TRANZYSTOROWY UKŁAD RÓŻNICOWY (DN 031A)

Transkrypt

1 TRANZYSTOROWY UKŁAD RÓŻNICOWY (DN 031A) obciąże nie dynamiczne R 47k z erowanie R 8 3k R 9 6, 8 k R 11 6,8 k R 12 3k + T 6 BC17 T 7 BC17 + R c 20k zespół sterowania WY 1 R 2k R 23 9 R c dyn R 7 20k R 6 2k R 24 9 baza 1 R 3 k C 4220pF 2 1 i 1 i 2 4 2/UL T 2 C 220pF baza 2 mod 1 mod 2 x1 R 4 R 2 2,4k x0 R R 1 1k R 2 C 1 2,2F mo d R 13 82k -1 C 2 R 14 62k 1nF , R 1 11k I E 14 T 3 1/UL1111 1, R 16 3,6k zespół zasilania R 17 k -1 R E 1, 2/ UL T 4 R k -1 T 9 R 20 k + R 18 18k R 22 47k C 3 6,2nF R k -1 regulowane źródło napięciowe Rys.1. Schemat badanego układu różnicowego DN031A 1. OPIS WKŁADKI DN031A Badany układ różnicowy, którego schemat przedstawiono na rys. 1, składa się z dwóch tranzystorów (, T 2 ) monolitycznego układu scalonego UL1111. Tranzystory te, w zależności od pozycji przełącznika "zespołu zasilania ", są spolaryzowane przez źródło prądowe T 3 o wydajności 0, lub 1, ma lub przez rezystor R 17. W tym drugim przypadku prąd zasilania wynosi również 1, ma. Układ różnicowy może współpracować z obciążeniem liniowym (rezystory R i R 6 ) lub z lustrem prądowym (T 6, T 7 ). Zmiany rodzaju obciążenia dokonuje się przełącznikiem suwakowym "R c -dyn". W przypadku obciążenia lustrem prądowym (Rys. 2) rezystor R C służy do ograniczenia wzmocnienia różnicowego (przy bardzo dużych wartościach k ur utrzymanie układu różnicowego w stanie równowagi jest bardzo trudne). Przy braku wysterowania napięcie wyjściowe równe jest U CC =, bez względu na wartość prądu zasilania. Zakres aktywnej pracy tranzystora T 2 ograniczony jest z jednej strony jego zatkaniem ( wynosi wówczas U CC + I E R C ), z drugiej zaś - jego nasyceniem, tzn. przewodzeniem złącza B-C tranzystora T 2. Przełącznik "R c -20 k" umożliwia zmianę wartości R C i zaobserwowanie wynikających stąd zmian wzmocnienia. Wybór rodzaju sygnału w różnych eksperymentach umożliwia zespół przełącznika sterowania bazy tranzystora (base 1) oraz przełącznik sterowania bazy T 2. Na bazę można podać: przyrost napięcia stałego równy m przy pomiarach wzmocnienia różnicowego (włączenie i chwilowe naciskanie klawisza oznaczonego ); napięcie stałe regulowane z pomocniczego źródła (T 4, T, R 22 ) przy pomiarach wzmocnienia sumacyjnego. Napięcie to można regulować w granicach ~ -2, +2 ;

2 2 +1 i U cc = DN 031A RC dyn outputs R c i 1 i =i 1 i 1 - i 2 i 2 R c =2;20k x1 x0 xy mod 1 base I E R E 0, 1, 20 k base 2 mod 2 T 2 mod voltage I E = i 1 + i 2 Rys.2. Zasilanie kolektorów badanego układu różnicowego za pomocą lustra prądowego w pozycji dyn przełącznika obciążenia. nor kpe Rys. 3. Widok płyty czołowej wkładki DN031A napięcie trójkątne z wkładki charakterograficznej dwukanałowej (wkładka SN7212) przy obserwacji charakterystyk przejściowych; sygnał sinusoidalny z generatora sygnałów doprowadzany do wejścia mod 1. Sygnał ten jest 0-krotnie redukowany (R 1 -R 2 ), o czym należy pamiętać przy obliczaniu wzmocnienia. Do bazy T 2 można dołączyć jedynie stałe regulowane napięcie, potrzebne w pomiarach wzmocnienia sumacyjnego. Ponadto oba wejścia układu różnicowego można niezależnie od siebie łączyć z masą klawiszami oznaczonymi symbolem. Na wyjściach układu różnicowego znajdują się dodatkowe rezystory szeregowe R 23, R 24, zabezpieczające przed wzbudzeniem się układu po obciążeniu go kablami łączącymi. Rezystory te, wobec dużej rezystancji wejściowej przyrządów pomiarowych, zazwyczaj większej niż 1 M, praktycznie nie wprowadzają błędów pomiaru. 2. OBSERWACJE I POMIARY 2.1. Charakterystyki przejściowe układu różnicowego u C1 = u WY1, u C2 = = U CC = = U CC - I E R c = 4 u C2 pomiar asymptoty (obliczone) u B1 = U CC - I E R c /2+ k ur u B1 = 4,+u B1, k ur g m R / 2 40I R /4 c Rys. 4. Przykładowe charakterystyki przejściowe pary różnicowej: zmierzone (linie kropkowane) i obliczone (linie ciągłe). Statyczne charakterystyki przejściowe u WY1, = f(u B1 ) tranzystorowego układu różnicowego z obciążeniem liniowym R C mają w przybliżeniu kształt przedstawiony na rys. 4. Należy obejrzeć je na ekranie oscyloskopu cyfrowego i zapisać do plików w formie mapy bitowej. Obie charakterystyki powinny być obserwowane jednocześnie za pomocą dwukanałowej wkładki charakterograficznej SN7212 (rys. ), w zakresie określonym nastawami oscyloskopu (tryb X-Y): 0,1/działkę dla osi X oraz 1 lub 2/działkę dla osi Y. Sprzężenia w obu kanałach oscyloskopu powinny być sprzężeniami DC. Przy zapisie charakterystyk do plików należy notować położenie znaczników osi X i Y, jeśli nie są one widoczne na mapach bitowych rysunków. Pomiaru E c

3 3 dokonać przy bazie T 2 zwartej z masą, dla 6 przypadków podanych w Tabeli 1, oraz dodatkowo (powtórnie) dla przypadków 3 i 6 dla zwiększonego zakresu napięcia wejściowego, tj. dla 1/działkę dla osi X. R C=2k U CC= układ badany DN031A wkładka charaktero - graficzna SN7212 z wkładki charakt. u B1 R C R C T 2 WY 1 u WY1 X0 WY 1 2 X Y WY CH1-X, 0,1/ coupling:dc CH2-Y, 1/ coupling: DC Oscyloskop cyfrowy WE A zespół zasilania WE B -1 Rys.. Uproszczony schemat układu badanego przy obserwacji statycznych charakterystyk przejściowych oraz układ połączeń przyrządów. Tabela 1 Lp. Obciążenie Zasilanie W sprawozdaniu w polu zmierzonych charakterystyk przejściowych wrysować linie (asymptoty) opisujące zależności = f(u B1 ), u WY1 = f(u B1 ) w różnych zakresach napięcia wejściowego obliczone dla poszczególnych układów. W polu rysunków umieścić równania tych linii tak, jak to pokazano na rys. 4. W obliczeniach przyjąć: U CC =, U EE = -1, R C = 2 k, R E = k liniowe, R c = 2k - '' - - '' - dynamiczne R c = 2 k - '' - R c = 20 k - '' - R c = 2 k I E =0,mA I E =1,mA R E I E =1,mA I E =1,mA R E 2.2. Wzmocnienie małosygnałowe układu różnicowego Pomiar metodą przyrostową Wzmocnienia różnicowe układu badanego określa się na podstawie pomiaru przyrostu napięcia na kolektorze ( k ur ), T 2 ( k ur ) lub napięcia pomiędzy kolektorami Obciążenie liniowe ( k ur ) (patrz rys. 6a), który powstaje wskutek zwiększenia napięcia różnicowego o m. Jest to realizowane OBC. lub dynamiczne przez podanie skoku napięcia u B1 = m przy u B2 = 0. Dokonuje się tego wciskając chwilowo przycisk k przy włączonym przycisku, przy czym baza T 2 = m powinna być połączona z masą za pomocą przycisku. Przyrosty napięć wyjściowych i u WY1 mierzyć za pomocą woltomierzy dc. T 2 Wzmocnienia sumacyjne k us określa się mierząc przyrost napięć wyjściowych, wynikający z jednoczesnej zespół zasilania I E,R E zmiany napięcia na obu wejściach w zakresie np. -2, +2. W tym celu zwiera się bazy tranzystorów, T 2 i dołącza je do napięcia, wciskając oba przyciski oznaczone -1 tym symbolem. Zmianę napięcia wejściowego mierzy Rys. 6a. Uproszczony schemat układu w czasie pomiarów wzmocnienia różnicowego się woltomierzem, który powinien być połączony z gniazdem wkładki DN031A (Rys. 6b). Wzmocnienia różnicowe ( k ur, k ur, k ur ) i sumacyjne ( k us, k us, k us ) należy zmierzyć dla sześciu różnych przypadków podanych w Tabeli 1. Wyniki pomiarów i obliczeń umieścić w Tabelach pomiarowych 2 i 3.

4 W sprawozdaniu należy: -Pod tabelami pomiarowymi podać wzory stosowane do obliczania na podstawie pomiarów współczynników k ur, k ur, k ur, k us, k us, k us. -Umieścić w tabelach wartości w/w współczynników obliczone teoretycznie (w p. 2.1). W obliczeniach, tam gdzie to konieczne, przyjąć wartości parametrów tranzystorów podane w dokumentacji układu UL1111 (rys. 7). -Wymienić możliwe przyczyny różnic między wartościami rzeczywistymi i teoretycznymi. -Podać odpowiednie wzory, obliczyć i umieść w tabeli wartości współczynników CMRR, CMRR +, CMRR -. Odpowiedzieć na pytania: - Jakie skutki spowodowałoby zwiększenie R C do wartości 20 k w układzie nr 2? - Jaka jest maksymalna wartość wzmocnienia różnicowego (rezystancji R C ) w układzie nr 2? - Jaka jest maksymalna wartość wzmocnienia różnicowego (rezystancji R C ) w układzie nr 4/? Tabela 2. Pomiar wzmocnienia różnicowego Zasilanie Obciążenie U r U WY1 U WY2 k ur 4 k ur kur k ur k ur k ur m pomiar teoria I E = 0, ma Rc = 2 k 0 I E = 1, ma Rc = 2 k 0 R E = k Rc=2 k 0 I E = 0, ma dyn. 0 Rc = 2 k I E = 1, ma dyn. 0 Rc = 20k R E = k dyn. 0 Rc = 2 k () wielkości mierzone, () wielkości obliczane na podstawie pomiarów Tabela 3. Pomiar wzmocnienia sumacyjnego Zasilanie Obciążenie U s = U WY1 U WY2 k us kus kus k us k us k us pomiar teoria I E = 0,mA Rc = 2 k I E = 1, ma Rc = 2 k R E = k Rc = 2 k I E = 0, ma dyn. Rc =2 k I E = 1, ma dyn. Rc = 20k R E = k dyn. Rc = 2 k () wielkości mierzone, () wielkości obliczane na podstawie pomiarów + OBC. I E,R E +1 T 2-1 (-2;+2 ) Rys. 6b. Uproszczony schemat układu w czasie pomiarów wzmocnienia różnicowego i sumacyjnego.

5 Pomiar metodą zmiennoprądową 1. Dla przypadków A i B w Tabeli 4 zmierzyć charakterystykę amplitudową wzmacniacza dla pracy różnicowej i wyjścia nieodwracającego (WY2). Sygnał zmienny z generatora doprowadzić do wejścia mod1 wkładki i wybrać ten rodzaj sterowania na wkładce (przycisk mod ). Amplitudę sygnału dobrać tak, aby nie wystąpiły zniekształcenia sygnału na wyjściu. Napięcia wyjściowe i wejściowe mierzyć oscyloskopem cyfrowym (funkcja Meas, sprzężenia kanałów AC) w funkcji częstotliwości. Określić wartość wzmocnienia k ur w zakresie m.cz. i porównać z wartością obliczoną w p (zauważ, że napięcie doprowadzone do wejścia mod1 jest 0-krotnie tłumione). Pomiary przeprowadzić w zakresie Hz < f < 2 MHz. Wyznaczyć górną częstotliwość graniczną wzmacniacza. 2. Zmierzyć charakterystykę amplitudową wzmacniacza dla pracy sumacyjnej. Sygnał zmienny z generatora doprowadzić do wejścia, przy czym należy zadbać o to aby: (i) oba wejścia wzmacniacza były połączone z tym gniazdem (wybrany klawisz na obu wejściach wzmacniacza), (ii) tranzystor T 4 nie obciążał źródła sygnału. Należy ustawić potencjometrem minimalną wartość napięcia ( -2). Amplituda sygnału sterującego nie powinna przekraczać wartości 2. Określić wartość wzmocnienia k us w zakresie m.cz. i porównać z wartością obliczoną w p Pomiary przeprowadzić w zakresie Hz < f < 2 MHz, dla tych samych wartości częstotliowści, dla których mierzono wzmocnienie róznicowe. Tabela 4 zespół A/B 4/6 2/3 3/6 2/4 4/6 2/3 W sprawozdaniu należy: -Wykreślić na jednym wykresie wszystkie zmierzone charakterystyki k ur ( f ) i k us ( f ) (k u [db], f [Hz] skala log). -Obliczyć i wykreślić (na jednym wykresie) w funkcji częstotliwości współczynnik CMRR (w [db]) dla obu zmierzonych przypadków. 3. WYKAZ APARATURY POMOCNICZEJ przystawka charakterograficzna dwukanałowa (wkładka SN7212 ) oscyloskop cyfrowy generator METEX woltomierz dc (2 szt) kabel dc/bnc, trójnik BNC Rys. 7 Parametry znormalizowane h tranzystorów układu UL1111 w funkcji prądu kolektora