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.