Temat ćwiczenia: Tranzystorowy układ różnicowy.

1. Wstęp - Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z budową, zasadą działania oraz tokiem pracy tranzystorowego wzmacniacza różnicowego; a także:

1. obserwacja jego charakterystyk przejściowych;

2. pomiar wzmocnienia różnicowego i sumacyjnego w różnych warunkach zasilania i obciążenia.

Układy różnicowe są wykorzystywane jako wzmacniacze sygnałów np.: stopnie wejściowe wzmacniaczy operacyjnych, jak i operacji nieliniowych np.: modulatory i demodulatory AM i FM, układy mnożące i logarytmujące, układy kształtujące funkcyjne, ograniczniki itp., oraz mają szerokie zastosowanie w technice cyfrowej.

2. Opis badanego układu DN031A.

Badany układ różnicowy, którego schemat przedstawiamy na rys.2.1, składa się z dwóch tranzystorów (T₁, T₂) 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 T₃ o wydajności 0,5 lub 1,5 mA) lub też - zasilanie quasiprądowe - przez rezystor R_17, gdzie prąd zasilania emiterów wynosi 1,5mA.

Badany układ różnicowy może pracować na obciążenie liniowe lub dynamiczne sterowane.

Rys. 2.1. Schemat badanego układu różnicowego DNO31A

3. Statyczne charakterystyki przejściowe układu różnicowego DNO31A.

Naszym zadaniem było obejrzenie, zanalizowanie i przerysowanie do protokołu charakterystyk przejściowych u_wy1, u_wy2 = f(u_b1) badanego układu różnicowego, współpracującego z obciążeniem liniowym R_c.

Rys. 3.1 Uproszczony schemat układu badanego przy obserwacji statycznych charakterystyk przejściowych.

Rys. 3.2 Schemat połączenia przyrządów pomiarowych do obserwacji charakterystyk przejściowych układu różnicowego DN031A

4. Pomiar i obliczenie wzmocnienia układu różnicowego.

Wzmocnienie różnicowe k_ur układu badanego określa się na podstawie pomiaru przyrostu napięcia kolektora T₂ (WY₂), który powstaje wskutek zwiększenia napięcia różnicowego o 5 mV.

k_ur = T_2k - T_2p

gdzie:

k_ur - wzmocnienie różnicowe,

T_2p - napięcie na kolektorze po zwiększeniu napięcia różnicowego o 5 mV (końcowe),

T_2k - napięcie na kolektorze (początkowe);

Wzmocnienie sumacyjne k_us określa się natomiast mierząc przyrost napięcia wyjściowego, wynikający z jednoczesnej zmiany napięcia na obu wejściach w zakresie -1,8; +2,2 V. Zmianę napięcia wejściowego kontroluje się również woltomierzem cyfrowym, który powinien być podłączony z układem dwukanałowym SA4011.

k_us = U_l - U_p

gdzie:

k_us - wzmocnienie sumacyjne,

U_l - napięcie po przekręceniu potencjometru w lewo,

U_p - napięcie po przekręceniu potencjometru w prawo,

Rys. 4.1. Układ do pomiaru wzmocnienia różnicowego i sumacyjnego.

Pomiar wzmocnienia różnicowego kur
Obciążenie	Zasilanie emiterów	T2k	T2p	kur
liniowe RC=2kΩ	IE = 0,5 mA	9,156	9,068	17,6
liniowe RC=2kΩ	IE = 1,5 mA	7,502	7,26	48,4
liniowe RC=2kΩ	RE	7,54	7,302	47,6
dynamiczne RC=2kΩ	IE = 1,5 mA	5,469	5,228	48,2
dynamiczne RC=20kΩ	IE = 1,5 mA	9,117	6,948	433,8
dynamiczne RC=2kΩ	RE	5,461	5,223	47,6

Pomiar wzmocnienia sumacyjnego kus
Obciążenie	Zasilanie emiterów	Ul	Up	kus
liniowe RC=2kΩ	IE = 0,5 mA	4,534	4,533	0,2
liniowe RC=2kΩ	IE = 1,5 mA	3,659	3,652	1,4
liniowe RC=2kΩ	RE	3,821	3,441	76
dynamiczne RC=2kΩ	IE = 1,5 mA	5,217	5,214	0,6
dynamiczne RC=20kΩ	IE = 1,5 mA	6,869	6,819	10
dynamiczne RC=2kΩ	RE	5,201	5,260	-11,8

5. Wnioski.

Wzmacniacz różnicowym jest układem symetrycznym, skompensowanym temperaturowo. Może być sterowany z dwóch źródeł, które dołącza się do obu tranzystorów - tzw. sterowanie symetryczne, albo z jednego źródła - sterowanie asymetryczne. W tym przypadku źródło sygnału dołącza się do bazy jednego z tranzystorów, a bazę drugiego zwiera się do masy.

Z dokonanych pomiarów - przeglądu charakterystyk przejściowych można zauważyć, że załączenie obciążenia dynamicznego powoduje znaczne wzmocnienie sygnału wyjściowego w porównaniu z obciążeniem statycznym w naszym przypadku jest to 2-krotny wzrost. Wzmocnienie sygnału można również uzyskać poprzez zwiększenie prądu I_E co pociąga za sobą wzrost zakresu liniowości przy włączeniu rezystora R_E w zespół zasilania emiterów (o skończonej rezystancji) charakterystyka przestaje być symetryczna.

Wzmocnienie różnicowe przy obciążeniu liniowym wzrasta proporcjonalnie do prądu I_E (przy 3-krotnym przeroście prądu I_E w przybliżeniu wzmocnienie też wzrosło 3-krotnie), przy obciążeniu dynamicznym wzrost wzmocnienia różnicowego k_ur można osiągnąć poprzez zwiększenie rezystancji R_C (10-krotny przyrost rezystancji powoduje w przybliżeniu takiż sam przyrost wzmocnienia).

Sygnały różnicowe są sygnałami użytecznymi, natomiast sygnały sumacyjne są szkodliwe (niepożądane). Sygnały sumacyjne powstają np.: wskutek zmian napięć zasilania, zakłóceń itp. .

Niepożądane wzmocnienie sumacyjne znacznie rośnie wraz z prądem zasilania emiterów I_E, przy zasilaniu siłą elektromotoryczną o skończonej rezystancji R_E wzmocnienie bardzo silnie wzrasta. Przy obciążeniu dynamicznym wzrost rezystancji R_C pociąga za sobą bardzo silny wzrost wzmocnienia. Wzrost wzmocnienia sumacyjnego występuje również przy zasilaniu emiterów SEM o skończonej rezystancji R_E.

Przy budowie wzmacniaczy różnicowych dąży się do uzyskania dużego wzmocnienia różnicowego, dużego współczynnika tłumienia sygnału sumacyjnego, dużej rezystancji wejściowej oraz małych sygnałów nie zrównoważenia i ich dryfów. Z analizy podanych zależności wynika, że poprawa parametrów wzmacniacza wymaga zwiększenia współczynnika wzmocnienia prądowego tranzystorów, rezystancji R_E i rezystancji R_C.

---