Ćw. 7 Wzmacniacz różnicowy.pdf
(
265 KB
)
Pobierz
L
ABORATORIUM
U
K Ł ADÓW
L
INIOWYCH
Wzmacniacz różnicowy – podejście
wielkosygnałowe
7
źródło prądowe.......... obciążenie............
V
WES
[V]
-5
-4
...
+4
+5
1. Wstęp
Układ pomiarowy umożliwia pomiar podstawowych
parametrów wielkosygnałowych wzmacniacza różnicowego
wykonanego z użyciem tranzystorów bipolarnych. Układ umożliwia
zmianę konfiguracji pary różnicowej. Za pomocą przełączników
można wybrać jeden z wariantów źródła prądowego
polaryzującego tranzystory, jak również rodzaj obciążenia
tranzystorów.
V
WY1
[V]
V
WY2
[V]
V
WY
R
[V]
I
E
[mA]
3. Opracowanie wyników
1) Wyniki pomiarów wzmacniacza różnicowego w konfiguracji A, B
i C należy przedstawić na wykresach:
- V
WYR
= f(V
WER
) tj. wspólny wykres czterech charakterystyk
statycznych dla pobudzenia różnicowego dla konfiguracji A,B,C,
- V
WYR
= f(V
WES
) tj. wspólny wykres czterech charakterystyk
statycznych dla pobudzenia sumacyjnego dla konfiguracji A,B,C,
- I
E
= f(V
WER
) tj. wspólny wykres prądu emitera I
E
w zależności od
pobudzenia różnicowego V
WER
dla konfiguracji A,B,C,
- I
E
= f(V
WER
) tj. wspólny wykres prądu emitera I
E
w zależności od
pobudzenia sumacyjnego V
WES
dla konfiguracji A,B,C.
2) Na podstawie pomiarów obliczyć wartość wzmocnienia
różnicowego
K
r
, wzmocnienia sumacyjnego
K
s
oraz wartość
współczynnika CMRR.
3) Opierając się na schemacie wzmacniacza w konfiguracji A i B
wyliczyć: punkt pracy tranzystorów T
1
oraz T
2
(I
c1
, I
c2
, V
c1
, V
c2
) oraz
wartość prądu I
E
, ponadto wyliczyć wartość wzmocnienia
K
r. i
K
s
.
Porównać wyniki pomiarów i obliczeń: punktów pracy tranzystorów,
wzmocnień
K
r
oraz
K
s1
dla wzmacniacza w konfiguracji A. Dla
wzmacniacza w konfiguracji zawierającej źródło prądowe z
tranzystorem T
3
, wyliczyć prąd I
E
. Wynik ten prównać z danymi
pomierzonymi.
Zamieścić własne wnioski i spostrzeżenia. Porównać układy
pomiędzy sobą, a także skomentować zgodność obliczeń
teoretycznych z pomiarami.
Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy zapoznać się z
teorią dotyczącą zasady działania wzmacniacza różnicowego
(zamieszczona jest ona w niniejszym opracowaniu).
2. Pomiary
Należy wykonać pomiary wzmacniacza różnicowego pracującego
w następujących konfiguracjach:
A. źródło prądowe — rezystor R
E
, obciążenie — rezystor R
C
;
B. źródło prądowe — rezystor R
E
, obciążenie — R
C
’;
C. źródło prądowe — tranzystor z rezystorem R
E1
oraz R
E2
,
obciążenie — rezystor R
C
lub R
’
C
;
UWAGA: za każdym razem, gdy jest zmieniana
konfiguracja A-C należy układ zrównoważyć.
W tym
celu należy wycisnąć przełącznik K1 i potencjometrem P
1
ustawić napięcie wejściowe równe 0mV. Dla takich
warunków, należy za pomocą potencjometru P
3
„ZER”
ustawić takie same wartości napięć na kolektorach
tranzystorów T
1
i T
2
. Układu w konfiguracji zawierającej
rezystor dynamiczny R
D
nie da się zrównoważyć. Układ ten
należy zrównoważyć przy załączonym rezystorze R
C
.
Dla każdej konfiguracji A-C należy wykonać pomiary
charakterystyk statycznych przy pobudzeniu:
1) sygnałem różnicowym (przełącznik K1 wciśnięty),
2) sygnałem sumacyjnym (przełącznik K1 wyciśnięty).
W pierwszym przypadku należy zmierzyć wartości napięć na
kolektorach tranzystorów T
1
i T
2
(V
WY1
, V
WY2
) w funkcji wejściowego
napięcia różnicowego V
WER
(przełącznik K1 w pozycji wciśniętej).
Ponadto dla tych samych wartości napięcia wejściowego należy
zmierzyć prąd I
E
(prawy wskaźnik). Wejściowe napięcie należy
zmieniać za pomocą potencjometru P
2
w zakresie [-130mV,
+130mV] (wskazania lewego miernika należy przemnożyć przez
10 i przyjąć jednostkę mV).
W drugim przypadku (dla sygnału sumacyjnego) należy
zmierzyć wartość napięć na kolektorach tranzystorów T
1
i T
2
(V
WY1
,
V
WY2
) w funkcji wejściowego napięcia sumacyjnego V
WES
(przełącznik K1 w pozycji wyciśniętej). Ponadto dla tych samych
wartości napięcia wejściowego należy zmierzyć wartości prądu I
E
.
Wejściowe napięcie należy zmieniać za pomocą potencjometru P
1
w zakresie [-5V, +5V] (wskazania lewego miernika należy podzielić
przez 2 i przyjąć jednostkę V).
Wciśnięcie przełącznika oznaczonego: R
E
, R
E1
, R
E2
, R
C
, R’
C
powoduje załączenie wybranej konfiguracji. Do poprawnego
ustawienia konfiguracji całego układu należy wcisnąć jeden z
przełączników R
E
, R
E1
, R
E2
(kolor czarny) oraz jeden z
przełączników R
C
, R’
C
(kolor biały).
4. Teoria
Uproszczony schemat wzmacniacza różnicowego (bez
przełączników zmiany konfiguracji i potencjometrów regulacji
napięć wejściowych) pokazano na rys. 1. Wzmacniacz różnicowy
jest zbudowany z dwóch symetrycznych gałęzi zawierających
tranzystory T
1
i T
2
.
+V
Z
=12V
R
C
R
C
+
+
T
2
T
1
I
C1
I
C2
V
WY1
V
WY2
+
+
V
B1
V
B2
-
-
-
-
I
E
V
BE1
V
BE2
R
E
-V
Z
=12V
PRZYKŁADY TABEL POMIAROWYCH
(tabele dla pobudzenia sygnałem róźnicowym)
źródło prądowe.......... obciążenie............
V
WER
[mV]
Rys. 1. Uproszczony schemat wzmacniacza różnicowego.
-130
-110
...
+110
+130
Zasada działania wzmacniacza różnicowego może być wyjaśniona
w następujący sposób. Jeżeli na bazę tranzystora T
1
zostanie
podane dodatnie napięcie V
B1
, zaś napięcie V
B2
=0, to wtedy prąd
kolektora I
C1
tranzystora T
1
wzrośnie. Jednocześnie prąd kolektora
I
C2
tranzystora T
2
zmaleje. Sytuacja ulegnie odwróceniu, jeżeli
polaryzacja napięć będzie przeciwna. We wzmacniaczu suma
V
WY1
[V]
V
WY2
[V]
V
WYR
[V]
I
E
[mA]
(tabele dla pobudzenia sygnałem sumacyjnym)
1A-2
prądów emiterów tranzystorów jest równa prądowi I
E
, który płynie
przez rezystor R
E
, a zatem:
I
C
zakres liniowy
I
E
I
C2
I
C1
I
+
I
=
I
1
(1)
E
1
E
2
E
Jeżeli wartość rezystancji R
E
jest dostatecznie duża, to wartość
prądu jest niezależna od wysterowania tranzystorów T
1
i T
2
.
Znacznie korzystniejsze pod tym względem jest stosowanie źródła
prądowego zamiast rezystora R
E
. Korzystając z napięciowego
prawa Kirchoffa można ułożyć równania:
0,5
V
-V
B1
B2
V
=
V
−
V
V
T
BE
1
B
1
E
(2)
0
V
=
V
−
V
-10
-2
0
+2
+10
BE
2
B
2
E
Rys. 3 Charakterystyka statyczna przenoszenia
wzmacniacza różnicowego.
Po eliminacji napięcia V
E
z równań (2) można otrzymać:
V
=
V
−
V
=
V
−
V
(3)
g*
m
g
m
WER
B
1
B
2
BE
1
BE
2
Napięcie V
WER
stanowi różnicowe wysterowanie wzmacniacza. Ze
wzoru (3) widać, że różnicowe napięcie wejściowe V
WER
jest
niezależne od wartości rezystora R
E
. Z tego powodu wzmocnienie
różnicowe K
r
całego wzmacniacza nie zależy od wartości rezystora
R
E
.
1
R
e
=100
Ω
R
e
=50
Ω
0,5
Praca wzmacniacza różnicowego z wejściem asymetrycznym
została przedstawiona na rys. 2.
R
e
=0
V
-V
B1
+V
Z
=12V
B2
V
T
0
R
C
R
C
-10
-2
0
+2
+10
V
wyr
-
Rys. 4 Wpływ wartości rezystancji w emiterach tran-
zystorów na zakres liniowości transkonduktancji
wzmacniacza
g*
m
.
+
T
2
T
1
V
wer
R
e1
R
e2
+
-
Jeżeli rezystancje spełniają warunek R
e
=R
e1
=R
e2
, wówczas
wartość transkonduktancji całego wzmacniacza dla wyjścia
asymetrycznego wyraża się wzorem:
V
b1
=V
/2
V
b2
=-V
/2
wer
wer
g
R
E
g
*
=
m
(4)
(
)
m
2
1
+
R
g
e
m
-V
Z
=12V
g
=
I
V
V
T
=
25
,
mV
gdzie
,
.
m
C
T
Rys. 2. Wzmacniacz różnicowy pracujący z asyme-
trycznym wejściem i symetrycznym wyjściem.
4.2. Rola rezystora R
E
we wzmacniaczu różnicowym
W układzie z rys. 2 tranzystor T
1
pracuje w konfiguracji wtórnika
emiterowego. Z emitera tego tranzystora sygnał jest doprowadzany
do tranzystora T
2
, który pracuje w konfiguracji wspólnej bazy. Dla
dostatecznie dużej wartości rezystancji R
E
chwilowe zmiany
wartości prądów emiterów obu tranzystorów są sobie równe i
przeciwnie skierowane. Stąd efektywne napięcia sterujące oba
tranzystory są prawie jednakowe (dla idealnego źródła prądowego
zamiast R
E
i identycznych tranzystorów T
1
i T
2
napięcia są równe).
Każde z tych napięć stanowi połowę napięcia sterującego V
wer
.
Wzmacniacz różnicowy posiada więc cechę samoczynnego
symetryzowania wejściowego sygnału sterującego oba tranzystory.
W efekcie wzmocnienie każdej z gałęzi wzmacniacza jest równe
połowie wzmocnienia całego układu.
Dla jednakowych, w tej samej fazie sygnałów V
B1
i V
B2
(sygnał
sumacyjny), lub dla takich samych zmian parametrów tranzystorów
(np. wywołanych zmianą temperatury otoczenia) istnieje silne
sprzężenie zwrotne na wspólnej rezystancji R
E
. Sprzężenie to jest
tym silniejsze im większą wartość rezystancji ma R
E
. Z kolei przy
wysterowaniu wzmacniacza sygnałem różnicowym, zmiany prądów
obu tranzystorów są przeciwne i redukują się na rezystancji R
E
.
Wobec tego, ujemne sprzężenie zwrotne nie obejmuje tej
rezystancji i w efekcie, dla sygnału różnicowego wzmocnienie
układu jest dużo większe w porównaniu ze wzmocnieniem dla
sygnału sumacyjnego. Wzmocnienie różnicowe zależy jedynie od
wartości rezystorów R
C
oraz R
e
, zaś wzmocnienie sumacyjne od
wartości R
C
, R
e
oraz R
E
, a mianowicie:
4.1. Zakres liniowej pracy wzmacniacza różnicowego
Δ
V
K
=
WYR
=
−
2
R
g
*
Na rys. 3 przedstawiono typową charakterystykę statyczną
wzmacniacza różnicowego. Z wykresu można zauważyć, że
istnieje zakres o względnie liniowym przebiegu. Charakterystyki
przejściowe tranzystorów są liniowe w pobliżu spoczynkowego
punktu pracy wzmacniacza, tj. punktu symetrii odpowiadającego
sytuacji gdy . Zakres względnie liniowej pracy
wzmacniacza odpowiada różnicy napięć wejściowych
wynoszących około 50mV. Zakres ten jest więc bardzo mały.
Jeżeli zachodzi konieczność poszerzenia zakresu liniowego,
można to zrobić włączając dodatkowe rezystory R
(5)
r
C
m
Δ
V
WER
Δ
V
R
g
K
=
WY
1
=
−
C
m
(6)
(
)
m
s
Δ
V
1
+
2
R
+
R
g
V
=
V
WES
E
e
B
1
B
2
Wzór (5) został wyprowadzony w oparciu o wzór (4) podający
transkonduktancję całego wzmacniacza różnicowego
(wzmocnienie wzmacniacza jest równe iloczynowi
transkonduktancji i rezystancji obciążenia R
C
). Cyfra 2 wynika z
faktu, że transkonduktancja (4) została podana dla konfiguracji
asymatrycznego wyjścia. Środkowe składniki wzorów (5) i (6)
podają metody obliczania wzmocnień przy wykorzystaniu danych
pomiarowych.
4.3. Sumacyjne wysterowanie wzmacniacza różnicowego
e1
oraz R
e2
pomiędzy emitery tranzystorów, a punkt przyłączenia rezystora R
E
(tak jak pokazano to na rys. 2). Działanie dodatkowych rezystorów
polega na wprowadzeniu ujemnego sprzężenia zwrotnego, które
poszerza zakres liniowości wypadkowej transkonduktancji
wzmacniacza
g*
m
. Wpływ wartości rezystancji R
e
=R
e1
=R
e2
na
zakres liniowości wzmacniacza pokazano na rys. 4.
1A-3
I
E
I
E
Z sumacyjnym wysterowaniem wzmacniacza różnicowego ma się
do czynienia gdy do obu wejść wzmacniacza są doprowadzone
takie same sygnały napięciowe V
B1
=V
B2
. W tym przypadku
napięcia sterujące tranzystory będą zmniejszone o wartość spadku
napięcia na rezystancji R
E
. Wzmocnienie sygnałów sumacyjnych
jest więc silnie zależne od wartości rezystancji R
E
. Jak można
zauważyć ze wzoru (6) im większa jest wartość rezystancji R
E
, tym
mniejsze jest wzmocnienie sumacyjne układu. W praktyce
wszelkie sygnały sumacyjne mają charakter zakłóceń, np. dryft
cieplny powodujący zmianę punktów pracy tranzystorów T
1
i T
2
. Z
kolei sygnał różnicowy niesie informacje użyteczne. Można więc
stwierdzić, że idealny wzmacniacz różnicowy powinien mieć
zerowe wzmocnienie sumacyjne.
T
3
T
3
R
O
+
-
R
7
R
8
V
B3
R
E1
R
E1
-V
z
-V
z
Rys. 5. Przykład źródła prądowego zrealizowanego na
pojedynczym tranzystorze.
Typowo wartość rezystancji wyjściowej R
O
źródła pokazanego na
rys. 5 jest równa kilka-kilkanaście M
Ω
.
4.4. Wyliczenie punktów pracy tranzystorów
Opierając się na schemacie z rys. 2 można wyliczyć punkty
pracy tranzystorów T
1
i T
2
dla stanu spoczynkowego wzmacniacza.
W przypadku braku wysterowania (V
wer
= 0) obowiązują równania:
5. Dane elementów w układzie
V
+
I
R
+
I
R
=
V
R
1
=110
Ω
R
5
=820
Ω
R
C
=12k
Ω
BE
1
E
E
C
1
e
1
z
(7)
R
2
=110
Ω
R
6
=820
Ω
R’
C
=2k
Ω
I
=
I
/
2
C
1
E
R
3
=8,2k
Ω
R
7
=2k
Ω
R
E
=12k
Ω
R
4
=8,2k
Ω
R
8
=910
Ω
R
E1
=3,13k
Ω
stąd:
V
−
V
R
E2
=6,36k
Ω
P
=490
Ω
R
W
=4,9k
Ω
I
=
z
BE
;
I
=
I
=
I
/
2
R
5DO
=5,18k
Ω
1
=2,2k
Ω
E
C
1
C
2
E
R
+
R
/
2
(8)
E
e
1
P
3
”ZER”
=470
Ω
R
e1
= R
e2
=
P
3
”ZER”/2
P
2
=10k
Ω
V
=
V
=
V
−
R
I
/
2
C
1
C
2
z
C
E
Wyliczenie prądu I
E
dla wzmacniacza z konfiguracji ze źródłem
prądowym na tranzystorze T
3
przebiega inaczej. W oparciu o rys. 5
można ułożyć równania:
Literatura:
[1]
R
V
+
V
−
V
Z. J. Staszak, J. Glinianowicz, D. Czarnecki “Materiały
pomocnicze do przedmiotu Układy Elektroniczne Liniowe”.
V
=
−
7
V
;
I
≅
I
=
z
B
3
BE
(9)
B
3
z
E
E
3
R
+
R
R
[2]
A. Guziński, “Liniowe elektroniczne układy analogowe” WNT
1992.
7
8
E
1
Przyjąć V
BE
= 0,65 V.
[3]
S. Soclof, “Zastosowania analogowych układów scalonych”,
WKŁ 1991.
4.5. Współczynnik tłumienia sygnałów sumacyjnych — CMRR
Dążąc do ideału, wzmacniacze różnicowe projektuje się w taki
sposób aby uzyskać jak najmniejsze wzmocnienie sumacyjne.
Parametrem charakteryzującym relację między użytecznym
wzmocnieniem różnicowym, a szkodliwym wzmocnieniem
sumacyjnym jest współczynnik CMRR (
ang. Common Mode
Rejection Ratio
):
K
Δ
V
Δ
V
Δ
V
CMRR
=
=
=
r
WYR
WER
WES
(7)
K
Δ
V
Δ
V
Δ
V
rs
WYR
WES
WER
Często w praktyce wygodnie jest określić CMRR, korzystając
z ostatniego równania we wzorze (7). Definicja ta mówi, że CMRR
jest ilorazem sumacyjnego napięcia wejściowego do różnicowego
napięcia wejściowego, które wytwarza takie same napięcie
różnicowe na wyjściu wzmacniacza.
W przypadku idealnej symetrii wzmacniacza różnicowego
współczynnik CMRR jest równy nieskończoności. W rzeczywistym
układzie jednak współczynnik CMRR ma skończoną wartość, która
wzrasta ze wzrostem wartości rezystancji R
E
. W związku z tym
w celu uzyskania jak najlepszego CMRR wymaga się, aby rezystor
R
E
miał możliwie jak największą wartość oraz aby oba użyte
tranzystory miały identyczne parametry, szczególnie chodzi tu o
wartość współczynnika wzmocnienia prądowego
β
.
4.6. Układ prądowego zasilania emiterów
Jak już zostało powiedziane wcześniej, możliwe jest uzyskanie
dobrych parametrów wzmacniacza różnicowego pod warunkiem
zapewnienia dużej wartości rezystancji R
E
. Zwiększanie wartości
tego rezystora jest w praktyce ograniczone warunkami zasilania.
Możliwe jest jednak zastosowanie źródła prądowego w miejsce
rezystora. Najprostszym źródłem prądowym jest pojedynczy
tranzystor w konfiguracji pokazanej na rys. 5.
Plik z chomika:
inzynieria.biomedyczna
Inne pliki z tego folderu:
Ćw. 6 Wzmacniacze szerokopasmowe.pdf
(2617 KB)
Cw. 3 Wzmacniacz rezonansowy.pdf
(508 KB)
Cw. 2 Wzmacniacz mocy.pdf
(381 KB)
Cw.4 Tranzystor bipolarny.pdf
(471 KB)
Ćw 13 Programowalna macierz układów analogowych.pdf
(387 KB)
Inne foldery tego chomika:
ELAM
Implanty
Mechanika
Przetwarzanie obrazów
Przetwarzanie sygnałów
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin