Studiul etajului de amplificare diferential

Studiul etajului de amplificare diferential

Scopul lucrarii

Studiul amplificatorului diferential realizat cu tranzistoare bipolare prin:

determinarea punctelor statice de functionare ale tranzistorelor;

trasarea caracteristicii de transfer;

studiul efectelor in emitor;

amplificarile si rezistentele de intrare corespunzatoare functionarii amplificatorului diferential pe mod diferential pur si mod comun pur.   

2. Consideratii teoretice

Un amplificator diferential este un amplificator cu "doua intrari calde" care amplifica diferenta dintre semnalele aplicate pe aceste doua intrari , indiferent de valoarea lor individuala ,cu conditia sa fie mai mica decat tensiunea de alimentare sau decat o fractiune din aceasta.

Amplificatoarele diferentiale intra in structura amplificatoarelor operationale (AO) ca etaje de intrare si etaje intermediare de amplificare. Folosirea acestor amplificatoare prezinta urmatoarele avantaje:

datorita imperecherii si cuplajului termic al tranzistorelor monolitice sunt ideale pentru integrare;

pot fi conectate in cascada direct, fara capacitati de cuplaj;

asigura intrarea diferentiala necesara pentru multe tipuri de circuite analogice.

Un etaj diferential de amplificare arata ca in figura urmatoare:

Fig. 2.1

Se definesc doua moduri de excitare a etajului diferential in functie de semnalele aplicate la intrare:

amplificator diferential pe mod excitat pur;

amplificator diferential pe mod comun pur.

Principalele marimi caracteristice pentru functionarea in regim dinamic a unui etaj diferential sunt:

tensiunea de intrare de mod diferential:

tensiunea de intrare de mod comun:

tensiunea de iesire de mod diferential:

tensiunea de iesire de mod comun:

Acestor tensiuni le corespund 4 tipuri de amplificari:

amplificarea de mod diferential:

amplificarea de mod comun:

amplificarea de transfer de la modul comun la modul diferential:

amplificarea de transfer de la modul diferential la modul comun:

Semnalele utile fiind cele de mod diferential trebuie maximizata amplificarea de mod comun. Capacitatea amplificatorului de a separa efectul util al tensiunii diferentiale de intrare de efectul perturbator al tensiunii de intrare de mod comun se caracterizeaza prin factorul de discriminare:

Pentru un amplificator diferential perfect simetric (cele doua tranzistore sa fie identice) se pot calcula, pentru semnal mic si joasa frecventa, amplificarile si impedantele de intrare utilizand conceptul de scurtcircuit si anume:

S-au notat prin:

- rezistenta sursei de semnal;

- rezistenta de limitare din baza tranzistorului;

- reprezinta factorul de amplificare in curent si rezistenta de intrare a tranzistorelor.

Se observa ca trebuie sa fie cat mai mare pentru a minimiza efectele tensiunii de intrare de mod comun si de aceea se foloseste in locul rezistentei din emitor un generator de curent constant care are o rezistenta de iesire echivalenta foarte mare. Factorii perturbatori ca variatia temperaturii si a tensiunii de alimentare au efecte identice pentru ambele tranzistore, deci sunt semnale de mod comun si sunt minimizati de amplificatorul diferential.

Daca amplificatorul diferential este perfect simetric atunci amplificarile de transfer si sunt nule. Aceste amplificari apar din interactiunea dintre functionarea pe mod diferential si cea de pe mod comun, datorandu-se in principiu simetriilor schemei. Se defineste factorul de rejectie a modului comun CMMR (Common Mode Rejection Ratio). Acesta caracterizeaza capacitatea amplificatorului cu asimetrii de a separa tensiunea de iesire diferentiala datorata tensiunii de intrare diferentiala de cea datorata tensiunii de intrare de mod comun:

Pentru marirea gamei (domeniului) tensiunilor de intrare in care se comporta aproximativ liniar, in serie cu emitoarele tranzistorelor se introduc rezistente egale Re, numite rezistente de degenerare.

Amplificarea diferentiala a impedantei de intrare devine:

3. Desfasurarea lucrarii

3.1. Se identifica montajul din fig.2.2. cu cel de pe platforma tip macheta.

Pentru efectuarea lucrarii, in afara de platforma care contine plantate elementele componente ale montajului, mai sunt necesare:

multimetru electronic;

sursa de curent constant;

osciloscop cu doua canale;

generator de semnal;

miliampermetru.

Fig. 2.3

Etajul diferential este realizat cu tranzistorele si din aria de tranzistoare de tip ROB 3018, care are schema interna data in fig.2.3. Tranzistoarele din aria de tranzistoare, realizate in tehnologie monolitica sunt perfect identice si asigura o buna imperechere a parametrilor dati in tabelul 1.

Tabelul 1

3.2. Determinarea punctului static de functionare

Se determina punctele statice de functionare pentru tranzistoarele si masurand in doua cazuri: fara degenerare in emitor si cu degenerare in emitor.

Pentru primul caz se scurcircuiteaza bornele 6, 7 si 8 intre ele, iar pentru al doilea caz se desfac aceste legaturi.

- tensiunea masurata intre bornele 10 si 4;

-tensiunea masurata intre bornele 11 si 7.

Rezultatele se trec in tabelul 2:

Tabelul 2

Se calculeaza curentul de iesire al sursei de curent constant . Apoi se masoara aceasta valoare si se compara rezultatele. Se verifica ce relatii sunt intre ,

3.3. Determinarea caracteristici de transfer pe mod diferential

a) Pentru determinarea caracteristicii de transfer fara degenerare se realizeaza configuratia pentru semnal diferential la intrare (borna 1 se leaga la borna 3 si bornele 6, 7 si 8 se leaga impreuna).

Cu ajutorul potentiometrului se stabilesc urmatoarele valori pentru: Tensiunea termica la . Se masoara tensiunea de iesire diferentiala intre bornele 10 si 11. Se completeaza linia 2 din tabelul 3 cu datele obtinute.

Tabelul 3

Se ridica caracteristica de transfer cu datele obtinute. Din graficul trasat se determina amplificarea de tensiune ca panta portiunii liniare. Aceste valori se centralizeaza in tabelul 4.

b) Pentru determinarea caracteristicii de transfer cu degenerare (cu rezistenta in emitoare ) pe mod diferential se desfac legaturile intre bornele 6, 7 si 8.

Cu ajutorul potentiometrului se stabilesc urmatoarele valori pentru . Se masoara tensiunea de iesire diferentiala completandu-se linia 3 din tabelul 3. Se ridica caracteristica de transfer cu datele obtinute. Din graficul trasat se determina amplificarea de tensiune ca panta portiunii liniare. Aceste valori se centralizeaza in tabelul 4:

Tabelul 4

3.4. Determinarea caracteristicii de transfer pe mod comun.

a) Se determina caracteristica de transfer pe mod comun fara degenerare in emitor. Pentru aceasta se realizeaza configuratia pentru semnal comun de intrare legandu-se bornele 1, 3 si 4 impreuna, iar bornele 6, 7 si 8 se scurcircuiteaza.

Cu ajutorul potentiometrului se stabilesc urmatoarele valori pentru . Se masoara tensiunea de iesire de mod comun .

Cu datele obtinute se completeaza linia 2 din tabelul 5.

Tabelul 5

Se verifica caracteristica de transfer: cu datele obtinute. Din graficul trasat se determina amplificarea ca panta portiunii liniare. Aceste valori se centralizeaza in tabelul 4.

b) Pentru determinarea caracteristicii de transfer pe mod comun cu degenerare in emitor se desfac legaturile intre bornele 6, 7 si 8 si se proce- deaza analog cu punctul a), rezultatele trecandu-se in linia 3 a tabelului 5.

3.5. Determinarea amplificarilor

a) Amplificarea de mod diferential fara rezistente de degenerare in emitoarele tranzistoarelor.

Se scurtcircuiteaza bornele 4 si 5 si bornele 6, 7 si 8 impreuna. Se aplica un semnal sinusoidal intre borna 2 si masa de frecventa egala cu 1KHz, iar amplitudinea se regleaza astfel incat semnalul de iesire sa nu fie distorsionat (semnalul de iesire sa fie de aproximativ 1V). Se masoara tensiunea diferentiala de intrare (intre baza tranzistorului T₁ si masa) si tensiunea diferentiala de iesire (intre bornele 6 si 7) si se determina amplificarea pe mod diferential si rezultatul se trece in tabelul 4. Se vizualizeaza pe osciloscop semnalul de intrare si semnalele din colectoarele tranzistoarelor urmarindu-se amplitudinea si faza. Se regleaza semnalul de intrare pana cand apare limitarea incipienta.

b) Amplificarea de mod diferential cu rezistente de degenerare in emitoarele tranzistoarelor .

Bornele 4 si 5 raman scurtcircuitate, iar la bornele 6, 7 si 8 se desfac legaturile. Se procedeaza analog ca la punctul a).

c) Amplificarea de mod diferential fara degenerare in emitor si cu rezistenta pentru polarizarea tranzistorului ()in locul sursei de curent constant.

Bornele 4 si 5 raman scurtcircuitate, bornele 6,7 si 8 se scurtcircuiteaza impreuna, iar bornele 8 cu 9 se scurtcircuiteaza. Se inseriaza condensatorul cu rezistenta pentru a nu influenta punctul static de functionare. Se procedeaza mai departe ca la punctul a).

d) Amplificarea de mod comun fara rezistente de degenerare in emitoarele tranzistoarelor.

Bornele 3, 4 si 5 se scurtcircuiteaza, respectiv bornele 6, 7 si 8.

Se aplica un semnal sinusoidal intre borna 2 si masa, de frecventa egala cu 1KHz si amplitudine 1, 5V. Se masoara tensiunea de intrare de mod comun intre borna 3 si masa si tensiunea de iesire de mod comun . Se determina amplificarea pe mod comun , iar rezultatul se trece in tabelul 4. Se vizualizeaza pe osciloscop semnalul de intrare si semnalele din colectoarele tranzistoarelor urmarindu-se amplitudinea si faza.

e) Amplificarea de mod comun cu rezistente de degenerare.

Se procedeaza ca la punctul d) desfacand legaturile intre bornele 6, 7 si 8.

f) Amplificarea de mod comun fara rezistente de degenerare in emitoare si cu rezistente de polarizare in locul sursei de curent constant.

Bornele 3, 4 si 5 raman scurtcircuitate, iar bornele 6, 7 si 8 se scurtcircuiteaza si pentru a introduce rezistenta de polarizare se scurtcircuiteaza bornele 8 si 9. Se procedeaza ca la punctul d) mai departe. Se observa efectul rezistentei de polarizare din emitoare asupra amplificarii de mod comun.

g) Amplificarea de transfer de la mod comun la mod diferential, .

Se executa montajul de etaj amplificator de mod comun (bornele 3, 4 si 5 scurtcircuitate) si se determina amplificarea in doua situatii: normal (fara rezistoare de degenarare in emitoare) si cu (prin inlocuirea sursei de curent constant cu o rezistenta).

3.6. Determinarea impedantelor de intrare

a) Impedanta diferentiala de intrare.

Se executa montajul pentru amplificarea pe mod diferential (bornele 4 si 5 se scurtcircuiteaza). Se inseriaza cu generatorul de semnal un sinusoidal cu f=1KHz si amplitudinea de cativa zeci de mV astfel incat iesirea sa nu fie distorsionata. Se masoara curentul absorbit prin citirea valorii aratata de mA. Raportand tensiunea alternativa de la intrare la curentul masurat se obtine impedanta cautata, dar in paralel cu rezistenta . Se conecteaza rezultatele si se trec in tabelul 4 pentru cele trei cazuri.

b)Impedanta de intrare de mod comun.

Se determina impedanta de intrare de mod comun pentru situatia cand rezistenta este conectata (se inlocuieste sursa de curent constant). Se inseriaza cu generatorul de semnal un mA, celalalt capat se baga la borna 2. Se executa montajul corespunzator modului comun (bornele 3 si 4 sunt scurtcircuitate) si se inlocuieste sursa de curent constanta cu rezistenta (bornele 8 si 9 sunt scurtcircuitate). Se aplica un semnal sinusoidal cu f=1KHz amplitudinea catre zeci de mV. Curentul ce trece prin mA este suma curentilor pentru cele doua intrari. Impedanta de intrare va fi egala cu raportul dintre tensiunea de intrare si jumatatea valorii curentului masurat cu mA.

Impedanta de intrare pe mod comun in paralel cu ne da impedanta de intrare obtinuta mai sus. Se tine seama de corectia respectiva si rezultatul se trece in tabelul 4. Masuratorile sunt orietative datorita faptului ca impedanta cautata are o valoare mult mai mare decat .

4. Continutul referatului

4.1. Schemele de montaj folosite.

4.2. Caracteristica de transfer pentru fiecare caz

4.3. Formele de semnal vizualizate

4.4. Concluzii asupra lucrarii