UKŁAD RÓŻNICOWY1 1. Projekt 1
Transkrypt
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