Instrukcja nr 5. Wzmacniacz różnicowy Stabilizator napięcia Tranzystor MOSFET

Transkrypt

1 Instrukcja nr 5 Wzmacniacz różnicowy Stabilizator napięcia Tranzystor MOSFET AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.1

2 Wzmacniacz różnicowy Wzmacniacz różnicowy jest układem symetrycznym o dwóch wejściach (IN1- IN2) oraz dwóch wyjściach (OUT1- OUT2). Zbudowany jest z dwóch tranzystorów w konfiguracji wspólnego emitera (WE lub OE). W tej konfiguracji na drodze od bazy do kolektora sygnał zostaje wzmocniony (patrz Lab nr 4). Oba tranzystory posiadają wspólny obwód emiterowy (w najprostszej wersji rezystor). AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.2

3 Wzmacniacz różnicowy Ważną cechą wzmacniacza różnicowego jest jego symetrycznośd. W związku z tym oba tranzystory powinny mied jednakowe parametry oby zapewnid symetrię charakterystyk lewego oraz prawego wzmacniacza. Wzmocnienie wzmacniacza różnicowego definiujemy jako stosunek: (U OUT1 -U OUT2 )/(U IN1 -U IN2 ) AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.3

4 Wzmacniacz różnicowy Aby lepiej zrozumied funkcję wzmacniacza różnicowego rozważmy dwa przypadki: 1) Do obu wejśd podpięto jednakowe sygnały 2) Do każdego wejścia podpięto inny sygnał W przypadku 1) w związku z symetrią wzmacniacza oba wyjścia powinny wskazywad to samo. Ponieważ potencjały na obu wyjściach są jednakowe, mierząc napięcie (różnicę potencjałów) otrzymujemy wartośd 0 V. Wzmocnienie sygnałów wspólnych dla obu wejśd jest równe 0. Proszę sprawdzid jakie będzie mierzone napięcie na woltomierzu XMM1! Czy wszystko się zgadza? AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.4

5 Wzmacniacz różnicowy W przypadku 2) kiedy na każdym wejściu będzie inny sygnał otrzymamy dwie różne wartości na wyjściach. Proszę sprawdzid jakie będzie mierzone napięcie między wyjściami jeśli wejścia będą różne. Proszę sprawdzid jaka musi byd minimalna różnica między wejściami (U IN1 -U IN2 ) aby wzmocnienie wzmacniacza różnicowego było większe od 1. Wzmocnienie różnicowe (różnych sygnałów wejściowych) jest bardzo duże. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.5

6 Wzmacniacz różnicowy Na wejścia wzmacniacza zamiast napięcia stałego podano sygnał z generator. Prześledź jak będą wyglądały sygnały na wyjściach (oscyloskop). Czy są jednakowe? Zmiana ustawienia jednego z potencjometrów spowoduje podanie większego lub mniejszego napięcia na jedno z wejśd. Zaobserwuj zmianę przebiegów wyjściowych. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.6

7 Stabilizator napięcia z tranzystorem bipolarnym Tranzystor bipolarny jest często stosowany do budowy stabilizatorów napięcia. Celem takiego układu jest sprawid, aby jego napięcie wyjściowe było stałe i niezależne od napięcia wejściowego oraz obciążenia. W takich układach tranzystor podpina się w konfiguracji wtórnika emiterowego (sygnał wejściowy jest podawany na kolektor tranzystora, wyjście stanowi emiter). Prezentowane układy są najbardziej podstawowymi i nie zapewniają doskonałej stabilizacji. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.7

8 Stabilizator napięcia z tranzystorem bipolarnym Napięcie wyjściowe (OUT) jest równe napięciu na diodzie Zenera (działającej w kierunku zaporowym) minus napięcie baza-emiter tranzystora. Maksymalne napięcie wyjściowe stabilizatora będzie zatem ograniczone przez wartośd napięcia progowego diody (kierunek zaporowy). Można zauważyd, że od pewnego momentu zwiększanie napięcia wejściowego (IN) nie wpływa na wartośd napięcia wyjściowego (OUT). AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.8

9 Stabilizator napięcia z tranzystorem bipolarnym Wykorzystując dzielnik napięcia na diodzie Zenera można zbudowad regulowany zasilacz napięcia. Sprawdź wpływ nastawienia potencjometru na napięcie wyjściowe oraz dodatkowo, czy dla danego ustawienia tego potencjometru, napięcie wyjściowe nie zmienia się przy zmianach napięcia wejściowego. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.9

10 Generator z przesuwnikiem fazowym RC Generator drgao jest układem elektronicznym wytwarzającym zmienny przebieg elektryczny. Generator składa się z dwóch podstawowych elementów: wzmacniacza i obwodu dodatniego sprzężenia zwrotnego podającego sygnał z wyjścia wzmacniacza z powrotem na jego wejście. O częstotliwości drgao decyduje obwód sprzężenia zwrotnego, o ich amplitudzie parametry wzmacniacza. Są dwa warunki generacji drgao: amplitudy i fazy. Warunek amplitudy mówi o tym, że sygnał na wejściu wzmacniacza podawany z układu sprzężenia zwrotnego musi byd na tyle duży, aby na wyjściu wzmacniacza otrzymad sygnał o co najmniej takim samym lub większym poziomie. Warunek fazy oznacza, że chwila maksimum sygnału na wejściu wzmacniacza, po przejściu przez wzmacniacz i układ sprzężenie zwrotnego ma wypadad zawsze w tym samym momencie. Oznacza to, że przesunięcie fazy całego układu musi byd równe wielokrotności 360. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.10

11 Generator z przesuwnikiem fazowym RC Zbuduj układ jak na rysunku generator z przesuwnikiem fazowym i uruchom symulację. Zmieo parametry rezystancji i pojemności, czy drgania wystąpią zawsze? AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.11

12 Tranzystor MOSFET MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) technologia produkcji tranzystorów polowych z izolowaną bramką. Nazewnictwo w tranzystorach: Bipolarny MOSFET EMITER BAZA ŹRÓDŁO BRAMKA KOLEKTOR DREN AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.12

13 Tranzystor MOSFET W tranzystorze bipolarnym dużym prądem kolektora sterował mały prąd bazy. W tranzystorach polowych (MOSFET) dużym prądem drenu steruje napięcie bramki. Tranzystor MOS polaryzuje się tak, żeby jeden rodzaj nośników (nie ma nośników większościowych i mniejszościowych elektrony w kanale typu N, dziury w kanale typu P) płynął od źródła do drenu. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.13

14 Tranzystor MOSFET Klucz tranzystorowy z tranzystorem MOSFET-N. Zaobserwuj przy jakim napięciu bramki następuje załączenie klucza! AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.14

15 Tranzystor MOSFET Zaobserwuj przebiegi na wejściu (sinusoida) i na wyjściu (prostokąt- kluczowanie) Układ zachowuje się jak klucz tranzystorowy ale może byd wykorzystany jako inwerter (prostokąt na wejściu i odwracanie sygnału na wyjściu). AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.15

16 Tranzystor MOSFET Zastąp rezystor w drenie obciążeniem indukcyjnym, zauważ analogiczne jak w układzie z kluczem bipolarnym przepięcia, wyeliminuj je diodą włączoną zaporowo. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.16

17 Tranzystor MOSFET Zbuduj wzmacniacz różnicowy. Zaobserwuj napięcie na wyjściu (OUT1-OUT2) gdy napięcie na bramce tranzystora Q1 jest wyższe od napięcia na bramce Q2 i odwrotnie oraz dla równych napięd. Czy układ działa tak jak przy tranzystorach bipolarnych? AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.17

18 Lab 5 - ELVIS Zbuduj wzmacniacz różnicowy. Podając jednakowe napięcie na wejścia wzmacniacza sprawdź jakie jest wzmocnienie sygnału wspólnego. Z czego wynika iż jest ono niezerowe? Jako źródła napięcia wejściowego użyj zasilacza regulowanego, nie przekraczad napięcia 3V! AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.18

19 Lab 5 - ELVIS W tym samym układzie podaj napięcie na tylko jedno wejście. Drugie wejście wzmacniacza zewrzyj do masy. Zacznij pomiar od 0V na wejściu. Następnie stopniowo zwiększaj napięcie. Określ wzmocnienie sygnału różnicowego. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.19

20 Lab 5 - ELVIS Zbuduj układ stabilizatora napięcia. Jako napięcia zasilającego użyj ponownie zasilacza regulowanego. Zaobserwuj jak zmienia się napięcie wyjściowe w funkcji wzrostu napięcia wejściowego. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 5.20