|
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
Kur = 40 V/V; Kus = 0.1 V/V.
2.2) Schemat wzmacniacza różnicowego
Rys. 1
2.3) Parametry tranzystorów
Parametry tranzystora w układzie ULY1111: w punkcie pracy UCE = 3V, IC = 1mA przy f = 1kHz: β0 = 110 oraz rce = 60kΩ. Pozostałe parametry:
,
.
2.4) Obliczenie wartości rezystorów RC
Kur = -gmRC ⇒ RC = |Kur /-gm | = 1032Ω ≈ 1kΩ.
2.5) Obliczenie wartości rezystora Ree
Kus = -RC/2REE ⇒ REE = |-RC/2Kus| = 5kΩ ≈ 4.7kΩ.
2.6) Obliczenie wartości napięć zasilania
Przy podłączeniu bazy obu tranzystorów do masy układ opisuje się zależnościami:
UCC ≈ ICRC + UCE - UBE = 3.35V,
UEE ≈ 2ICREE + UBE = 10.05V,
przy UBE = 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:
Uor = f(Uir) → rys. 2,
Uc1,2 = f(Uir) → 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:
Kur max = 32.04 dB ≈ 40 V/V,
Kur 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:
Uor = f(Uis) → rys. 4,
Kurs = f(Uis) → rys. 5,
CMRR = f(Uis) → rys. 6.
Gdzie:
Kurs = 20 log(Uor /Uis),
CMRR = 20 log[Kur / Kurs(Uis)] przy Kur max = 40 V/V oraz Kur 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:
Uor = f(Uir) przy f = 1kHz → rys. 7,
Uc1,2 = f(Uir) przy f = 1kHz → rys. 8,
Kur = f(Uir) przy f = 1kHz → rys. 9.
Gdzie:
Kur = 20 log(Uor /Uir).
Można zauważyć, że największa i najmniejsza wartość wzmocnienia różnicowego przy f = 1kHz wynosi odpowiednio:
Kur max = 30.03 dB ≈ 32 V/V,
Kur 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:
Uor = f(Uis) przy f = 1kHz → rys. 10,
Kurs = f(Uis) przy f = 1kHz → rys. 11,
CMRR = f(Uis) przy f = 1kHz → rys. 12.
Gdzie:
Kurs = 20 log(Uor /Uis) przy f = 1kHz,
CMRR = 20 log[Kur / Kurs(Uis)] przy Kur max = 32 V/V oraz Kur 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)
Kur = 20 log[(Uor(f)/Uir(f)].
8.1) Wnioski
Na podstawie charakterystyki przejściowej z rys. 2 można wyznaczyć przedział liniowości, który wynosi ±20mV. Zgodnie z oczekiwaniami różnica wartości napięć Uc1 - Uc2 w poszczególnych punktach charakterystyki z rys. 3 odpowiada wartości Uor 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 Uor utrzymuje wartość około -0.25mV co można potraktować jako niedokładne zrównoważenie układu (czyli pominąć, ≈0). Gdy Uis osiąga wartość powyżej 3.4V, wyjściowe napięcie różnicowe zaczyna gwałtownie rosnąć (własność niepożądana) aby przy Uis ≈ 6V ustabilizować się w wartości Uor = 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 Uis, 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. Kur jest największe przy Uir 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 Uis = 3.4V, przy którym napięcie Uor zaczynało gwałtownie rosnąć. Jak wspomniano przy omawianiu wzmocnienia sumacyjnego dla f = 0Hz, zakres Uis 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 Uis 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 Uis 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 Kur ≈ 29.5dB. Powyżej f = 100kHz Kur maleje aby (wbrew oczekiwaniom) po przekroczeniu f = 600kHz zacząć rosnąć. Ograniczony zakres częstotliwości generatora nie pozwolił sprawdzić czy wzrost wzmocnienia przekroczyłby (znacznie) wartość Kur ≈ 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