xxxxx	Laboratorium Układów Elektronicznych
^Wykonali xxxx		^Grupa xxx	^Ćw. nr xxx	^Prowadzący xxxx
Wzmacniacz różnicowy		^Data wykonania xxx	^Data oddania xxx	^Ocena

1.1) Cel ćwiczenia

Zapoznanie się ze wzmacniaczem różnicowym, jego budową, zasadą działania, właściwościami oraz sposobem pomiaru charakterystyk i podstawowych parametrów.

PROJEKT

2.1) Założenia projektowe

K_ur = 40 V/V; K_us = 0.1 V/V.

2.2) Schemat wzmacniacza różnicowego

Rys. 1

2.3) Parametry tranzystorów

Parametry tranzystora w układzie ULY1111: w punkcie pracy U_CE = 3V, I_C = 1mA przy f = 1kHz: β₀ = 110 oraz r_ce = 60kΩ. Pozostałe parametry:
,
.

2.4) Obliczenie wartości rezystorów R_C

K_ur = -g_mR_C ⇒ R_C = |K_ur /-g_m | = 1032Ω ≈ 1kΩ.

2.5) Obliczenie wartości rezystora R_ee

K_us = -R_C/2R_EE ⇒ R_EE = |-R_C/2K_us| = 5kΩ ≈ 4.7kΩ.

2.6) Obliczenie wartości napięć zasilania

Przy podłączeniu bazy obu tranzystorów do masy układ opisuje się zależnościami:

U_CC ≈ I_CR_C + U_CE - U_BE = 3.35V,

U_EE ≈ 2I_CR_EE + U_BE = 10.05V,

przy U_BE = 0.65V.

2.7) Otrzymane wartości

Otrzymane wartości zastawiono w tab. 1.

RC	1kΩ
REE	4.7kΩ
UCC	3.35V
UEE	10.05V

Tab. 1

3.1) Charakterystyki przejściowe

	Uir [mV]	Uor [V]	Uc1 [V]	Uc2 [V]	Uir [mV]	Uor [V]	Uc1 [V]	Uc2 [V]
	-55	-1,369	-2,490	-1,132	-2	-0,069	-1,852	-1,783
	-50	-1,289	-2,450	-1,172	-1	-0,040	-1,835	-1,798
	-45	-1,201	-2,410	-1,215	1	0,025	-1,826	-1,827
	-40	-1,102	-2,360	-1,265	2	0,056	-1,786	-1,842
	-36	-1,014	-2,320	-1,309	3	0,088	-1,770	-1,856
	-32	-0,922	-2,270	-1,355	4	0,119	-1,754	-1,872
	-28	-0,824	-2,230	-1,404	6	0,183	-1,723	-1,904
	-24	-0,717	-2,170	-1,458	8	0,244	-1,691	-1,934
	-21	-0,636	-2,130	-1,498	10	0,305	-1,661	-1,965
	-17	-0,523	-2,070	-1,555	12	0,363	-1,632	-1,994
	-13	-0,408	-2,010	-1,612	14	0,424	-1,598	-2,020
	-12	-0,378	-2,000	-1,627	18	0,542	-1,542	-2,080
	-11	-0,347	-1,988	-1,644	22	0,653	-1,486	-2,130
	-10	-0,317	-1,973	-1,658	26	0,763	-1,432	-2,190
	-9	-0,286	-1,958	-1,673	30	0,865	-1,380	-2,230
	-8	-0,256	-1,944	-1,689	35	0,984	-1,321	-2,300
	-7	-0,225	-1,928	-1,704	40	1,098	-1,263	-2,350
	-6	-0,193	-1,913	-1,720	45	1,196	-1,214	-2,400
	-5	-0,162	-1,894	-1,736	50	1,286	-1,169	-2,440
	-4	-0,130	-1,882	-1,752	55	1,366	-1,129	-2,490
	-3	-0,100	-1,867	-1,767

Tab. 2

Na podstawie danych z tab. 2 sporządzono następujące charakterystyki:

• U_or = f(U_ir) → rys. 2,

• U_c1,2 = f(U_ir) → rys. 3.

3.2) Wzmocnienie różnicowe

	Uir [mV]	Kur [dB]	Uir [mV]	Kur [dB]	Uir [mV]	Kur [dB]	Uir [mV]	Kur [dB]
	-55	27,92	-13	29,93	-3	30,46	12	29,62
	-50	28,23	-12	29,96	-2	30,73	14	29,63
	-45	28,53	-11	29,97	-1	32,04	18	29,58
	-40	28,80	-10	30,03	1	27,89	22	29,45
	-36	28,99	-9	30,05	2	28,88	26	29,36
	-32	29,19	-8	30,11	3	29,30	30	29,19
	-28	29,38	-7	30,15	4	29,46	35	28,98
	-24	29,51	-6	30,16	6	29,67	40	28,77
	-21	29,62	-5	30,21	8	29,69	45	28,49
	-17	29,76	-4	30,24	10	29,69	50	28,21
							55	27,90

Tab. 3

Na podstawie danych z tab. 3 można zauważyć, że największa i najmniejsza wartość wzmocnienia różnicowego wynosi odpowiednio:

K_{ur max} = 32.04 dB ≈ 40 V/V,

K_{ur min} = 27.92 dB ≈ 24 V/V.

4.1) Wzmocnienie sumacyjne i CMRR

	Uis [V]	Uor [V]	Kurs [dB]	CMRR max [dB]	CMRR min [dB]
	0,500	-0,00025	-66,0	98,06	93,62
	1,000	-0,00026	-71,7	103,74	99,30
	2,000	-0,00026	-77,7	109,76	105,33
	3,000	-0,00027	-80,9	112,96	108,52
	3,250	-0,00020	-84,2	116,26	111,82
	3,378	0,00566	-55,5	87,56	83,12
	3,398	0,01003	-50,6	82,64	78,20
	3,428	0,02030	-44,6	76,59	72,16
	3,562	0,101	-30,9	62,99	58,55
	3,694	0,203	-25,2	57,24	52,80
	3,929	0,401	-19,8	51,86	47,43
	4,161	0,600	-16,8	48,86	44,43
	4,389	0,820	-14,6	46,61	42,18
	4,618	1,000	-13,3	45,33	40,89
	4,858	1,200	-12,1	44,19	39,75
	5,130	1,400	-11,3	43,32	38,88
	5,560	1,600	-10,8	42,86	38,42
	5,842	1,731	-10,6	42,61	38,17

Tab. 4

Na podstawie danych z tab. 4 sporządzono następujące charakterystyki:

• U_or = f(U_is) → rys. 4,

• K_urs = f(U_is) → rys. 5,

• CMRR = f(U_is) → rys. 6.

Gdzie:

K_urs = 20 log(U_or /U_is),

CMRR = 20 log[K_ur / K_urs(U_is)] przy K_{ur max} = 40 V/V oraz K_{ur min} = 24 V/V.

5.1) Charakterystyki przejściowe i wzmocnienie różnicowe przy f = 1kHz

	Uir [mV]	Uor [mV]	Uc1 [mV]	Uc2 [mV]	Kur [dB]
	3	95,2	48,2	46,2	30,03
	4	124,8	62,0	61,3	29,88
	5	157,4	78,1	77,4	29,87
	6	191,1	95,0	94,2	29,85
	8	248,4	123,3	122,6	29,81
	10	307,7	153,0	152,6	29,76
	12	368,8	183,1	182,5	29,75
	14	427,7	210	209	29,70
	16	486,6	238	237	29,61
	18	539,8	264	265	29,54
	22	648,6	319	318	29,39
	24	703,8	347	346	29,30
	28	800,7	394	395	29,13
	35	958,1	474	473	28,75
	40	1059	525	523	28,45
	45	1144	570	567	28,10
	50	1225	610	607	27,77
	55	1296	646	643	27,42
	60	1355	674	672	27,07

Tab. 5

Na podstawie danych z tab. 5 sporządzono następujące charakterystyki:

• U_or = f(U_ir) przy f = 1kHz → rys. 7,

• U_c1,2 = f(U_ir) przy f = 1kHz → rys. 8,

• K_ur = f(U_ir) przy f = 1kHz → rys. 9.

Gdzie:

K_ur = 20 log(U_or /U_ir).

Można zauważyć, że największa i najmniejsza wartość wzmocnienia różnicowego przy f = 1kHz wynosi odpowiednio:

K_{ur max} = 30.03 dB ≈ 32 V/V,

K_{ur min} = 27.07 dB ≈ 22 V/V.

6.1) Wzmocnienie sumacyjne i CMRR przy f = 1kHz

	Uis [V]	Uor [mV]	Kurs [dB]	CMRR max [dB]	CMRR min [dB]
	0,102	1,70	-35,6	65,67	62,41
	0,203	1,90	-40,6	70,68	67,42
	0,303	2,31	-42,4	72,46	69,21
	0,407	2,85	-43,1	73,20	69,94
	0,507	3,40	-43,5	73,57	70,32
	0,610	4,00	-43,7	73,77	70,51
	0,703	4,54	-43,8	73,90	70,65
	0,806	5,14	-43,9	74,01	70,76
	0,904	5,71	-44,0	74,09	70,84
	1,020	6,30	-44,2	74,29	71,03
	1,101	6,87	-44,1	74,20	70,95
	1,203	7,47	-44,1	74,24	70,99
	1,300	8,04	-44,2	74,28	71,02
	1,417	8,67	-44,3	74,37	71,12
	1,504	8,49	-45,0	75,07	71,82
	1,606	7,98	-46,1	76,18	72,92
	1,719	7,82	-46,8	76,94	73,69
	1,809	7,66	-47,5	77,57	74,31
	1,913	7,48	-48,2	78,26	75,00
	2,012	7,31	-48,8	78,90	75,64
	2,117	7,15	-49,4	79,53	76,28
	2,214	7,01	-50,0	80,09	76,84
	2,318	6,87	-50,6	80,67	77,41
	2,409	6,75	-51,1	81,15	77,90
	2,508	6,63	-51,6	81,66	78,40

Tab. 6

Na podstawie danych z tab. 6 sporządzono następujące charakterystyki:

• U_or = f(U_is) przy f = 1kHz → rys. 10,

• K_urs = f(U_is) przy f = 1kHz → rys. 11,

• CMRR = f(U_is) przy f = 1kHz → rys. 12.

Gdzie:

K_urs = 20 log(U_or /U_is) przy f = 1kHz,

CMRR = 20 log[K_ur / K_urs(U_is)] przy K_{ur max} = 32 V/V oraz K_{ur min} = 22 V/V.

7.1) Wzmocnienie różnicowe w funkcji częstotliwości

	f [kHz]	Uir [mV]	Uor [V]	Kur [dB]
	1	20,00	0,5977	29,51
	2	23,10	0,6753	29,32
	3	23,61	0,6883	29,29
	4	23,78	0,6926	29,29
	5	23,78	0,6924	29,28
	6	23,74	0,6914	29,28
	7	23,68	0,6875	29,26
	8	23,39	0,6819	29,29
	9	23,39	0,6819	29,29
	10	23,08	0,6836	29,43
	20	23,17	0,6746	29,28
	30	22,02	0,6433	29,31
	40	21,00	0,6142	29,32
	50	19,87	0,5823	29,34
	60	18,70	0,5483	29,34
	70	17,48	0,5133	29,36
	80	16,60	0,488	29,37
	90	15,87	0,4652	29,34
	100	15,00	0,4387	29,32
	200	11,60	0,3278	29,02
	300	9,35	0,2538	28,67
	400	7,85	0,2114	28,60
	500	6,58	0,1725	28,37
	600	5,46	0,1408	28,23
	700	4,36	0,1137	28,33
	800	3,68	0,0999	28,67
	900	3,16	0,0904	29,13
	1000	2,84	0,0864	29,66

Tab. 7

Dane z tab. 7 posłużyły do wykreślenia charakterystyki wzmocnienia różnicowego w funkcji częstotliwości (rys. 13)

K_ur = 20 log[(U_or(f)/U_ir(f)].

8.1) Wnioski

Na podstawie charakterystyki przejściowej z rys. 2 można wyznaczyć przedział liniowości, który wynosi ±20mV. Zgodnie z oczekiwaniami różnica wartości napięć U_c1 - U_c2 w poszczególnych punktach charakterystyki z rys. 3 odpowiada wartości U_or w danym punkcie z rys. 2.

Dane z tab. 4 posłużyły do wykreślenia zależności napięcia różnicowego w funkcji wejściowego napięcia sumacyjnego. W przedziale od 0 ∼ 3.4V sumacyjnego napięcia wejściowego, wyjściowe U_or utrzymuje wartość około -0.25mV co można potraktować jako niedokładne zrównoważenie układu (czyli pominąć, ≈0). Gdy U_is osiąga wartość powyżej 3.4V, wyjściowe napięcie różnicowe zaczyna gwałtownie rosnąć (własność niepożądana) aby przy U_is ≈ 6V ustabilizować się w wartości U_or = 1.75V. Charakterystyka wzmocnienia sumacyjnego (rys. 5) oraz współczynnika tłumienia sygnału wspólnego CMRR (rys. 6) mają zbliżone kształty. Wzmocnienie sumacyjne stabilizuje się w wartości -10dB a CMRR w wartości 38 ∼ 43dB w zależności od wartości wzmocnienia różnicowego (patrz punkt 3.2, 4.1). W wyżej wymienionym przedziale 0 ∼ 3.4V napięcia U_is, układ charakteryzuje się niską wartością Kurs ≈ -70 ∼ -80dB oraz wysoką CMRR ≈ 100 ∼ 120dB. Z dużym uproszczeniem można stwierdzić, iż w tym przedziale wzmacniacz wzmacnia tylko sygnał różnicowy.

Charakterystyka przejściowa przy f = 1kHz (rys. 7) przypomina prawą połówkę z rys. 2 (liniowość do 20mV). Brak ujemnej, lewej części wykresu ponieważ wartość skuteczna (a taką mierzono) napięcia zmiennego jest nieujemna. Na rys. 8 zestawiono charakterystyki przejściowe wyjściowego napięcia różnicowego oraz napięć mierzonych pomiędzy kolektorami tranzystorów a masą (Uc1 oraz Uc2 się pokrywają).

Wzmocnienie różnicowe przy f = 1kHz maleje wraz ze wzrostem wartości wejściowego napięcia różnicowego co przedstawia rys. 9. K_ur jest największe przy U_ir bliskim zeru.

Analizując charakterystykę z rys. 10, 11, 12 można zauważyć, że zakres sumacyjnego napięcia wejściowego nie przekracza 2.5V (maksymalna wartość uzyskana z generatora na stanowisku). Porównując wzmocnienie sumacyjne przy f = 1kHz z uzyskanym przy napięciu stałym widać, że nie został osiągnięty w pomiarach punkt U_is = 3.4V, przy którym napięcie U_or zaczynało gwałtownie rosnąć. Jak wspomniano przy omawianiu wzmocnienia sumacyjnego dla f = 0Hz, zakres U_is poniżej 3.4V możemy traktować jako obszar pracy wzmacniacza gdzie jest wzmacniane przede wszystkim napięcie różnicowe. Dla f = 1kHz wartość wzmocnienia sumacyjnego maleje wraz ze wzrostem wejściowego sygnału wspólnego (rys. 11) co jest związane z faktem, iż w omawianym zakresie U_is wyjściowe napięcie różnicowe wywołane sygnałem wspólnym (negatywna cecha różnicowego wzmacniacza rzeczywistego) rośnie wolniej niż wywołujący je sygnał. Zgodnie z oczekiwaniami współczynnik tłumienia sygnału wspólnego rośnie wraz ze wzrostem U_is co obrazuje rys. 12. Charakterystyka (rys. 12) zawiera dodatkowy parametr, którym jest minimalna i maksymalna wartość wzmocnienia różnicowego odczytana z tab. 5.

Charakterystyka wzmocnienia różnicowego w funkcji częstotliwości została załączona na rys. 13. Zakres częstotliwości jakim dysponował generator znajdujący się na stanowisku nie pozwolił wyznaczyć pasma 3-decybelowego spadku wzmocnienia. W zakresie 1 ∼ 100kHz wzmocnienie utrzymuje się około K_ur ≈ 29.5dB. Powyżej f = 100kHz K_ur maleje aby (wbrew oczekiwaniom) po przekroczeniu f = 600kHz zacząć rosnąć. Ograniczony zakres częstotliwości generatora nie pozwolił sprawdzić czy wzrost wzmocnienia przekroczyłby (znacznie) wartość K_ur ≈ 29.5dB co oznaczałoby wadliwą pracę wzmacniacza w zakresie górnych częstotliwości. Niespodziewany kształt charakterystyki jest najprawdopodobniej związany z niesymetrycznym rozkładaniem się pasożytniczych pojemności złączowych w tranzystorach.

Wykonał

xxxxxxx

---