pomiar szerokości jego strefy przejściowej.
Tu jednak pojawia się problem, wynikający z rzeczywistego kształtu charakterystyk przejściowych
- a tylko takie da się obejrzeć przy pomocy oscyloskopu. Otóż te charakterystyki nie posiadają
żadnych charakterystycznych punktów, których można by użyć do wykonania precyzyjnego
pomiaru. Krzywe są "gładkie", a w dodatku zbliżają się do poziomów U CMAX = UCC oraz
UCMIN = UCC - IEERC bardzo łagodnie. W takiej sytuacji należy arbitralnie określić jakieś punkty
charakterystyczne. Najczęściej są one definiowane podobnie, jak przy pomiarze czasów narastania
zboczy przebiegów impulsowych: na poziomach 10% i 90% całkowitej zmiany napięcia.
Takie punkty są pokazane na rysunku kolorem żółtym. Należy jednak zwrócić uwagę na to, że
w przypadku naturalnej strefy przejściowej punkty te są od siebie oddalone nie o 100 mV, a o około
112 mV. Jeśli więc pomiar szerokości strefy metodą "10 - 90" da wynik 112 mV, nie należy jej
uznawać za zbyt szeroką.
Pomiar szerokości strefy przejściowej przy pomocy oscyloskopu może być wykonany w trybie
pracy X - Y. Do kanału CH1 oscyloskopu Rigol DS1062 należy doprowadzić napięcie wejściowe
układu różnicowego, a do kanału CH2 napięcie z wyjścia tego układu. Otrzymuje się wówczas
obraz jak na rys. 2, czyli jedną z charakterystyk przejściowych.
Rys. 2: Charakterystyka przejściowa układu
różnicowego oglądana w trybie X-Y oscyloskopu
Niestety ten, wydawałoby się najbardziej naturalny i najprostszy, sposób pomiaru wcale prosty
i łatwy nie jest. Wynika to z nieprzyjemnej cechy oscyloskopu Rigol DS1062, jaką jest brak
możliwości użycia krzyżowych kursorów w trybie X - Y. W takiej sytuacji wyznaczanie punktów
"10%" i "90%" i pomiar ich odległości na osi X polega na wielokrotnym przełączaniu kursorów
z pionowych na poziome i wyznaczaniu punktów ich przecięcia sposobem "na oko". To sprawia, że
pomiar jest bardzo pracochłonny, a w dodatku mało dokładny. Dodatkowym problemem może być
także to, że w trybie X - Y nie jest możliwe użycie funkcji uśredniania przebiegów, a więc
w przypadku występowania znaczących zakłóceń pojawia się dodatkowa niepewność wynikająca
z grubości linii, którą na ekranie oscyloskopu jest rysowana mierzona charakterystyka.
Wymienionych trudności można uniknąć poprzez modyfikację metody pomiarowej, polegającą na
wykorzystaniu sygnału trójkątnego do pobudzenia układu różnicowego, a następnie wykonaniu
pomiaru szerokości strefy przejściowej układu różnicowego nie w trybie X - Y, a na osi czasu (czyli
w normalnym trybie Y - T). Jest to możliwe dzięki temu, że w sygnale trójkątnym zależność
zmiany napięcia od czasu jest liniowa.
Na rys. 3 pokazano obraz z ekranu oscyloskopu, na którym widać sygnał trójkątny, użyty do
pobudzenia układu różnicowego, oraz sygnał pochodzący z jednego z wyjść. Po przełączeniu
oscyloskopu w tryb pracy X - Y zostanie oczywiście wyświetlona charakterystyka przejściowa, ale
nietrudno zauważyć, że każde ze "zboczy" sygnału wyjściowego ma kształt dokładnie
odpowiadający kształtowi charakterystyki przejściowej - tyle, że na osi poziomej jest nie napięcie,
a czas. Ten czas może być jednak łatwo przeliczony na napięcie, jeśli zna się parametry sygnału
trójkątnego: jego amplitudę A oraz częstotliwość f. Na podstawie tych dwóch parametrów można
wyznaczyć współczynnik, który pozwoli na przeliczenie nastawy podstawy czasu oscyloskopu
(wyrażonej w sekundach na działkę) na odpowiadające jej "napięcie na działkę". Ten współczynnik
jest oczywiście wyrażony w V/s i wynika z szybkości narastania i opadania napięcia sygnału
trójkątnego. Dla pokazanego na rysunku sygnału o częstotliwości 1kHz i amplitudzie 500mV 3 jest
to 1 mV/μs4, a więc przy ustawionej podstawie czasu 200 μs/działkę, jednej działce na osi poziomej
odpowiada zmiana napięcia wejściowego o 200mV.
Rys. 3: Odpowiedź układu różnicowego na pobudzenie
sygnałem trójkątnym
Czytelnik tego tekstu, któremu udało "przegryźć się" przez dotychczasowe wywody (i je
zrozumieć!), może teraz przystąpić do błyskawicznego i dosyć dokładnego wyznaczenia szerokości
strefy przejściowej (rys. 4). W tym celu należy wykonać następujące kroki:
•
•
3
4
5
wybrać jedno ze zboczy sygnału pochodzącego z wyjścia układu różnicowego i rozciągnąć
je na ekranie oscyloskopu tak, aby zajmowało jak największą część ekranu, a jednocześnie
były wyraźnie widoczne oba graniczne poziomy napięć na wyjściu układu różnicowego5,
jeśli obserwowany sygnał jest obarczony wyraźnymi zakłóceniami, włączyć uśrednianie
(Acquire - "Normal" → "Average"),
Sygnał trójkątny musi mieć amplitudę wystarczającą do przejścia całej strefy przejściowej układu różnicowego i
całkowitego przełączenia tranzystorów.
A·2·f = 500 mV·2·1 kHz = 1mV/μs
Należy przy tym wyeliminować składową stałą, czyli włączyć w oscyloskopie sprzężenie "AC" we właściwym
kanale.
•
wykonać pomiar czasu narastania (lub opadania, w zależności od tego, które ze zboczy jest
mierzone). Ten pomiar można wykonać automatycznie (Measure - Time - "Rise Time" albo
"Fall Time"). Zostanie wówczas wykonany pomiar czasu pomiędzy poziomami 10% i 90%
całkowitej amplitudy sygnału widocznego na ekranie.
Teraz, znając obliczony wcześniej "przelicznik mikrosekund na wolty" (tutaj 1 mV/μs), można
błyskawicznie obliczyć szerokość strefy przejściowej. W przypadku pokazanym na rys. 4.
otrzymano wynik pomiaru czasu opadania równy 122 μs, czyli po przeliczeniu szerokość strefy
przejściowej wynoszącą 122 mV. Jak widać, jest ona większa od strefy "naturalnej" o około 10 %.
Rys. 4: Pomiar szerokości strefy przejściowej w trybie
Y-T oscyloskopu
Uwaga: powyższy opis dotyczy układu różnicowego z wejściem asymetrycznym (WR1). Podczas
pomiarów szerokości strefy przejściowej układu różnicowego WR2 (jest to układ z wejściem
symetrycznym) należy pamiętać, że sygnał doprowadzany do wejścia układu różnicowego jest dwa
razy większy, niż sygnał doprowadzony do wejścia modułu DUR. Otrzymany wynik należy więc
wtedy pomnożyć przez dwa.