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 (T 1, T 2 ) 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 T 3 o wydajności 0.5 lub 1.5mA) lub też - zasilanie quasi prądowe - przez rezystor R 17. W tym drugim przypadku prąd zasilania emiterów wynosi około 1.5 ma. Badany układ różnicowy może współpracować z obciążeniem liniowym (rezystory R 5 i R 6 ) lub z obciążeniem dynamicznym sterowanym (wtórnik prądowy T 6, T 7 ). Zmiany rodzaju obciążenia dokonuje się przełącznikiem suwakowym "R C, dyn". W pozycji "R C " kolektory obu tranzystorów T 1 i T 2 dołączone są przez rezystory do napięcia zasilania +5V. Tranzystory wtórnika prądowego T 6, T 7 są wówczas zatkane. W pozycji "dyn" układ różnicowy zasilany jest w sposób pokazany na rys.1. Jak widać na rysunku, ten sposób zasilania Rys.1. Zasilanie kolektorów układu różnicowego za pomocą wtórnika (lustra) prądowego w pozycji dyn przełącznika rodzaju obciążenia. umożliwia uzyskanie dużych wartości napięciowego wzmocnienia różnicowego (przy R C ) oraz eliminację sygnału współbieżnego (do obciążenia płynie różnica prądów kolektorów),
3 Rys.2. Schemat badanego układu różnicowego DN031A. co - po pierwsze - prowadzi do radykalnego zmniejszenia wzmocnienia sumacyjnego k us, zaś po drugie - do uzyskania różnicowego sygnału na wyjściu niesymetrycznym. Rezystor R C w przypadku obciążenia dynamicznego służy do ograniczenia wzmocnienia różnicowego, bowiem przy bardzo dużych wartościach k ur utrzymanie układu różnicowego w stanie równowagi jest bardzo trudne, np. ze względu na różnice charakterystyk tranzystorów T 1 i T 2 lub niesymetrię wtórnika prądowego T 6, T 7. Przy braku wysterowania napięcie wyjściowe równe jest U CC = 5V, bez względu na wartość prądu zasilania emiterów. Zakres aktywnej pracy tranzystora T 2 ograniczony jest z jednej strony jego zatkaniem (u wy2 wynosi wówczas U CC + I E R C ), z drugiej zaś - jego nasyceniem, tzn. przewodzeniem złącza B-C T 2. Przełącznik
4 "R C, 20kΩ" umożliwia zmianę wartości R C i zaobserwowanie wynikających stąd zmian wzmocnienia. Wybór rodzaju sygnału w różnych eksperymentach umożliwia zespół przełącznika sterowania bazy tranzystora T 1 (base1) oraz przełącznik sterowania bazy T 2 (base2, rys.3). Na bazę T 1 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(T 4, T 5,R 22 ) 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 (R 1, R 2 ), o czym należy pamiętać przy obliczeniach układu mnożącego. Rys.3. Płyta czołowa wkładki DN031A Do bazy T 2 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 C 1 bezpośrednio na bazę tranzystora T 3 (gniazdo "mod2"). Na wyjściach układu różnicowego znajdują się dodatkowe rezystory szeregowe R 23 i R 24, 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 u we < U 0 T 1 jest zatkany, T 2 zaś przewodzi. Przy u we > U 0 stan tranzystorów jest odwrotny, przy czym począwszy od u we = U M, tranzystor T 1 nasyca się. Rys.4. Tranzystorowy układ różnicowy z obciążeniem liniowym. Schemat (a), charakterystyki przejściowe (b). U BCP - to napięcie przewodzenia złącza BC 1. Korzystając z najprostszych modeli odcinkowych tranzystora dla zakresu zatkania, przewodzenia i nasycenia, należy wyprowadzić i wpisać do protokółu równania wszystkich odcinków charakterystyk przejściowych u c1, u c2 = f(u b1 ). Po wyprowadzeniu równań obliczyć i narysować w protokóle charakterystyki dla danych U CC =5V, U EE =-15V, U 0 =0V, R C1,1 =2 kω, R E =10 kω. 2. Przyjmując, że zależność prądu I C od U BE 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 R C = 2 kω, I E = 1.5 ma. 3. Powtórzyć obliczenia wzmocnienia w p.2 dla obciążenia układu różnicowego wtórnikiem prądowym przy R E = 2 Ω, I E = 1.5 ma. Wykorzystać wyniki tych obliczeń w p.4.
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 R C = 2 kω, I E = 1.5 ma. Tabela A. Założone wartości amplitudy i współczynnika głębokości modulacji sygnału wyjściowego z układu mnożącego. U N,V 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 m 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1 5. OBSERWACJE I POMIARY 5.1 Obserwacja statycznych charakterystyk przejściowych układu różnicowego Obejrzeć na ekranie oscyloskopu i przerysować do protokółu charakterystyki przejściowe u wy1, u wy2 = f(u b1 ) badanego układu różnicowego, współpracującego z obciążeniem liniowym R C (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 T 2 zwartej z masą oraz przy: a) zasilaniu prądowym I E = 1.5 ma oraz I E = 0.5 ma, b) zasilaniu oporowym R E Rys.5. Uproszczony schemat układu badanego przy obserwacji statycznych charakterystyk przejściowych Następnie zaobserwować wpływ zmian napięcia bazy T 2 (włączyć u b2 = 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 b) określić szerokość strefy przełączania układu różnicowego jako taki przedział napięcia u b1, w którym zachodzi prawie całkowita zmiana prądu kolektora tranzystorów T 1, T 2, tzn. od 10% do 90% I E. Zaproponować zmiany układowe w kierunku poszerzenia tego zakresu; c) skomentować zmiany kształtu charakterystyk przejściowych pod wpływem zmian napięcia u b2 dla układu z rezystorem R E. 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 T 1, odwracającym - baza T 2, zaś wyjściem - kolektor T 2. Wzmocnienie różnicowe k ur układu badanego określa się na podstawie pomiaru przyrostu napięcia kolektora T 2 (WY 2 ), który powstaje wskutek zwiększenia napięcia różnicowego o 5 mv ( u b1 przy u b2 = 0; dokonuje się tego wciskając chwilowo klawisz " " przy włączonym klawiszu " V", przy czym baza T 2 powinna być połączona z masą za pomocą klawisza " " - por. rys. 1). Wzmocnienie sumacyjne k us 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 T 1, T 2 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 dwukanałowy SA4011 (rys. 7). Uproszczone schematy układu badanego przy pomiarach wzmocnienia przedstawiono na rys. 8. Rys.7. Układ do pomiarów wzmocnienia różnicowego i sumacyjnego
8 Wzmocnienie różnicowe i sumacyjne układu badanego należy zmierzyć sześciokrotnie, w warunkach podanych w tablicy 2. Zagadnienia: a) uzasadnić różnicę między wartościami wzmocnienia k ur w przypadkach 1 i 2 i zależność tego wzmocnienia od prądu I E ; b) uzasadnić różnicę między wartościami wzmocnienia k us w przypadkach 2 i 3 oraz podać zależność tego wzmocnienia od rezystancji obwodu zasilania emiterów; c) uzasadnić różnicę między wartościami wzmocnienia k ur w przypadkach 4 i 5. Podać, czym ograniczona jest maksymalna wartość wzmocnienia różnicowego w badanym układzie; d) podać, jakie skutki spowodowałoby zwiększenie R C 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 k ur ; e) wyjaśnić różnicę między wartościami wzmocnienia sumacyjnego w przypadkach 3 i 6. Jaki wpływ na wartość k us ma w przypadku 6 ewentualna niesymetria wtórnika (lustra) prądowego T 6, T 7? 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. Obciążenie Zasilanie emiterów 1 2 3 4 5 6 liniowe, R C = 2 kω jw jw dynamiczne, R C = 2 kω dynamiczne, R C = 20 kω dynamiczne, R C = 2 kω I E = 0.5 ma I E = 1.5 ma R E I E = 1.5 ma I E = 1.5 ma R E
9 5.3 Badanie wzmacniacza różnicowego jako układu analogowego mnożenia sygnałów Wykorzystując zależność wzmocnienia k ur 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. Rys.9. Uproszczony schemat układu badanego pracującego jako modulator amplitudy 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 "mod1") oraz modulującego (trapezoida, wejście "mod2") należy ustawić zgodnie z wynikami obliczeń wstępnych. Układ różnicowy powinien współpracować z obciążeniem dynamicznym przy R C = 2 kω oraz I E = 1.5 ma. Przebieg napięcia wyjściowego przerysować do 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 analogowe i cyfrowe. WNT, 2006. 2. Nosal Z., Baranowski J. Układy elektroniczne cz. I Układy analogowe liniowe. WNT, 2003. Rys.10. Schemat pomiarowy do badania układu różnicowego pracującego jako modulator amplitudy