of 66 /66
UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” BRAŞOV GHEORGHE PANĂ ADRIAN VIRGIL CRĂCIUN CIRCUITE INTEGRATE ANALOGICE ÎNDRUMAR DE LABORATOR 1999

CIRCUITE INTEGRATE ANALOGICE - vega.unitbv.rovega.unitbv.ro/~pana/cia.l/Lab_CIA.pdf · Circuite integrate analogice - Îndrumar de laborator 4 • confundarea sursei simple cu o sursă

  • Author
    others

  • View
    5

  • Download
    1

Embed Size (px)

Text of CIRCUITE INTEGRATE ANALOGICE - vega.unitbv.rovega.unitbv.ro/~pana/cia.l/Lab_CIA.pdf · Circuite...

  • UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV

    GHEORGHE PAN ADRIAN VIRGIL CRCIUN

    CIRCUITE INTEGRATEANALOGICE

    NDRUMAR DE LABORATOR

    1999

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    CUPRINS

    IntroducereDescrierea i utilizarea aparatelor de laborator ....................................................................................3Lucrarea nr. 1STUDIUL SURSELOR DE CURENT CONSTANT PRIN SIMULARE N PSPICE .......................7Lucrarea nr. 2STUDIUL AMPLIFICATOARELOR DIFERENIALE PRIN SIMULARE N PSPICE................11Lucrarea nr. 3AMPLIFICATORUL DIFERENIAL - analiza de semnal mic ........................................................15Lucrarea nr. 4AMPLIFICATORUL DIFERENIAL - comportarea n frecven....................................................21Lucrarea nr. 5ETAJE DE IEIRE N CONTRATIMP ............................................................................................25Lucrarea nr. 6CIRCUITUL INVERSOR realizat cu amplificator operaional .........................................................31Lucrarea nr. 7CIRCUITUL NEINVERSOR realizat cu amplificator operaional....................................................36Lucrarea nr. 8CIRCUITE LINIARE realizate cu amplificatoare operaionale.........................................................40Lucrarea nr. 9CIRCUITE NELINIARE realizate cu amplificatoare operaionale....................................................46Lucrarea nr. 10AMPLIFICATOARE DE TENSIUNE ALTERNATIV realizate cu amplificatoare operaionale..51Lucrarea nr. 11ALIMENTAREa AMPLIFICATOARELOR OPERAIONALE CU TENSIUNE SIMPL ...........56Lucrarea nr. 12CIRCUITUL DE TEMPORIZARE E 555.......................................................................................60Bibliografie.........................................................................................................................................66

  • Introducere

    3

    Introducere

    DESCRIEREA I UTILIZAREA APARATELOR DE LABORATOR

    In laboratorul de Circuite Integrate Analogice se utilizeaz urmtoarele tipuri de aparate: surse de tensiune continu stabilizat; generatoare de semnal (sinusoidal, dreptunghiular, triunghiular); osciloscoape catodice; multimetre analogice; multimetre numerice.1. Sursele de tensiune continu stabilizat furnizeaz energia de c.c. necesar funcionrii

    montajelor electronice de pe modulele de laborator i/sau nivele precise de tensiune continunecesare n ridicarea caracteristicilor statice.

    Sursele de tensiune continu stabilizat pot fi: surse simple de tensiune continu stabilizat, caz n care pe panoul aparatului se gsesc:

    a) o born notat cu +;b) o born notat cu -;c) o born de mas, legat d.p.d.v. electric la carcasa aparatului (asiu). Aceast born

    nu are legtur cu montajul electronic al sursei stabilizate.

    Observaie: n funcie de tipul circuitului electronic alimentat de la sursa simpl, poatedeveni born de mas fie borna + fie cea -. Prin born de mas se nelege acea born careconstituie referina de potenial, fa de care se msoar toate celelalte poteniale (att de c.c. cti de c.a.).

    De exemplu, n cazul unui montaj electronic realizat cu tranzistosre PNP, masa este borna+ iar n cazul unui montaj electronic realizat cu tranzistoare NPN, borna - constituie masamontajului.

    surse duble sau triple de tensiune care cuprind 2 sau 3 stabilizatoare de tensiune, deci suntalctuite din 2 sau 3 surse simple. Fiecare surs are dou borne, una de + i o alta de -. Intregaparatul este prevzut cu o born de mas la care se conecteaz electric asiul aparatului.

    Sursele duble au dou seciuni identice i se pot utiliza separat sau mpreun pentrualimentarea cu tensiune simetric, pozitiv i negativ, fa de o mas comun. n acest caz celedou surse simple se leag n serie, adic se unete minusul primei surse cu plusul celei de a douasurse i acest punct devine masa montajului alimentat cu tensiune simetric. Plusul primei surse vafi plusul general de alimentare iar minusul celei de a doua surse va fi minusul general de alimentareal sursei simetrice.

    Sursele triple au pe lng cele dou surse, de obicei cu tensiune reglabil n trepte, i o atreia surs cu tensiunea fix, egal cu 5V, pentru alimentarea circuitelor digitale.

    Multe surse permit att reglarea nivelului tensiunii furnizate ct i a curentului maximdebitat. Pe panoul aparatului pot exista, de exemplu, dou LED-uri, unul care indic prezenanormal a tensiunii i un al doilea LED care indic doar situaia de curent depit, caz n care LED-ul de tensiune se stinge i se aprinde cel care indic situaia de suprasarcin.

    Greelile de manevrare a surselor de tensiune continu stabilizat care trebuie evitate sunt: din punct de vedere a polaritii, conectarea greit a bornelor sursei la montajul analizat (+ n

    loc de -, respectiv - n loc de +); poziionarea poteniometrului de reglare a valorii limitate a curentului furnizat de surs

    corespunztor unui curent mai mic dect cel cerut de montajul analizat;

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    4

    confundarea sursei simple cu o surs dubl; pcleala este produs de existena bornei de mas(=asiu), neconectat la montajul electronic din interiorul sursei;

    omiterea conexiunii dintre punctul de nseriere a celor dou surse simple atunci cnd seurmrete obinerea unei surse simetrice i masa montajului alimentat, caz n care circuitulanalizat rmne fr referin de potenial (nu are mas !).

    2. Generatoarele de semnal constituie surse de tensiuni variabile n timp necesarefuncionrii, msurrii i depanrii unei mari varieti de aparate i instalaii electronice sauelectrice.

    Semnalele posibile au o diversitate de forme (sinusoidale, dreptunghiulare, triunghiulare,trapezoidale etc.) iar ca repetiie n timp sunt semnale periodice (cazul cel mai des ntlnit),impulsuri singulare sau trenuri de impulsuri. n laboratorul de CIA se folosesc semnalele periodicesinusoidale, dreptunghiulare i triunghiulare, cu frecvena reglabil de la uniti de hertzi la sute dekilohertzi sau chiar megahertzi.

    Pentru utilizarea corect a generatoarelor de semnal trebuie cunoscute urmtoarele: tipul semnalului (sinusoidal, dreptunghiular sau triunghiular), ales cu ajutorul unui comutator; domeniul de frecvene n care generatorul furnizeaz semnal. Pe panoul aparatului exist sisteme

    mecanice sau electronice de indicare a frecvenei de oscilaie; nivelul semnalului, indicat cu un sistem mecanic sau electronic, sau msurat cu un voltmetru

    exterior; rezistena de ieire a generatorului (tipic 50 sau 600) pentru a se evita fenomenul de divizare

    a semnalului ntre rezistena intern a generatorului i rezistena de intrare a montajului analizat(n cazul unor montaje cu rezisten de intrare mic).

    De exemplu dac rezistena de intrare a montajului analizat este egal cu sute de ohmi sau1k i se utilizeaz ieirea de 600 a generatorului, nivelul real al semnalului de la intrareamontajului va fi egal cu aproximativ jumtate din cel furnizat de generator.

    3. Osciloscopul catodic este un aparatde msurare sau observare, care utilizeaz unul saumai multe fascicole electronice pentru a da o reprezentare a valorilor instantanee ale semnaluluielectric msurat n funcie de diverse mrimi variabile, dintre care cea mai des ntlnit este timpul.Aceast reprezentare se realizeaz pe ecranul unui tub catodic, de unde i numele de osciloscopcatodic.

    Schema bloc de principiu a osciloscopului care utilizeaz tub catodic cu deflexieelectrostatic se prezint n fig. 1, a.

    Amplificatorul pevertical

    y Ay

    Plcile Y

    z

    Plcile X

    Amplificatorul peorizontal Ax

    K11

    2

    X-EXT

    BTT Baza de timp

    K3

    CS

    K2

    1 2

    Modulaiaexterioar aintensitiispotului

    Circuit decomand aluminozitii

    cursa directcursainvers

    spotul n dreaotaecranului

    spotul n stngaecranului

    Tx

    a) b)Fig. 1. Schema bloc de principiu a osciloscopului catodic.

  • Introducere

    5

    Pe plcile de deflexie vertical (plcile Y) se aplic semnalul de vizualizat y, dup ce a fostamplificat prin intermediul amplificatorului pe vertical Ay.

    Pe plcile de deflexie orizontal (plcile X) se aplic un semnal proporional cu timpul t, peecranul tubului catodic aprnd astfel dependena y(t).

    Semnalul proporional cu timpul se numete baza de timp i este produs de generatorul bazeide timp BT i amplificat la nivelul necesar de amplificatorul pe orizontal Ax.

    Tensiunea bazei de timp are forma tipic din fig. 1, b, care justific denumirea de tensiune ndini de fierstru. Pe timpul cursei directe, spotul parcurge ecranul de la stnga la dreapta iar ntimpul cursei inverse spotul descrie o micare de la extremitatea dreapt la extremitatea stng aecranului.

    Vizualizarea dependenei y(t) se realizeaz n timpul cursei directe. n timpul cursei inverse,prin intermediul unui circuit comandat de generatorul bazei de timp, spotul este stins.

    Imaginea de pe ecranul osciloscopului va fi stabil numai n cazul n care perioada T a bazeide timp este egal sau este un multiplu al perioadei semnalului vizualizat. Pentru abateri mici de laaceast egalitate imaginea se mic lent spre stnga sau spre dreapta n funcie de sensul abaterii, iarpentru abateri mari imaginea devine incoerent.

    Pentru a se obine condiia de egalitate expus anterior se acioneaz asupra frecvenei bazeide timp prin intermediul unui buton de pe panoul frontal pn n momentul n care se obine oimagine stabil.

    Pentru vizualizarea dependenei y(x) dintre dou semnale y i x, comutatorul K2 se trece pepoziia 2, marcat pe panoul frontal cu X-EXT.

    3.1 Osciloscopul cu dou canale permite vizualizarea simultan a dou semnale. Soluiaoptim impune utilizarea unui singur tun electronic i a unui comutator electronic care realizeazcomutarea ntre intrrile osciloscopului i plcile de deflexie, obinndu-se pe ecran imaginilecorespunztoare semnalelor aplicate la intrri.

    Sunt posibile dou moduri de lucru: primul n care semnalele apar pe ecranul osciloscopului alternat (succesiv n timp, conectarea i

    deconectarea canalelor avnd loc la sfritul cursei directe a fiecrui baleiaj) i al doilea n care spotul este comutat (chop-at) cu o frecven fix ntre cele dou canale,

    imaginile care apar pe ecran fiind compuse dintr-o succesiune de puncte (discontinuitatea fiindpractic nesesizat n condiii normale).

    Alegerea unui anumit mod de lucru pe vertical (ALTERNAT sau COMUTAT) serealizeaz de ctre operator, prin intermediul unui buton accesibil pe panoul frontal.

    IMPORTANT: - modul de lucru ALTERNAT se utilizeaz pentru semnale de frecven naltpentru care durata bazei de timp este mult mai mic dect timpul de remanen altubului catodic;- modul de lucru COMUTAT este util pentru frecvene mici ale semnaluluivizualizat, la care efectul de plpire a imaginii (n modul alternat) devinesuprtor.

    4. Multimetrul analogic poate msura tensiuni, cureni i rezistene (AVO-metru) i are labaz aparatul magnetoelectric. Acesta este un aparat de c.c. Principiul su de funcionare const naciunea unui cmp de inducie magnetic constant, produs de un magnet permanent, asupra uneibobine parcurs de curentul de msurat.

    Utilizarea corect a multimetrului analogic presupune: poziionarea corect a comutatorului c.c.-c.a. n funcie de natura semnalului msurat (c.c. sau

    c.a.); alegerea corect a domeniului de msur (mai mare dect nivelul semnalului msurat); respectarea polaritii bornelor aparatului n cazul semnalelor de c.c.;

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    6

    conectarea corect n circuitul de msur (n paralel dac se msoar tensiunea, respectiv n seriedac se msoar curentul);

    Pe domeniul de tensiuni, aceste aparate au o rezisten intern mic (20k/V sau n cazurimai bune 100k/V). Acest lucru nseamn c n cazul unui aparat care are 20k/V, pe domeniul de1V, atunci cnd se msoar o tensiune, n paralel cu circuitul msurat se aplic o rezisten egal cu20k. Dac circuitul msurat este jonciunea baz-emitor a unui tranzistor, indicaiile voltmetruluivor fi eronate deoarece rezistena de 20k modific PSF-ul tranzistorului.

    5. Multimetrul digital elimin dezavantajul semnalat mai sus, rezistena sa intern fiind de10M, indiferent de domeniul de msur a tensiunii.

    Multimetrul digital poate fi cu scalare automat sau manual. Indiferent de tipul de scalare,funciile aparatului se aleg manual de ctre operator (tensiune continu sau alternativ, curentcontinuu sau alternativ, respectiv msurare de rezistene).

    Multimetrul este prevzut cu dou borne notate Hi (high - nivel nalt) i Lo (low - nivel jos)i semnaleaz polaritatea n c.c., afind semnul minus n cazul semnalelor negative, astfel: dac borna Hi se conecteaz la o polaritate mai pozitiv dect borna Lo, afiarea rezultatului

    msurrii nu este afectat de semn; dac borna Hi se conecteaz la o polaritate mai negativ dect borna Lo, n partea stng a

    rezultatului msurrii se afieaz semnul minus.

  • Studiul surselor de curent constant prin simulare n PSpice

    7

    Lucrarea nr. 1

    STUDIUL SURSELOR DE CURENT CONSTANT PRINSIMULARE N PSPICE

    1. Scopul lucrrii:

    studiul oglinzii simple de curent cu 2 tranzistoare; studiul sursei cu 3 tranzistoare; studiul sursei standard; studiul Widlar.

    2. Consideraii teoretice despre sursele de curent din CIA:

    realizare: cu tranzistoare bipolare sau MOS rol: de a furniza cureni independeni de impedana de sarcin i pe ct posibil de tensiunea de

    alimentare i de temperatur funcii n CIA:

    de polarizare a altor etaje, de exemplu a celor difereniale; de sarcini active; de deplasare a nivelului de c.c.

    deosebire fa de sursele cu componente discrete: sursele de curent din CIA conin mai multetranzistoare, deoarece rezistenele de valori mari ocup o parte nsemnat din aria cipului desiliciu.

    surse realizate cu tranzistoare bipolare: oglinda simpl de curent cu 2 tranzistoare sursele de curent cu 3 tranzistoare sursa standard de curent sursa de curent Widlar sursa de curent cascod sursa de curent multipl sursa de curent cu tranzistoare cu efect de cmp (TEC-J).

    surse realizate cu tranzistoare MOS: sursa simpl de curent cu dou tranzistoare sursa de curent Wilson sursa de curent cascod.

    3. Desfurarea lucrrii

    3.1 Oglinda simpl de curent cu 2 tranzistoare are schema din fig. 1, cu nodurilenumerotate dup regulile cerute de mediul de simulare. Alturi de schem se prezint descriereacircuitului, cuprins n fiierul OGL2TZ.CIR din subdirectorul F:\ALL\LAB-CIA.

    a) Se copiaz pe G: fiierul OGL2TZ.CIR din subdirectorul F:\ALL\LAB-CIA

    b) Raportul I(Rs)/I(Rr). Fiierul de intrare se completeaz cu instruciunile

    .DC VC 15 15 1

    .PRINT DC I(Rs) Ic(Q2) I(Rr) Ic(Q1)i se citesc din fiierul de ieire OGL2TZ.OUT valorile curenilor de colector ale tranzistoarelor iprin rezistoarele Rr i Rs.

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    8

    Studiul oglinzii simple de curent cu 2 tranzistoareRr 1 2 14.4KRs 1 3 1KQ1 2 2 0 TBQ2 3 2 0 TB.model TB npn(Is=8.25E-14 Bf=100)VC 1 0 DC 15.END

    c) Se urmrete influena tensiunii de alimentare VC asupra curentului de ieire Ic(Q2). Seadaug analiza de c.c.:

    .DC VC 5 30 1Se deseneaz dependena grafic dintre Ic(Q2) i VC.

    d) Influena factorului de amplificare n curent. Se revine la VC=15V i se determinraportul I(Rs)/I(Rr) pentru 2 valori ale factorului de amplificare n curent Bf=25, respectiv Bf=100.Se va modifica parametrul Bf din modelul tranzistoarelor.

    e) Influena tensiunii Early. La modelul tranzistoarelor (Bf=100) se adaug tensiuneaEarly, presupus egal cu 20V, VAF=20 i se noteaz influena efectului Early asupra curentului deieire I(Rs). Se va evalua raportul I(Rs)/I(Rr) i se va compara cu cel determinat analitic cu ajutorulrelaiei

    I RsI Rr

    VCEVA

    VCEVA

    ( )( )

    =+

    +

    1 2

    1 1

    3.2 Sursa de curent cu 3 tranzistoare elimin influena valorii factorului de amplificare ncurent al tranzistoarelor asupra raportului dintre curentul de ieire i cel de referin. Schema surseise prezint n fig. 2, unde nodurile sunt numerotate dup regulile cerute de simulare. Alturi deschem se prezint descrierea circuitului, conform fiierului SURSA3TZ.CIR din F:\ALL\LAB-CIA.

    Studiul sursei cu 3 tranzistoareRr 1 2 14KRs 1 3 1KQ1 2 4 0 TBQ2 3 4 0 TBQ3 1 2 4 TB.model TB npn(Is=8.25E-14 Bf=100)VC 1 0 DC 15.END

    f) Se copiaz pe G: fiierul SURSA3TZ.CIR din subdirectorul F:\ALL\LAB-CIA

    g) Se urmrete influena factorului de amplificare n curent asupra raportului curenilorI(Rs)/I(Rr) pentru 2 valori ale factorului de amplificare n curent Bf=25, respectiv Bf=100. Se vamodifica parametrul Bf din modelul tranzistoarelor.

    Se compar rezultatele cu cele de la subpunctul d).

    Fig. 1. Oglinda simpl.

    Fig. 2. Oglinda de curent cu 3tranzistoare.

  • Studiul surselor de curent constant prin simulare n PSpice

    9

    3.3 Sursa standard de curent are schema din fig. 3, cu nodurile numerotate dup regulilecerute de simulare. Alturi de schem se prezint descrierea circuitului, cuprins n fiierulS_STAND.CIR din subdirectorul F:\ALL\LAB-CIA.

    Sursa standard de curentRr 1 2 12.4KR1 4 0 2kRs 1 3 1KR2 5 0 4KQ1 2 2 4 TBQ2 3 2 5 TB.model TB npn(Is=8.25E-14 Bf=100)VC 1 0 DC 15.END

    h) Se copiaz pe G: fiierul S_STAND.CIR din subdirectorul F:\ALL\LAB-CIA.

    i) Diferena dintre tensiunile B-E. Inainte de linia de definire a lui R2 se scrie:.PARAM R2=1K.STEP PARAM R2 LIST 4K 20K 100K 200K

    ceea ce corespunde, ideal, unor cureni de ieire de 2, 10, 50 respectiv de 100 ori mai mici dectcurentul de referin.

    Linia de descriere a lui R2 se nlocuiete cu:R2 5 0 {R2}

    Cu ajutorul unei analize de c.c. i de tiprire n fiierul S_STAND.OUT a mrimilorspecificate prin instruciunea .PRINT se completeaz tabelul 1. Fiierul de intrare se va completa culiniile:

    .DC VC 15 15 1

    .PRINT DC I(Rs) I(R2) I(Rr) I(R1) V(2,4) V(2,5)se determin diferena dintre tensiunile B-E ale celor dou tranzistoare cu relaia:

    V V VBE = ( , ) ( , )2 4 2 5i rapoartele curenilor I(Rs)/I(Rr), respectiv I(R2)/I(R1).

    Tabelul 1

    ParametrulR2

    I(Rs)[mA]

    I(R2)[mA]

    I(Rr)[mA]

    I(R1)[mA]

    I RrI Rs( )( )

    I RI R( )( )12

    V(2,4)[mV]

    V(2,5)[mV]

    VBE[mV]

    4k20k100k200k

    3.4 Sursa de curent WIDLAR are schema reprezentat n fig. 4, cu nodurile numerotatedup regulile cerute de simulare. Alturi de schem se prezint descrierea circuitului, cuprins nfiierul S_WIDLAR.CIR din subdirectorul F:\ ALL\LAB-CIA.

    j) Se copiaz pe G: fiierul S_WIDLAR.CIR din subdirectorul F:\ALL\LAB-CIA.

    k) Influena tensiunii de alimentare. Se modific tensiunea de alimentare ntre limitele 5Vi 30V i se urmrete influena lui VC asupra curentului de ieire. In acest scop se extrag de pereprezentrile grafice ale curenilor I(Rs) i I(Rr)/10, determinate la cele dou valori specificatepentru VC. Scalarea lui I(Rr) s-a introdus pentru ca I(Rs) i I(Rr)/10 s aib domenii de variaieasemntoare i s se poat vizualiza pe acelai grafic. Se completeaz:

    Fig. 3. Sursa standard.

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    10

    I RsI Rs

    V

    V

    ( )( )

    ..........305

    = , respectiv I RrI Rr

    V

    V

    ( )( )

    ..........305

    =

    Cum se explic rezultatul obinut?

    Sursa de curent WIDLARRr 1 2 14.4KRs 1 3 1KR2 5 0 1KQ1 2 2 0 TBQ2 3 2 5 TB.model TB npn(Is=8.25E-14 Bf=100)VC 1 0 DC 15.END

    Fig. 4. Sursa WIDLAR.

  • Studiul amplificatoarelor difereniale prin simulare n PSpice

    11

    Lucrarea nr. 2

    STUDIUL AMPLIFICATOARELOR DIFERENIALE PRINSIMULARE N PSPICE

    1. Scopul lucrrii - studiul amplificatorului diferenial (AD) realizat cu tranzistoare bipolareprin: determinarea punctelor statice de funcionare ale tranzistoarelor; trasarea caracteristicii de transfer; studiul efectelor degenerrii n emitor; studiul relaiei de faz dintre semnale; determinarea frecvenei limit superioare.

    2. Consideraii teoretice

    definiie: AD este un amplificator cu dou intrri calde care amplific diferena dintresemnalele aplicate pe cele dou intrri, indiferent de valoarea lor individual, cu condiia s fiemai mici dect tensiunea de alimentare sau dect o fraciune din aceasta.

    rolul AD n structura AO: etaje de intrare; etaje intermediare de amplificare.

    avantaje: sunt ideale pentru integrare datorit mperecherii i cuplajului termic al tranzistoarelor

    monolitice; pot fi conectate n cascad direct, fr capaciti de cuplaj.

    alimentare: de la o surs dubl de tensiune, obinut prin nserierea a dou surse simple, punctulde nseriere devenind referina de potenial (punctul de mas).

    3. Desfurarea lucrrii

    Amplificatorul diferenial utilizat n simulare are schema din fig. 1, cu nodurile numerotatedup regulile cerute de mediul de simulare. Alturi de schem se prezint descrierea circuitului,cuprins n fiierul AD.CIR.

    Studiul amplificatorului diferentialRB1 1 0 100KRB2 2 0 100KRC1 8 3 10KRC2 8 4 10KRE1 5 7 1RE2 6 7 1RS 3 4 100KQ1 3 1 5 9 TBQ2 4 2 6 9 TB.model TB npn(IS=41.5E-15 BF=100)IEE 7 9 DC 1MVC 8 0 DC 15VE 9 0 DC -15RG 10 1 1000.END

    a) Se copiaz pe G: fiierul AD.CIR din subdirectorul F:\ALL\LAB-CIA.

    Fig. 1. Schema amplificatorului diferenial, utilizat nsimulare.

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    12

    b) Se determin PSF-urile tranzistoarelor pentru AD fr degenerare i apoi pentru AD cudegenerare n emitor. Se consider RE1=RE2=100, se adaug, nainte de instruciunea .END dinfiierul de intrare, linia:

    VI 10 2 DC 0i instruciunea .OP.

    Cu datele din fiierul de ieire AD.OUT se completeaz tabelul 1.

    Tabelul 1

    TipulAD

    V(1)V(2)[V]

    V(3)V(4)[V]

    V(5)V(6)[V]

    V(7)

    [V]

    IB1IB2[A]

    IC1IC2

    [mA]

    UBE1UBE2

    [V]

    UCE1UCE2

    [V]

    UBC1UBC2

    [V]fr degenerarecu degenerare

    ? Ce influen are degenerarea n emitor asupra PSF-ului ?

    c) Se determin i se deseneaz caracteristica de transfer a AD. Se consider VI = 1mV ise efectueaz o analiz de c.c.

    .DC VI -200m 200m 1m? ntre ce limite de variaie ale lui VI caracteristica de transfer este liniar ?

    d) Se aplic la intrare un semnal alternativ cu amplitudinea de 1mVVI 10 2 AC 1m

    i se determin amplificarea diferenial a AD cu ajutorul instruciunii .TF de calcul a funciei detransfer:

    .TF V(3,4) VISe completeaz din fiierul de ieire, de la SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS,

    valorile pentru: V(3,4)/VI = .......... INPUT RESISTANCE AT VI = .......... OUTPUT RESISTANCE AT V(3,4) = ..........Datele se trec n tabelul 2 i se compar cu valorile determinate analitic.

    Tabelul 2

    Parametru AD fr degenerare AD cu degenerareSPICE analitic SPICE analitic

    domeniul liniaramplificarea diferenialrezistena de intrarerezistena de ieire

    e) Se urmresc i se noteaz efectele degenerrii n emitor asupra performanelor desemnal mic. Se modific valorile rezistenelor RE1 i RE2, RE1=RE2=100, se repet analizele c)i d) i se completeaz tabelul 2.

    f) Cu RE1=RE2=100 conectate, se vizualizeaz i se deseneaz relaia de faz dintre: tensiunea de intrare diferenial i tensiunile individuale din colectoarele tranzistoarelor tensiunea de intrare diferenial i cea de ieire diferenial.Se aplic la intrare un semnal sinusoidal cu amplitudinea de 1mV i frecvena de 1kHz:

    VI 10 2 SIN(0 1m 1k)Se efectueaz o analiz n timp:

    .TRAN 1E-5 4m 0 1E-5

  • Studiul amplificatoarelor difereniale prin simulare n PSpice

    13

    iar pe reprezentarea grafic, tensiunea de ieire V(3,4) se scaleaz la valoarea V(3,4)/20 pentru camplitudinile tensiunilor ce trebuie vizualizate sunt diferite ntre ele.

    g) Se revine la AD fr degenerare n emitor (RE1=RE2=1) i se determin frecvenalimit superioar a amplificatorului, definit ca valoarea frecvenei semnalului de ieire la careamplitudinea semnalului de ieire scade cu 3dB fa de amplitudinea sa maxim. O scdere cu 3 dBeste echivalent cu 0,707 din amplitudinea maxim a semnalului de ieire, determinat la frecvenejoase.

    Se completeaz, pe rnd, parametrii modelului pentru tranzistoarele bipolare cu valorile: CJE=1P TF=0.35N pentru a studia influena numai a capacitii baz-emitor CJC=0.3P VJC=0.55 MJC=0.3333 pentru a studia influena numai a capacitii colector-

    baz CJS=3P VJS=0.52 MJS=0.3333 pentru a studia influena numai a capacitii colector-

    substratunde:

    CJE reprezint capacitatea jonciunii B-E la polarizare zeroTF - timpul de tranziie direct a purttorilor prin bazCJC - capacitatea jonciunii C-B la polarizare zeroVJC - potenialul intern al jonciunii C-BMJC - exponentul factorului de tensiune pentru capacitatea C-BCJS - capacitatea jonciunii C-substrat la polarizare zeroVJS - potenialul intern al jonciunii C-substratMJS - exponentul factorului de tensiune pentru capacitatea C-substrat

    Se ruleaz Spice pentru fiecare set de parametrii introdui, efectundu-se o analiz de c.a..AC DEC 10 1K 1G

    Semnificaia modului de descrire a tranzistoarelor, cu exemplificare pentru Q1 este:

    Se observ c substratul s-a legat la potenialul cel mai negativ din circuit i anume sursanegativ de alimentare (nodul 9).

    h) Se consider simultan toi parametrii prezentai mai sus pentru tranzistoare i sedetermin n aceste condiii frecvena limit superioar a AD.

    Calculele analitice se efectueaz:

    pentru semicircuitul valabil pe mod diferenial din fig. 2 pentru AD fr degenerare;

    Fig. 2. Semicircuitul valabil pe mod diferenial pentru AD fr degenerare.

    )2R(R SC

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    14

    respectiv pentru semicircuitul din fig. 3 n cazul AD cu degenerare.Relaii de calcul pentru circuitul din fig. 2:

    amplificarea diferenial la frecvene joase:

    2R

    )Rr(

    )2

    RR()Rr(g

    AG

    B

    SCBm

    dd

    +

    =

    rezistena de intrare diferenial: )Rr(2RR BGid +=

    Relaii de calcul pentru circuitul din fig. 3: amplificarea diferenial la frecvene joase:

    )R2

    R1](R)1(r[

    2R

    )2

    RR(

    A

    B

    GE

    G

    SC

    .endeg,dd

    ++++

    =

    rezistena de intrare diferenial:]}R)1(r[ R{2RR EBG.endeg,id +++=

    Fig. 3. Semicircuitul valabil pe mod diferenial pentru AD cu degenerare.

    )2R(R SC

  • AMPLIFICATORUL DIFERENIAL analiza de semnal mic

    15

    Lucrarea nr. 3

    AMPLIFICATORUL DIFERENIAL - analiza de semnal mic

    1. Scopul lucrrii. In lucrare se studiaz un amplificator diferenial real i se determingradul de concordan ntre parametrii determinai experimental i parametrii calculai teoreticutiliznd noiunea de semicircuit. Se determin punctele statice de funcionare, amplificrile iimpedanele de intrare.

    2. Consideraii teoretice

    2.1 Definiie, parametrii. Amplificatorul diferenial (AD), utilizat ca etaj de intrare namplificatoarele operaionale (AO), are un rol determinant n asigurarea parametrilor ntregului AO.

    Prin definiie un AD ideal furnizeaz o mrime de ieire proporional cu diferena desemnal dintre cele dou terminale de intrare, fr a fi influenat de semnalele de mod comun de laintrare (semnale identice pentru ambele intrri). O caracteristic foarte util a amplificatoarelordifereniale este aceea c pot fi conectate n cascad direct, fr a se introduce decalaj n curentcontiuu (AD permit realizarea n tehnologie monolitic a AO).

    Principalele mrimi caracteristice pentru funcionarea n regim dinamic a unui etajdiferenial sunt (comform notaiilor din fig.1):

    tensiune de intrare de mod diferenialu u uid i i= 1 2 (1a)

    tensiune de intrare de mod comun

    u u uic i i=+1 22

    (1b)

    tensiune de ieire de mod diferenialu u uod o o= 1 2 (2a)

    tensiune de ieire de mod comun.

    u u uoc o o=+1 22

    (2b)

    Acestor tensiuni le corespund 4 tipuri de amplificri : amplificarea de mod diferenial

    Fig. 1. Fig. 2.

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    16

    A uudd

    od

    id uic

    ==0

    (3)

    amplificarea de mod comun

    A uucc

    oc

    ic uid

    ==0

    (4)

    amplificarea de transfer de la modul comun la modul diferenial

    A uudc

    od

    ic uid

    ==0

    (5)

    amplificarea de transfer de la modul diferenial la modul comun

    A uucd

    oc

    id uic

    ==0

    (6)

    Semnalele utile fiind cele de mod diferenial, trebuie maximizat amplificarea de moddiferenial i redus amplificarea de mod comun. Capacitatea amplificatorului de a separa efectulutil al tensiunii difereniale de intrare de efectul perturbator al tensiunii de intrare de mod comun secaracterizeaz prin factorul de discriminare definit astfel :

    F AA

    dd

    cc

    = (7)

    Pentru un amplificator diferenial perfect simetric se pot calcula amplificrile i impedanade intrare utiliznd conceptul de semicircuit i anume:

    A RR rdd

    C

    G

    = +

    (8)

    A RR r Rcc

    C

    G EE

    = + + +

    2 1( )

    (9)

    R rR r R

    id

    ic EE

    == + +

    22 1

    ( ) (10)

    Prin RG s-a notat rezistena sursei de semnal; i r reprezint factorul de amplificare ncurent i rezistena de intrare a tranzistoarelor. Se observ c REE trebuie s fie ct mai mare pentrua minimiza efectele tensiunii de intrare de mod comun i de aceea se folosete adesea n loc derezistorul din emitor un generator de curent constant care are o rezisten echivalent de ieire foartemare. Factorii perturbatori ca variaia temperaturii i a tensiunii de alimentare au efecte identicepentru ambele tranzistoare, deci sunt semnale de mod comun i sunt minimizai de AD.

    Dac AD este perfect simetric atunci amplificrile de transfer Acd i Adc sunt nule. Acesteamplificri reflect interaciunea dintre funcionarea pe mod diferenial i funcionarea pe modcomun, datorndu-se n principiu asimetriilor schemei. Se definete factorul de rejecie a moduluicomun (CMRR - Common Mode Rejection Ratio). Acesta caracterizeaz capacitateaamplificatorului cu asimetrii de a separa tensiunea de ieire diferenial datorat tensiunii de intraredifereniale de cea datorat tensiunii de intrare de mod comun :

    CMRR AA

    dd

    dc

    = (11)

    2.2 Degenerarea n emitor. Pentru mrirea gamei de tensiuni de intrare n care AD secomport aproximativ liniar, n serie cu emitoarele tranzistoarelor se introduc rezistene egale (RE),numite rezistene de degenerare. Aceste rezistene introduc o reacie local care duce la micorareapantei echivalente deci a amplificrii i la mrirea liniaritii. Amplificarea diferenial i impedanade intrare devin:

  • AMPLIFICATORUL DIFERENIAL analiza de semnal mic

    17

    Ag R

    R R

    R rg I

    R g R R

    ddm E

    CL

    Gm C

    id m E id

    '( )

    )

    ' ( )

    = + +

    = +

    11

    2 40

    1

    ; (

    (12)

    iar funcionarea liniar se extinde cu o valoare aproximativ egal cu REIEE.

    2.3 Reacia negativ pe modul comun. Pentru micorarea sensibilitii amplificatorului lasemnalele de mod comun se pot utiliza circuite prevzute cu reacie negativ pe modul comun.

    Un exemplu de astfel de circuit este prezentat n fig.2. In acest circuit tensiunea peemitoarele tranzistoarelor celui de-al doilea etaj diferenial este cu bun aproximaie egal cutensiunea de ieire de mod comun a primului etaj. Aceast tensiune, divizat prin R2/(R1+R2),determin modificarea curentului din colectorul tranzistorului T3. Se produce astfel un curent dereacie care se opune curentului determinat de tensiunea de intrare pe modul comun. Amplificareade mod comun n prezena reaciei negative pe mod comun va fi :

    A AR RR R R

    cccc

    C'

    ( )

    =+

    +1 2

    3 1 2

    (13)

    pentru RC

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    18

    Etajul este alimentat printr-o surs de curent constant realizat cu T3, surs polarizat princonectarea rezistenei R10 la mas. Rezistena de ieire a sursei de curent constant, foarte mare nmod normal, poate fi redus prin conectarea unui rezistor REE (R13) ntre colectorul lui T3 i bornade alimentare cu tensiune negativ. Se nseriaz i condensatorul C3 pentru a nu se modifica regimulde polarizare n curent continuu. Se poate analiza astfel efectul modificrii rezistenei REE asupraamplificrilor de mod comun.

    Rezistena R3 permite polarizarea bazei lui T1. Pentru polarizarea bazei tranzistorului T2 seva lega un rezistor (R8), cu valoare egal cu cea a rezistorului R2, ntre baza lui T2 i mas.Rezistoarele R6 i R7 permit realizarea AD cu degenerare n emitor prin nlturarea legturii dintreemitoarele tranzistoarelor T1 i T2. Condensatoarele au valoarea de 100...200F, iar R1 are 8,2k.

    Semnalul se va introduce la intrarea I1 sau I2. Pentru a obine un semnal de mod comun laintrare se conecteaz bazele tranzistoarelor T1 i T2 ntre ele, iar pentru a obine un semnal de moddiferenial la intrare, se conecteaz baza lui T2 la mas n regim alternativ cu ajutorulcondensatorului C2.

    Pentru a obine o reacie negativ pe modul comun se deconecteaz R10 de la mas i seleag R10 cu R16. In restul lucrrii se las rezistena R16 neconectat. Se va suprima astfel efectuletajului al doilea (care nu mai e polarizat i deci are tranzistoarele blocate), putndu-se astfel studiaAD de intrare ca un amplificator independent.

    Etajul este alimentat cu o surs dubl de tensiune stabilizat, inclus n platforma de lucru(sursele asigur 12V, 50mA i sunt protejate la scurtcircuit).

    4. Aparate i materiale necesare

    Generator de semnal (versatester); Osciloscop catodic cu dou canale; Multimetru numeric; Montajul "Structr de A.O."; Rezistoarele R2=150, R8=30k, R13=2,2k; Cabluri diverse; scurtcircuitoare - 3 buc.

    5. Desfurarea lucrrii

    5.1 Punctele statice de funcionarea) Se realizeaz configuraia din fig.5, pentru semnal diferenial la intrare. Se conecteaz

    montajul la reeaua de alimentare.Se msoar VCC, VEE i tensiunile n colectoarele, emitoarele i bazele tranzistoarelor T1, T2

    i se determin punctele statice ale etajului. Rezultatele se trec n tabelul 2.

    Tabelul 2

    VCC=V VEE=Vtranz. VC [V] VB [V] VE [V] IC [mA] IB gm [mA/V] hFE C [pF] CCS [pF]

    T1T2

    5.2 Caracteristica de transfer a etajului pentru excitare diferenial

    b) Se aplic un semnal sinusoidal cu frecvena de civa kHz la intrarea I1 i la intrarea "X"a osciloscopului. Intrarea "Y" a osciloscopului se conecteaz succesiv la cele dou colectoare cu ifr rezistoare n emitoare (se dezleag, respectiv se leag mpreun emitoarele tranzistoarelor T1 iT2). Se va urmri amplitudinea i faza acestor tensiuni. Se regleaz nivelul semnalului la intrareastfel nct s apar limitarea incipient. Se vor desena caracteristicile obinute.

  • AMPLIFICATORUL DIFERENIAL analiza de semnal mic

    19

    c) Din panta caracteristicii de transfer se determin mrimea amplificrii pentru cele doucazuri, innd seama de raportul R1/R2 i de sensibilitatea pe orizontal a osciloscopului. Rezultatelese trec n linia a 3-a din tabelul 3.

    5.3 Determinarea amplificrilor

    Amplificarea de mod diferenial

    d) Se excit etajul diferenial prin I1 i se msoar tensiunea diferenial de intrare (ntrebaza tranzistorului T1 i mas) i tensiunea diferenial de ieire (ntre cele dou colectoare).Frecvena semnalului se alege de ordinul kHz, iar amplitudinea se regleaz astfel nct semnalul deieire s nu fie distorsionat (de exemplu o tensiune de ieire de circa 1V).

    e) Se repet msurtorile de la punctul d) n prezena rezistoarelor de degenerare nemitoarele tranzistoarelor.

    Amplificarea pe mod comun

    f) Se realizeaz configuraia din fig. 6 (fr R13) i se aplic la intrarea I2 un semnal cu oamplitudine de ordinul volilor care acioneaz ca o excitaie pe modul comun. Se determinamplificarea de mod comun.

    g) Se introduce rezistorul REE (R13) cu o valoare de 2,2 k. Se determin amplificarea demod comun n aceste condiii. Se desface legtura dintre emitoarele tranzistoarelor i se observefectul degenerrii n emitor asupra amplificrii modului comun.

    Amplificarea de transfer de la mod comun la mod diferenial, Adch) Se reface montajul amplificator de comun pur (fig. 6). Se determin Adc n dou situaii:

    normal i cu REE.

    Toate rezultatele se centralizeaz n tabelul 3.

    Tabelul 3

    tip Add Rid Acc Ric Adc CMRR Fcircuit teor. exp. panta teor. exp. teor. exp teor exp __ __ __

    normal __ __

    cu RE __ __ __ __ __

    cu REE __ __ __

    Fig. 5. Fig. 6.

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    20

    5.4 Determinarea impedanelor de intrare

    Impedana de intrare diferenial

    i) Pentru a determina impedana diferenial de intrare se decupleaz rezistorul R2 i sereduce amplitudinea semnalului la intrare astfel ca la ieire s nu apar distorsiuni. Se msoarindirect curentul absorbit prin determinarea cderii de tensiune pe rezistorul R1 (n c.a.). Raportndtensiunea alternativ de intrare la acest curent se obine impedana cutat, dar n paralel curezistorul R3. Se corecteaz rezultatele i se trec n tabelul 3 pentru cele 3 cazuri din tabel.

    Impedana de intrare de mod comun

    j) Se determin impedana de intrare de mod comun pentru situaia cu rezistorul REEconectat. Se utilizeaz aceeai metod ca la punctul i). Se ine seama c rezistena de corecie esteR3 n paralel cu R8 (15k). Msurtorile trebuiesc fcute cu atenie, iar rezultatele obinute suntorientative datorit faptului c impedana cutat are o valoare mult mai mare dect 15 k.

    k) Valoarea teoretic a mrimilor din tabele se va calcula cu ajutorul relaiilor din primaparte a lucrrii de laborator, considernd rx=150, RG=R2=150 (pentru AD clasic i cu degeneraren emitor), respectiv RG=R1=8,2k (pentru o rezisten a sursei de semnal mrit) i RL.

  • AMPLIFICATORUL DIFERENIAL - comportarea n frecven

    21

    Lucrarea nr. 4

    AMPLIFICATORUL DIFERENIAL - comportarea n frecven

    1. Scopul lucrrii. In lucrare se studiaz comportarea n frecven a unui amplificatordiferenial (AD) real i se determin gradul de concordan ntre parametrii determinaiexperimental i parametrii calculai teoretic utiliznd noiunea de semicircuit.

    2. Consideraii teoretice

    Rspunsul n frecven al AD se determin utiliznd metoda constantelor de timp aplicatcircuitului echivalent corespunzator modului de excitare considerat (mod diferenial sau modcomun) i domeniului de frecven analizat (joas frecven - JF sau nalt frecven - IF).

    Considernd polii de IF suficient de deprtai ntre ei, frecvena limit superioar(corespunzatoare reducerii modulului amplificrii cu 3 dB fa de valoarea sa din band), estefrecvena corespunztoare pulsaiei :

    sjo jj

    n

    joj

    n

    jo jo jR CR C= = =

    = = 1 11 1

    , ( ) (1)

    unde Rj0 este rezistena de la bornele condensatorului Cj cu toate celelalte condensatoare ntrerupte,iar j0 reprezint constanta de timp n gol asociat condensatorului Cj. Calculele se fac pesemicircuitul de mod diferenial din fig.1, a. O analiz similar se poate face i pentru frecvenalimit inferioar considernd ns condensatoarele scurtcircuitate.

    Pentru excitarea pe modul diferenial pur, calculul polului dominant se poate face simpluutiliznd circuitul echivalent unilateralizat (fig. 1, b), n care Ct este capacitatea total de intrare (saucapacitatea Miller). In aceste condiii, utiliznd metoda constantelor de timp n gol se obine :

    sx G t ldr r R C R C

    =+ +

    1( )

    (2)

    unde:

    R R R iar C C C A Rld C L t dd ld= = + +21 ( ) (3)

    Pentru excitare pe mod comun, analiza efectuat pe semicircuitul de mod comun din fig. 2 estelaborioas, dar se poate reine rolul grupului 2REE||(CEE/2), grup care introduce un zero la pulsaia:

    zEE ER C

    = 1 (4)

    a)

    b)Fig. 1. Fig. 2.

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    22

    Pentru frecvene mai mari dect cele corespunztoare zeroului, amplificarea pe modul comun cretecu 20 dB/dec i se degradeaz factorul de discriminare.

    3. Descrierea montajului

    Ca amplificator diferenial se va studia etajul de intrare al montajului "Structur de AO",prezentat n fig. 3, realizat cu tranzistoarele T1 i T2 din aria de tranzistoare de tip ROB 3018.

    Etajul este alimentat printr-o surs de curent constant realizat cu T3, surs polarizat princonectarea rezistenei R10 la mas. Rezistena de ieire a sursei de curent constant, foarte mare nmod normal, poate fi redus prin conectarea unui rezistor REE (R13) ntre colectorul lui T3 i bornade alimentare cu tensiune negativ. Se nseriaz i condensatorul C3 pentru a nu se modifica regimulde polarizare n curent continuu. Se poate analiza astfel efectul modificrii rezistenei REE asupraamplificrilor de mod comun.

    Rezistena R3 permite polarizarea bazei lui T1. Pentru polarizarea bazei tranzistorului T2 seva lega un rezistor (R8), cu valoare egal cu cea a rezistorului R2, ntre baza lui T2 i mas.Rezistoarele R6 i R7 permit realizarea AD cu degenerare n emitor prin nlturarea legturii dintreemitoarele tranzistoarelor T1 i T2.

    Condensatoarele au valoarea de 100...200F, iar R1 are 8,2k.Semnalul se va introduce la intrarea I1 sau I2. Pentru a obine un semnal de mod comun la

    intrare se conecteaz bazele tranzistoarelor T1 i T2 ntre ele, iar pentru a obine un semnal de moddiferenial la intrare, se conecteaz baza lui T2 la mas n regim alternativ cu ajutorulcondensatorului C2.

    Etajul este alimentat cu o surs dubl de tensiune stabilizat, inclus n platforma de lucru(sursele asigur 12V, 50mA i sunt protejate la scurtcircuit).

    4. Aparate i materiale necesare

    Generator de semnal (versatester); Osciloscop catodic cu dou canale; Multimetru numeric; Montajul "Structr de A.O."; Rezistoarele R2=150, R8=30k, R13=2,2k; Cabluri diverse; scurtcircuitoare - 3 buc.

    Fig. 3. Schema montajului STRUCTUR DE AO.

  • AMPLIFICATORUL DIFERENIAL - comportarea n frecven

    23

    5. Desfurarea lucrrii

    5.1. Se determin frecvena limit superioar pentru trei cazuri:

    a) - pentru AD clasic (schema din fig. 4);Pentru. AD clasic se vor determina amplificrile la frecvenele din tabelul 1.

    b) - pentru AD cu degenerare n emitor;

    c) - pentru o rezisten a sursei de semnal mrit; se scoate R2 i se aplic semnalul laintrarea I1.

    Metoda de determinare a frecvenei limit superioar este evident: se determinamplificarea n band i se mrete frecvena pn ce amplificarea scade cu 3dB (0,707 dinamplitudinea n band).

    5.2. Se va determina frecvena zeroului amplificrii de mod comun pentru AD clasic(schema din fig. 5). Pentru a trasa caracteristica Acc(f) se va completa linia a 2-a din tabelul 1.

    Pentru determinarea zeroului se va utiliza aceeai metod ca la punctul 5.1, cu diferena camplificarea crete cu 3dB fa de frecvena n band.

    5.3 Se vor reprezenta caracteristicile logaritmice de frecven Add(f), Acc(f), F(f), cuamplificrile, respectiv factorul de discriminare, exprimate n decibeli (dB). Se recomand gradareade la -80dB la +120dB cu 20dB/cm.

    Tabelul 1

    f (Hz) 500 1k 2k 5k 10k 100k 200k 500k 1M 2MAddAccF

    flim.sup. (kHz) a) b) c) fzero=...............kHz

    5.4 Se vor calcula capacitile specifice tranzistoarelor T1 i T2, C i CCS care se vorfolosi pentru a calcula frecvena limit superioar teoretic cu ajutorul relaiei (1) sau (2) i (3),considernd rx=150, RG=R2=150 (respectiv n cazul c) RG=R1=8,2k) i RL.

    Pentru a calcula valorile capacitilor C=CCB i CCS, n tabelul 2 se dau valorile acestorcapaciti, ns la tensiunea U=3V. Tensiunile reale UCB i UCS de pe aceste capaciti se determincu ajutorul msurtorilor din lucrarea nr. 3 (potenialele VC, VB, VE), innd seama de faptulsubstratul circuitului integrat este conectat la potenialul comun al emitoarelor, la borna 11. Pentruaceste tensiuni, valorile cerute de capaciti se determin utiliznd relaiile:

    Fig. 4. Fig. 5.

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    24

    C C

    U

    UU Vo

    CB

    o

    =+

    +='

    '

    ,

    ,

    3

    1

    1 (5a)

    C C

    U

    UCS CS U Vo CS

    CS

    o CS

    =+

    +='

    '

    ,

    ,

    3

    1

    1

    (5b)

    Conform [GRA97, p121] diferenele interne de potenial, pentru un tranzistor npn de 20V sunt:o, =0,66V pentru jonciunea C-B io,CS =0,58V pentru jonciunea C-S

    Tabelul 2

    C =Ccb (pF) Ccs (pF)tipic (pentru IC=0mA)

    0,6 2,8VCB=3V VCS=3V

  • ETAJE DE IEIRE N CONTRATIMP

    25

    Lucrarea nr. 5

    ETAJE DE IEIRE N CONTRATIMP

    1. Scopul lucrrii. In lucrare se studiaz etajele de ieire n contratimp clas B i ABrealizate cu tranzistoare complementare n conexiunea colector comun i etajul prefinal (pilot) cusarcin activ i rezistiv, cu sau fr conexiune bootstrap.

    2. Consideraii teoretice

    Etajele de ieire ale circuitelor integrate analogice (CIA) difer relativ puin de cele realizatecu componente discrete i anume prin restriciile impuse de tehnologia monolitic.

    Aceste etaje trebuie s ndeplineasc urmtoarele cerine: s transfere sarcinii puterea specificat, cu un nivel acceptabil al distorsiunilor; s reduc la minimum impedana de ieire astfel nct ctigul n tensine s nu fie afectat de

    valoarea acestei impedane; s aib consum mic de putere n absena semnalului util; lrgimea proprie de band s nu afecteze rspunsul n

    frecven al ntregului circuit; s permit cuplarea comod a sarcinii; s realizeze o bun separare a sarcinii de circuitulintegrat.

    Cele mai reprezentative tipuri de etaje de ieire saufinale ale CIA funcioneaz n clas: A, B sau AB.

    Deoarece etajele de ieire clas A prezintdezavantajele: randament mic (maxim 25%); putere disipat mare n repaus (n absena semnalului),cele mai multe CIA prezint etaje de ieire n contratimp clas B sau AB.

    Etajele finale n contratimp clas B (fig.1) elimin ambele dezavantaje amintite mai sus,avnd randamente mai mari (teoretic 78,5%) i putere disipat n repaus practic zero datoritcurentului, aproape nul, absorbit n aceast situaie.

    Funcionarea etajului (fig. 1): tranzistorul T1 (npn) conduce pentru alternana pozitiv atensiunii de intrare curentul io

    + , iar tranzistorul T2 (pnp) conduce pentru alternana negativ atensiunii de intrare curentul io

    , egal n modul cu io+ dar de sens

    opus. Cei doi cureni determin cderi de tensiune de sensuriopuse pe rezistena de sarcin, reconstituindu-se astfel unsemnal de ieire, uo, de aceeai form cu cel de intrare, ui.

    Dac UBBUBE (UBE0,6V) atunci amplificatorullucreaz n clas B, caracteristica de transfer prezentnd o zonmoart de mrime 2UBE, centrat pe ui=0 (fig. 2).

    Dac UBB>UBE, amplificatorul lucreaz n clas AB,avnd caracteristica de transfer trasat cu linie punctat pe fig.2. La acest tip de amplificator se elimin distorsiunile detrecere (racordare) datorate zonei moarte.

    In etajele de amplificare reale, la puterea absorbit de lasursele de alimentare mai contribuie: curentul de prepolarizare n clas AB care trece prin cele dou tranzistoare finale i

    Fig. 1.

    Fig. 2.

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    26

    curentul absorbit de etajul prefinal. n acest fel randamentul real este 5060%.Excursia maxim a tensiunii de ieire pentru amplificatorul din fig. 1 fiind Uomax=EC-UCEsat

    se impune ca tensiunea de excitaie a tranzistoarelor finale s fie:

    U E U U EiF C CE sat BE C= + , (1)

    deoarece |UCE,sat|

  • ETAJE DE IEIRE N CONTRATIMP

    27

    3 Descrierea montajului

    Schema electric a montajului este prezentat n fig. 5.Etajul final este realizat cu tranzistoarele T6 i T7, care au n colectoare rezistoarele R14 i

    R17 pentru vizualizarea formei curenilor de colector iar n emitoare, rezistoarele R15 i R16 pentrusesizarea curentului de ieire n vederea iniializrii funcionrii circuitului de limitare a acestuicurent. Tranzistoarele T8 i T9 sunt utilizate pentru protecia la supracurent a tranzistoarelor finale.Polarizarea bazelor tranzistoarelor finale se face cu ajutorul tranzistorului T5 n configuraie dediod multiplicat.

    Oglinda de curent realizat cu tranzistoarele T3 i T4 ndeplinete rolul tranzistorului pilot(Tp), iar oglinda de curent realizat cu tranzistoarele T1 i T2 are rolul unei sarcini active (Ta din fig.4, b).

    Circuitul de autozero (delimitat cu linie punctat pe fig. 5) i prezentat n detaliu n fig. 6,este o bucl de reacie de la ieirea amplificatorului (borna 14) spre baza tranzistorului T4 (borna 21)i are rolul s menin tensiunea static de ieire n jurul valorii de zero voli.

    Valorile componentelor sunt: R1=5,6k, R2=2,2k, R3=6,8k, R4=R5=56, R6=10k, R7=4,7k, R8=6,8k, R9=R10=56,

    R11=1k, R12=3,3k, R14= R17=12, R15=R16=4,7, R18=100, R19=11; P1=4,7k; C1=1,5F, C2=1,5F, C3=100nF, C4=330pF, C5= C7=680F, C6=150F; D1=D2=1N4004; T1=T2=T9=BC178; T3=T4=T5=T8=BC108; T6=BD139, T7=BD140.

    4. Aparate necesare

    Surs dubl de tensiune stabilizat (+15V,-15V); Multimetru electronic; Generator de semnal sinusoidal; Osciloscop cu dou canale; Macheta de laborator "ETAJE DE IEIRE".

    5 Modul de lucru

    5.1 Circuitul C1: Amplificator avnd etajul pilot cu sarcin rezistivSe conecteaz bornele 7-8 i 1-5.

    a) Tensiunea continu de la ieire:

    se msoar i se noteaz n tabelul 1 valoarea tensiunii statice (n c.c.) de la ieirea circuitului,UO(c.c.);

    Fig. 5. Fig. 6.

    circuit deautozero

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    28

    b) Tensiunea de polarizare a bazelor tranzistoarelor finale:

    se aplic la intrare un semnal sinusoidal cu frecvena de 10 kHz i cu amplitudinea deaproximativ 1V;

    se conecteaz ntre bazele tranzistoarelor finale (bornele 8-9) voltmetrul electronic, aflat pedomeniul de c.c. i se manevreaz poteniometrul P1 (se rotete uor spre dreapta i apoi sprestnga), urmrindu-se efectul tensiunii de polarizare a tranzistoarelor finale asupra formeisemnalului de ieire;

    se regleaz P1 la valoarea la care dispar distorsiunile de racordare, msurndu-se i notndu-se ntabelul 1 valoarea corespunztoare a tensiunii dintre bazele tranzistoarelor finale, UB6B7.

    c) Amplificrile:

    pentru un semnal de intrare sinusoidal cu frecvena de 1kHz, de amplitudine maxim pentru careieirea s nu fie limitat, se msoar valorile efective ale tensiunilor de intrare, Ui, de ieire, Uo idin baza tranzistorului T4 (borna 21), U21 i se completeaz tabelul 1. Amplificrile secalculeaz cu relaiile:

    A UU

    A UU

    o

    i

    o1 2

    21

    = =; (3)

    5.2 Circuitul C2: Amplificator avnd etajul pilot cu sarcin rezistiv i cu conexiunebootstrap

    Se conecteaz bornele 1-5, 7-8 i 11-14.

    d) Conexiunea bootstrap:

    se determin cu osciloscopul, conectat n c.c., potenialul bornei 10 mai nti pentru semnal nul laintrare;

    se aplic la intrare un semnal sinusoidal cu frecvena de 1kHz i se crete amplitudinea lui,observndu-se c de la o anumit valoare a amplitudinii semnalului de intrare, potenialul bornei10 devine mai mare dect cel al sursei de alimentare;

    se va desena forma de und corespunztoare potenialului bornei 10 pentru Uimax (semnalul deieire pe canalul A al osciloscopului iar trasa canalului B se poziioneaz n punctul de ordonatcorespunztor tensiunii de alimentare a montajului).

    e) Amplificrile:

    pentru un semnal de intrare sinusoidal cu frecvena de 1kHz, de amplitudine maxim pentru careieirea s nu fie limitat, se msoar valorile efective ale tensiunilor de intrare, Ui, de ieire, Uo idin baza tranzistorului T4 (borna 21), U21 i se completeaz tabelul 1;

    amplificrile se calculeaz cu relaiile (3).f) Rezistena de ieire:

    se reduce amplitudinea semnalului de la generator, se unesc bornele 14 i 15, obinndu-se astfelo rezisten de sarcin RL1=10 i se crete progresiv tensiunea de la generator;

    se observ limitarea tensiunii de ieire datorit intrrii n aciune a tranzistoarelor de protecie lasupracurent (T8 i T9);

    fr s se modifice circuitul, se reduce valoarea tensiunii de intrare sub cea corespunztoareintrrii n aciune a proteciei la supracurent i se citete valoarea tensiunii de ieire (Uo1);

    fr s se modifice amplitudinea semnalului de la intrare, se deconecteaz bornele 14-15, situaien care rezistena de sarcin devine RL2=100 i se citete noua valoare a tensiunii de ieire(Uo2);

    cu ajutorul celor dou determinri se calculeaz valoarea rezistenei de ieire (Ro) din etajul final:

  • ETAJE DE IEIRE N CONTRATIMP

    29

    R R RU R U R

    U Uo L Lo L o L

    o o= 1 2

    1 2 2 12 1( ) (4)

    Tabelul 1

    Tipulcircuitului

    UO(cc)[V]

    UB6B7[V]

    Ui[V]

    Uo[V]

    A1 A2 Uo1[V]

    Uo2[V]

    Ro[]

    C1 __ __ __

    C2 __ __

    C3 __ __ __ __ __

    C4 __ __ __ __ __

    g) Banda de frecven:

    se aplic la intrare un semnal sinusoidal cu frecvena variabil i nivel corespunztor unui semnalde ieire nedistorsionat;

    amplitudinea semnalului de intrare se menine constant i se msoar tensiunea de la ieireaamplificatorului, completndu-se tabelul 2.

    se reprezint grafic caracteristica amplitudine-frecven a amplificatorului, Uo(f), utilizndu-sepentru frecven o scar logaritmic i se determin valoarea maxim a tensiunii de ieire, Uo,max;

    pe graficul amplitudine-frecven, se traseaz o orizontal de ordonat 0,707 Uo,max i se noteazcu fi i fs valorile de frecven pentru care au loc interseciile cu caracteristica de frecven;

    mrimea banzii de frecven se determin cu relaia:B f fs i= (5)

    unde fi reprezint frecvena limit inferioar iar fs - frecvena limit superioar.

    Tabelul 2

    f[Hz]

    20 50 100 200 500 1k 2k 5k 10k 20k 50k 100k 200k

    Uo[V]

    5.3 Circuitul C3: Amplificator avnd etajul pilot cu sarcin activSe conecteaz bornele 1-5 i 6-8;

    h) Amplificrile:

    pentru un semnal de intrare sinusoidal cu frecvena de 1kHz, de amplitudine maxim pentru careieirea s nu fie limitat, se msoar valorile efective ale tensiunilor de intrare, Ui, de ieire, Uo idin baza tranzistorului T4 (borna 21), U21 i se completeaz tabelul 1;

    amplificrile se calculeaz cu relaiile (3).5.4 Circuitul C4: Amplificator avnd etajul pilot cu sarcin activ i comand dublSe conecteaz bornele 1-4, 1-5 i 6-8.

    i) Efectul comenzii duble: se aplic la intrare un semnal sinusoidal cu frecvena de 1kHz i amplitudinea corespunztoare

    unei funcionri fr limitri; se vizualizeaz sau se msoar semnalul de ieire i, fr s se deconecteze osciloscopul sau

    voltmetrul, se desface legtura dintre bornele 1 i 4. Se consemneaz efectul observat.

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    30

    j) Amplificrile: pentru un semnal de intrare sinusoidal cu frecvena de 1kHz, de amplitudine maxim pentru care

    ieirea s nu fie limitat, se msoar valorile efective ale tensiunilor de intrare, Ui, de ieire, Uo idin baza tranzistorului T4 (borna 21), U21 i se completeaz tabelul 1;

    amplificrile se calculeaz cu relaiile (3).

  • CIRCUITUL INVERSOR realizat cu amplificator operaional

    31

    Lucrarea nr. 6

    CIRCUITUL INVERSOR REALIZAT CU AMPLIFICATOROPERAIONAL

    1. Scopul lucrrii. Se studiaz circuitul inversor i repetorul inversor, determinndu-se: tensiunea de offset la ieire; amplificarea n tensiune; rezistena de intrare; rezistena de ieire; banda de frecven.

    2. Consideraii teoretice

    schema de principiu: amplificatorul inversor - fig. 1, a iar repetorul inversor - fig. 1, b. alimentarea AO i a circuitului: surs dubl, valorile uzuale fiind de +15V i -15V (fig. 1, c).

    rolul rezistenei RC: de compensare a efectului curenilor (c.c.) de polarizare a intrrilor AO. valoarea rezistenei RC: R R RC r i= tensiunile de saturaie:

    + + +U E V U E Vsat C sat C2 2; . modelul de circuit: fig. 2, unde

    rd - rezistena de intrare diferenial a AO; ro - rezistena de ieire a AO; aud - surs echivalent de tensiune comandat n

    tensiune. conceptul de AO ideal i consecinele acestui concept se prezint n tabelul 1:Tabelul 1

    Conceptulde AO ideal

    Consecinele conceptului de AO ideal

    rd Curenii de intrare de semnal variabil sunt egali cu zeroro = 0 Tensiunea de ieire nu se modific la conectarea sarcinii fa de situaia fr

    sarcina Tensiunea diferenial de intrare este egal cu zero

    Fig. 2. Modelul AO.

    a) b) c)Fig. 1. Circuitul inversor. (a) schema amplificatorului inversor.

    (b) schema repetorului inversor. (c) alimentarea circuitului.

    Terminalul corespunztoralimentrii pozitive a AO

    Acest punct devinereferina de potenial(masa montajului)

    Terminalul corespunztoralimentrii negative a AO

  • Circuite integrate analogice -ndrumar de laborator

    32

    tensiunea de decalaj (offset) de la ieire este o eroare de c.c. i se determin:

    analitic: dac R R RC r i= URR

    U R Iod ri

    IO C IO= + +( )( )1

    practic, pentru configuraia aflat n studiu, se leag intrarea (intrrile) la mas i semsoar cu un voltmetru electronic, conectat pe tensiune continu, valoarea tensiunii deieire.

    Amplificarea n tensiune este: pentru AO ideal:

    A RRid

    i r

    i

    = (1)

    pentru AO real, considernd doar efectul valorii finite a amplificrii n bucl deschis:

    A A

    ab

    rei id

    i

    =+1 1

    (2)

    unde b reprezint factorul de reacie:

    b RR R

    i

    i r

    =+

    (3)

    Rezistena de intrare:

    R R Rain i

    r= ++1

    (4)

    Rezistena de ieire:

    R rabies

    o=+1

    (5)

    Banda de frecven: pentru nivel mic al semnalului de ieire:

    f PABKB n

    = (6)

    unde PAB reprezint produsul amplificare-band iar Kn - coeficientul de imperfeciuni: KRRn

    r

    i

    = +1

    pentru nivel mare al semnalului de ieire:

    vv,oo

    SR U SR

    U2

    SRf

    =

    = (7)

    unde SR reprezint viteza maxim de variaie a semnalului de ieire n V/s, iar Uo,v-v [V] -valoarea vrf-la-vrf a tensiunii de ieire.

    3. Aparate necesare

    Surs dubl de tensiune, 15V; Generator de semnal sinusoidal; Osciloscop cu dou canale; Multimetru electronic; Modulul de laborator; Scurtcircuitoare.

    4. Desfurarea lucrrii

    Se realizeaz circuitul inversor din fig. 3.Determinrile se fac pentru dou valori aleamplificrii n bucl nchis: A1=-10 i A2=-100.Se deseneaz cele dou circuite corespunztoare

    Fig. 3. Montajul practic al circuitului inversor(RC se poate considera = 0).

  • CIRCUITUL INVERSOR realizat cu amplificator operaional

    33

    celor dou amplificri, notndu-se valorile de rezistene utilizate.

    4.1 Compensarea tensiunii de offset (de decalaj)

    Fr s fie conectate poteniometrele P1 i P2, pentru circuitele corespunztoare la cele douamplificri n bucl nchis, cu uin=0 (Ri legat la mas), se msoara tensiunea de decalaj la ieireUOD n dou situaii: RC=0 i RC=Ri||Rr. Valorile msurate se trec n tabelul 2.

    Metoda I de compensare const n utilizarea bornelor de echilibrare (nul) ale AO. CircuitulA741 este prevzut cu dou borne de echilibrare (pinii 3 i 9 la capsula DIL 14) ntre care,conform datelor de catalog, se conecteaz un poteniometru de 10k, cursorul acestuia legndu-se la -EC. Pentru RC=0, cele dou amplificri i uin=0, se conecteaz cursorul poteniometrului P1 la -ECi se ncearc aducerea tensiunii de ieire la zero.

    Se va nota pentru care din cele dou amplificri n bucl nchis anularea tensiunii de decalajde la ieire se face mai uor.

    Metoda a-II-a de compensare se realizeaz aplicnd la intrarea inversoare a AO a unei tensiunicomparabile ca mrime cu tensiunea de offset. Metoda se aplic la AO fr borne de echilibrare atensiunii de decalaj. Se deconecteaz cursorul poteniometrului P1 de la -EC, se conecteaz o rezisten de valoare

    mare (1M) ntre cursorul poteniometrului P2 i intrarea inversoare; se realizeaz uin=0, i se ncearc aducerea tensiunii de ieire la zero.

    Tabelul 2

    Amplificarea UOD [V]RC=0 RC=Ri||Rr

    +EC[V]

    -EC[V]

    +Usat[V]

    -Usat[V]

    A1=-10A2=-100

    4.2 Determinarea tensiunilor de alimentare i de saturaie

    tensiunile de alimentare: se msoar tensiunile de alimentare n bornele notate +EC i EC iar valorile se trec n tabelul

    2. tensiunile de saturaie:

    se desface legtura de pe bucla de reacie a AO; se leag intrarea neiversoare la mas; la intrarea inversoare se aplic, printr-o rezisten, tensiunea continu U2 (de pe modul); se msoar tensiunea de ieire iar rezultatul se trece n tabelul 2; se leag apoi intrarea inversoare la mas printr-o rezisten; la intrarea neinversoare se aplic, printr-o rezisten, tensiunea continu U2 (de pe modul); se msoar tensiunea de ieire iar rezultatul se trece n tabelul 2;

    4.3 Determinarea amplificrii n tensiune

    Pentru circuitul corespunztor amplificrii A1=-10 i RC=0, se determin amplificarea nmodul i faz: se aleg rezistoarele necesare amplificrii A1 i se msoar valoarea lor real; se aplic la intrare mai nti un semnal sinusoidal cu frecvena de 100 Hz i apoi un altul cu

    frecvena de 50 kHz i amplitudine adecvat pentru evitarea limitrii semnalului de ieire; se vizualizeaz cu ajutorul osciloscopului formele de und pentru uin(t) i uo(t), notndu-se

    defazajul dintre ele; se deseneaz, una sub alta, formele de und vizualizate (ATENIE la axele de coordonate !);

  • Circuite integrate analogice -ndrumar de laborator

    34

    cu valorile msurate ale rezistenelor Ri i Rr, AO presupunndu-se ideal, se determinamplificarea n bucl nchis a circuitului inversor, Aid

    i - relaia (1): se msoar valorile efective ale tensiunilor de intrare i de ieire, Uin respectiv Uo i se determin

    valoarea real a amplificrii n bucl nchis, ireA :

    in

    oire U

    UA = (8)

    se compar amplificrile n modul date de relaiile (1) i (8) i se determin eroarea relativ aamplificrii datorat amplificrii finite n bucl deschis:

    [%] 100A

    AAiid

    iid

    ire

    A

    = (9)

    msurtorile i rezultatele calculelor se trec n tabelul 3.Tabelul 3

    Frecvenade lucru

    Ri[k]

    Rr[k]

    Aidi

    (rel.1)Uo[V]

    Uin[V]

    ireA

    (rel. 8)A [%](rel. 9)

    100 Hz50 kHz

    4.4 Determinarea rezistenei de intrare a amplificatorului inversor, RinRezistena de intrare a configuraiei inversoare, Rin, se determin pentru circuitul

    corespunztor amplificrii A=-10. se aplic la intrare un semnal sinusoidal cu frecvena de 100 Hz de la ieirea de 600 a

    generatorului. Semnalul de intrare va avea amplitudinea adecvat obinerii unui semnal de ieirefr limitri ( mV50Uin ).

    se msoar valoarea efectiv a tensiunii de la ieirea generatorului, neconectat la circuit, Uin,gol; dup cuplarea generatorului la montaj, se msoar valoarea efectiv a tensiunii de la borna de

    intrare a circuitului, Uin; rezistena de intrare Rin se calculeaz cu relaia

    Gingol,in

    inin RUU

    UR

    = (10)

    unde RG este rezistena intern a generatorului de semnal (RG=600). msurtorile i rezultatele calculelor se trec n tabelul 4.

    4.5 Determinarea rezistenei de ieire RiesRezistena de ieire a configuraiei inversoare se determin pentru circuitul care are A=-10;

    se conecteaz la ieire o rezisten de sarcin RL=56; se aplic la intrare un semnal sinusoidal cu frecvena de 50kHz; se regleaz amplitudinea semnalului de intrare astfel ca cel de ieire s nu fie limitat i se

    msoar tensiunea de ieire Uo1; fr a modifica amplitudinea tensiunii de intrare, se deconecteaz RL i se msoar noua valoare

    a tensiunii de ieire Uo2; rezistena de ieire a circuitului inversor se calculeaz cu relaia:

    R U UU

    Ries o oo

    L= 2 11

    (11)

    msurtorile i rezultatele calculelor se trec n tabelul 4.

  • CIRCUITUL INVERSOR realizat cu amplificator operaional

    35

    Tabelul 4

    Frecvenade lucru

    Ui,gol[mV]

    Ui[mV]

    Rin(rel.10)

    Uo1[V]

    Uo2[V]

    Ries [](rel.11)

    100 Hz50 kHz

    4.6 Determinarea benzii de frecven

    pentru A=-10, se aplic Uin=20...50 mV = const., se modific frecvena semnalului de intrare, semsoar valorile efective ale tensiunii de ieire, Uo i se completeaz tabelul 5;

    Tabelul 5

    f [kHz] 0,01 0,1 1 10 20 50 100 200 500 1000Uo [V]

    frecvena limit superioar datorat amplificrii n bucl nchis frecvena la 3dB determinat pentru valorile din tabelul 4 se compar cu valoarea dat de

    relaia (6), unde PAB=1MHz la A741;

    frecvena limit superioar datorat SR-ului pentru A1=10, se aplic Uin=0,5V i se determin, prin vizualizare pe osciloscop, valoarea

    maxim a frecvenei semnalului pentru care se mai pstreaz forma sinusoidal a semnaluluide ieire;

    rezultatul se compar cu valoarea dat de relaia (7), unde SR=0,5V/s pentru AO de tipul 741iar valoarea vrf-la-vrf a tensiunii de ieire, Uo,v-v se msoar cu ajutorul osciloscopului.

    4.7 Studiul circuitului repetor inversor

    se realizeaz repetorul inversor, conectnd n circuitul din fig. 3 Ri=Rr=1k; se deseneaz circuitul obinut i se trec valorile msurate ale rezistoarelor; se aplic la intrare un semnal sinusoidal cu frecvena de 1 kHz; se determin amplificarea de tensiune n modul i faz; se deseneaz formele de und vizualizate. se aplic la intrare un semnal cu valoarea efectiv de aproximativ 100mV i se determin

    frecvena limitat de amplificarea n bucl nchis, fB; rezultatul msurrii se compar cu cel dat de relaia (6) n care se face nlocuirea Kn=2.

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    36

    Lucrarea nr. 7

    CIRCUITUL NEINVERSOR REALIZAT CU AMPLIFICATOROPERAIONAL

    1. Scopul lucrrii. Se studiaz circuitul neinversor i repetorul neinversor,determinndu-se: tensiunea de offset la ieire; amplificarea n tensiune; rezistena de intrare (comparativ cu rezistena de intrare a circuitului inversor); rezistena de ieire; banda de frecven.

    2. Consideraii teoretice

    schema de principiu: amplificatorul neinversor - fig. 1, a iar repetorul neinversor - fig. 1, b. alimentarea AO i a circuitului: surs dubl, valorile uzuale fiind de +15V i -15V (fig. 1, c).

    rolul rezistenei RC: de compensare a efectului curenilor (c.c.) de polarizare a intrrilor AO. valoarea rezistenei RC: R R RC r i= tensiunile de saturaie:

    + + +U E V U E Vsat C sat C2 2; . modelul de circuit: fig. 2, unde

    rd - rezistena de intrare diferenial a AO; ro - rezistena de ieire a AO; aud - surs echivalent de tensiune comandat n

    tensiune. conceptul de AO ideal i consecinele acestui concept se prezint n tabelul 1:Tabelul 1

    Conceptulde AO ideal

    Consecinele conceptului de AO ideal

    rd Curenii de intrare de semnal variabil sunt egali cu zeroro = 0 Tensiunea de ieire nu se modific la conectarea sarcinii fa de situaia fr sarcina Tensiunea diferenial de intrare este egal cu zero

    Fig. 2. Modelul AO.

    Terminalul corespunztoralimentrii pozitive a AO

    Acest punct devinereferina de potenial(masa montajului)

    Terminalul corespunztoralimentrii negative a AO

    a) b) c)Fig. 1. Circuitul neinversor. (a) schema amplificatoruluine inversor.

    (b) schema repetorului neinversor. (c) alimentarea circuitului.

  • CIRCUITUL NEINVERSOR realizat cu amplificator operaional

    37

    tensiunea de decalaj (offset) de la ieire este o eroare de c.c. i se determin:

    analitic: dac R R RC r i= URR

    U R Iod ri

    IO C IO= + +( )( )1

    practic, pentru configuraia aflat n studiu, se leag intrarea (intrrile) la mas i semsoar cu un voltmetru electronic, conectat pe tensiune continu, valoarea tensiunii deieire.

    Amplificarea n tensiune este: pentru AO ideal:

    i

    rnid R

    R1A += (1)

    pentru AO real, considernd doar efectul valorii finite a amplificrii n bucl deschis:

    ab11

    AA

    nidn

    re

    += (2)

    unde b reprezint factorul de reacie:

    b RR R

    i

    i r

    =+

    (3)

    Rezistena de intrare:)ab1(rR din += (4)

    Rezistena de ieire:

    R rabies

    o=+1

    (5)

    Banda de frecven: pentru nivel mic al semnalului de ieire:

    f PABKB n

    = (6)

    unde PAB reprezint produsul amplificare-band iar Kn - coeficientul de imperfeciuni: KRRn

    r

    i

    = +1

    pentru nivel mare al semnalului de ieire:

    vv,oo

    SR U SR

    U2

    SRf

    =

    = (7)

    unde SR reprezint viteza maxim de variaie a semnalului de ieire n V/s, iar Uo,v-v [V] -valoarea vrf-la-vrf a tensiunii de ieire.

    3. Aparate necesare

    Surs dubl de tensiune, 15V; Generator de semnal sinusoidal (fmax=1MHz); Osciloscop cu dou canale; Multimetru electronic; Modulul de laborator; Scurtcircuitoare.

    4. Desfurarea lucrrii

    Se realizeaz circuitul neinversor din fig.3. Determinrile se pot face pentru dou valori aleamplificrii n bucl nchis: A1=11 i A2=101. Sedeseneaz cele dou circuite corespunztoare

    Fig. 3. Montajul practic al circuitului neinversor(RC se poate considera = 0).

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    38

    celor dou amplificri, notndu-se valorile de rezistene utilizate.

    4.1 Compensarea tensiunii de offset (de decalaj)

    Se face ca la configuraia inversoare deoarece circuitele de determinare a offset-ului suntidentice pentru cele dou configuraii de baz realizate cu AO.

    4.2 Determinarea amplificrii n tensiune

    Pentru circuitul corespunztor amplificrii A1=11 i RC=0, se determin amplificarea nmodul i faz: se aplic la intrare un semnal sinusoidal cu frecvena de 100 Hz i apoi 50kHz i amplitudine

    adecvat pentru evitarea limitrii semnalului de ieire; se vizualizeaz cu ajutorul osciloscopului formele de und pentru uin(t) i uo(t), determinndu-se

    defazajul dintre ele; se deseneaz, una sub alta, formele de und vizualizate; cu valorile msurate ale rezistenelor Ri i Rr, AO presupunndu-se ideal, se determin

    amplificarea n bucl nchis a circuitului neinversor, Aidn - relaia (1):

    se msoar valorile efective ale tensiunilor de intrare i de ieire, Uin respectiv Uo i se determinvaloarea real a amplificrii nreA :

    in

    onre U

    UA = (8)

    se compar amplificrile n modul date de relaiile (1) i (8) i se determin eroarea relativ aamplificrii:

    [%] 100A

    AAnid

    nid

    nre

    A

    = (9)

    msurtorile i rezultatele calculelor se trec n tabelul 2.Tabelul 2

    Frecvenade lucru

    Ri[k]

    Rr[k]

    Aidn

    (rel.1)Uo[V]

    Uin[V]

    nreA

    (rel. 8)A [%](rel. 9)

    100 Hz50 kHz

    4.3 Determinarea calitativ a rezistenei de intrare a amplificatorului neinversor, Rin rezistena de intrare a configuraiei neinversoare, Rin, se determin pentru circuitul corespunztor

    amplificrii A1=11, aplicnd un semnal sinusoidal cu frecvena de 100 Hz de la ieirea de 600 ageneratorului. Semnalul de intrare va avea amplitudinea adecvat obinerii unui semnal de ieirefr limitri ( mV50Uin ).

    se msoar valoarea efectiv a tensiunii de la ieirea generatorului, neconectat la circuit, Uin,gol; dup cuplarea generatorului la montaj, se msoar valoarea efectiv a tensiunii de la borna de

    intrare a circuitului, Uin; se compar Uin cu Uin,gol i se apreciaz, comparativ cu circuitul inversor, cum este rezistena de

    intrare a circuitului neinversor; msurtorile i rezultatul comparaiei se trec n tabelul 3.

    4.4 Determinarea rezistenei de ieire Ries rezistena de ieire a configuraiei neinversoare se determin pentru circuitul care are A2=101; se aplic la intrare un semnal sinusoidal cu frecvena de 50 kHz; se conecteaz la ieire o rezisten de sarcin RL=56;

  • CIRCUITUL NEINVERSOR realizat cu amplificator operaional

    39

    se regleaz amplitudinea semnalului de intrare astfel ca cel de ieire s nu fie limitat i semsoar tensiunea de ieire Uo1;

    fr a modifica amplitudinea tensiunii de intrare, se deconecteaz RL i se msoar noua valoarea tensiunii de ieire Uo2;

    rezistena de ieire a circuitului neinversor se calculeaz cu relaia

    R U UU

    Ries o oo

    L= 2 11

    (10)

    msurtorile i rezultatele calculelor se trec n tabelul 3.Tabelul 3

    Frecvenade lucru

    Ui,gol[mV]

    Ui[mV]

    ComparaiaR Rin

    nini ?

    Uo1[V]

    Uo2[V]

    Ries [](rel.10)

    100 Hz50 kHz

    4.5 Determinarea benzii de frecven a amplificatorului neinversor

    pentru A=11, se aplic Uin=20...50 mV=const., se modific frecvena semnalului de intrare, semsoar valorile efective ale tensiunii de ieire, Uo i se completeaz tabelul 4;

    Tabelul 4

    f [kHz] 0,01 0,1 1 10 20 50 100 200 500 1000Uo [V]

    frecvena limit superioar datorat amplificrii n bucl nchis frecvena la 3dB determinat pentru valorile din tabelul 4 se compar cu valoarea dat de

    relaia (6), unde PAB=1MHz la A741;

    frecvena limit superioar datorat SR-ului pentru A1=11, se aplic Uin=0,5V i se determin, prin vizualizare pe osciloscop, valoarea

    maxim a frecvenei semnalului pentru care se mai pstreaz forma sinusoidal a semnaluluide ieire;

    rezultatul se compar cu valoarea dat de relaia (7), unde SR=0,5V/s pentru AO de tipul 741iar valoarea vrf-la-vrf a tensiunii de ieire, Uo,v-v se msoar cu ajutorul osciloscopului.

    4.6 Studiul circuitului repetor neinversor

    se realizeaz repetorul neinversor, deconectnd Ri n circuitul din fig. 3 i punnd RC=Rr=10k; se deseneaz circuitul obinut i se trec valorile msurate ale rezistoarelor; se aplic la intrare un semnal sinusoidal cu frecvena de 1 kHz; se determin amplificarea de tensiune n modul i faz; se deseneaz formele de und vizualizate; se aplic la intrare un semnal cu valoarea efectiv de aproximativ 100mV i se determin

    frecvena limitat de amplificarea n bucl nchis, fB; se compar rezultatul msurrii cu cel dat de relaia (6) n care se face nlocuirea Kn=1

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    40

    Lucrarea nr. 8

    CIRCUITE LINIARE REALIZATE CU AMPLIFICATOAREOPERAIONALE

    1. Scopul lucrrii. In lucrare se studiaz structura i funcionarea urmtoarelor circuiteliniare realizate cu AO: sumatorul inversor, amplificatorul diferenial (amplificatorul dediferen de tensiune), derivatorul, integratorul i sursele de curent controlate n tensiune.

    2. Consideraii teoretice

    Circuitele liniare sunt acele circuite la care semnalul de ieire este proporional cu cel deintrare, eventual cu o ntrziere n timp.

    O categorie important de circuite liniare, construite cu AO, sunt cele care realizeaz oanumit combinaie liniar ntre tensiunile u1, u2,...un, astfel ca tensiunea de ieire s fie de forma:

    u A u A u A uo n n= + + +1 1 2 2 ... (1)

    unde constantele Ak pot fi pozitive sau negative.

    2.1 Sumatorul inversor, avnd schema dinfig.1, este circuitul liniar la care toate constantele Aksunt negative. Dac presupunem AO ideal,funcionarea sa liniar i stabil, atunci intrareainversoare este punct virtual de mas i pe fiecarerezisten Rk avem o cdere de tensiune egal cu ceade la intrarea respectiv, uk iar curenii de intrare auexpresiile:

    i uR

    i uR

    i uRn

    n

    n1

    1

    12

    2

    2

    = = =, ,..., (2)

    Teorema I a lui Kirchhoff, aplicat n nodul corespunztor intrrii inversoare, conduce la relaia:

    i i i i uR

    uR

    uRr n

    n

    n

    = + + + = + + +1 2 11

    2

    2

    ... ... (3)

    Tensiunea de ieire se scrie:

    u R i RR

    u RR

    u RR

    uo r r r r rn

    n= = 1

    12

    2 ... (4)

    i reprezint o combinaie liniar ntre tensiunile aplicate la intrare, toi coeficienii Ak fiindnegativi.

    2.2 Amplificatorul diferenial realizat cu AO reprezint circuitul liniar la care uncoeficient de amplificare este pozitiv iar cellalt negativ irealizeaz o combinaie ntre dou tensiuni u1 i u2, astfel casemnalul de ieire s fie de forma:

    1122o uAuAu = (5)Circuitul se analizeaz mai uor dac se aplic

    principiul suprapunerii efectelor (principiul superpoziiei).Astfel, cnd se consider numai efectul tensiunii u2, intrarea1 se leag la mas i circuitul devine o configuraieneinversoare. Componenta uo2 a tensiunii de ieire este:

    Fig. 1. Sumatorul inversor.

    Fig. 2. Amplificatorul diferenial.

  • CIRCUITE LINIARE realizate cu AO

    41

    21

    21

    43

    42o uR

    RRRR

    Ru +

    += (6)

    Cnd se consider numai efectul tensiunii u1, intrarea 2 se leag la mas i circuitul devine oconfiguraie inversoare, componenta uo1 a tensiunii de ieire fiind:

    11

    21o uR

    Ru = (7)

    Aplicnd superpoziia rezult:

    11

    22

    43

    4

    1

    22o1oo uR

    Ru)

    RRR

    )(RR

    1(uuu +

    +=+= (8)

    Amplificatorul diferenial care are cei doi coeficieni de amplificare egali se numete amplificatordiferenial echilibrat i reprezint cazul cel mai important de amplificator diferenial. Tensiunea deieire a amplificatorului diferenial echilibrat este de forma:

    )uu(Ku 12o = (9)Constanta K se determin prin egalarea celor doi factori din relaia (8) cu care se nmulesctensiunile de intrare. Rezult urmtoarea relaie ntre rezistenele unui amplificator diferenialechilibrat:

    KRR

    RR

    1

    2

    3

    4 == (10)

    2.3 Circuitului derivator realizeaz operaia de derivare n raport cu timpul a unui semnalanalogic i are schema din fig.3. Considernd AO ideal se gsete c tensiunea de ieire esteproporional cu derivata, cu semn schimbat, a tensiunii de intrare:

    dtduRCu ino = (11)

    Rezistena R, conectat n serie cu condensatorul C, introduce un pol n funcia de transfer aamplificatorului n bucl nchis, asigurndu astfel stabilitatea circuitului.

    2.4 Integratorul este n esen un amplificator inversor, cu reacia negativ realizat prinintermediul unui condensator (fig.4). Considernd AO ideal se gsete c tensiunea de ieire esteproporional cu integrala cu semn schimbat a tensiunii de intrare:

    = dtuRC1u ino (12)

    dac la momentu de timp t=0 condensatorul se consider complet descrcat (condiii iniiale nule).Rezistorul RP, conectat n paralel cu condensatorul C, realizeaz stabilizarea punctului de

    funcionare i evitarea saturaiei AO.

    2.5 Surse de curent controlate n tensiune. Configuraiile de baz realizate cu AO, la caretensiunea de ieire depinde de tensiunea aplicat la intrare, sunt amplificatoare de tipul surs detensiune controlat n tensiune (STCU).

    Un alt tip de circuit, util n numeroase aplicaii, este sursa de curent controlat n tensiune(SCCU).

    Fig. 3. Circuitul derivator. Fig. 4. Circuitul integrator.

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    42

    Exist mai multe tipuri de circuite care realizeaz dependena dintre curentul prin rezistenade sarcin i tensiunea de intrare. Dintre acestea cele mai cunoscute sunt: SCCU de tip inversor cu sarcin flotant (fig. 5, a); SCCU de tip neinversor cu sarcin flotant (fig. 5, b); SCCU cu sarcina la mas (fig. 5, c).

    Observaii:1. termenul de inversor sau neinversor este n coresponden cu configuraia de baz cu care se

    aseamn, deoarece noiunea de curent inversor sau neinversor printr-o sarcin flotant esteambigu.

    2. sarcina se numete flotant deoarece se conecteaz ntre dou borne ale AO. Acest faptlimiteaz aria de aplicaie a acestui circuit la cazurile n care este posibil ca sarcina s nu aibun capt conectat la masa montajului.

    Presupunnd AO ideal, funcionarea sa liniar i stabil, pentru toate cele trei tipuri deSCCU din fig. 5 se obine urmtoarea relaie ntre curentul prin sarcin i tensiunea aplicat laintrare:

    Rui inL = (13)

    Toate cele trei tipuri de surse funcioneaz liniar pentru ambele polariti ale tensiunii de intrare.O deosebire ntre sursele prezentate const n domeniul de variaie a rezistenei de sarcin

    pentru care funcionarea este liniar, atunci cnd prin sarcin trece aceeai valoare de curent.Condiia de funcionare liniar presupune ca AO s nu fie saturat, ceea ce conduce la urmtoarelerelaii: pentru SCCU inversor cu sarcin flotant

    R i UL L sat (14a) pentru SCCU neinversor cu sarcin flotant

    ( )R R iL L sat+ U (14b) pentru SCCU cu sarcina la mas

    R i UL L sat 2 (14c)

    Observaii:1. SCCU de tip inversor, n comparaie cu celelalte dou tipuri de surse, are cel mai mare domeniu

    de variaie a rezistenei de sarcin.2. SCCU neinversor are rezistena de intrare teoretic infinit, practic foarte mare, n timp ce la

    SCCU inversoare rezistena de intrare este mai mic i egal cu R.3. SCCU cu sarcina la mas prezint suplimentar dezavantajul c, pentru ca circuitul s lucreze

    corect, cele patru rezistoare, notate cu R, trebuie s aib valori ct mai apropiate (s fie foartebine mperecheate).

    a) b) c)Fig. 5. Surse de curent controlate n tensiune.

  • CIRCUITE LINIARE realizate cu AO

    43

    3. Aparate necesare

    Surs dubl de tensiune stabilizat 15V; Surs simpl de tensiune stabilizat 07,5V sau 030V; Generator de semnale sinusoidale i dreptunghiulare; Osciloscop cu dou canale; Multimetru electronic; Miliampermetru analogic; Modulul de laborator;

    4. Desfurarea lucrrii

    4.1 Studiul circuitului sumator

    se realizeaz un circuitul sumator de forma celui din fig.1, utiliznd doar 2 intrri; se aplic la intrri tensiunile continue U1 i U2, disponibile pe modulul de laborator i obinute cu

    ajutorul a dou divizoare rezistive din tensiunea de alimentare pozitiv; se aleg valorile de rezistene cu ajutorul crora s se obin la ieire o combinaie de forma:

    )U2U(U 21O += (15) se msoar valorile exacte ale rezistoarelor utilizate i se trec n tabelul 1; dup ce s-au fcut conexiunile, se msoar tensiunile U1 i U2, precum i tensiunea de ieire UO.

    Rezultatul msurtorilor se trece n tabelul 1; se calculeaz UO cu relaia (15) i se trece n tabelul 1; se compar valoarea msurat a lui UO cu cea calculat; se repet determinrile pentru semnale de intrare sinusoidale, cu frecvena de 1 kHz i

    amplitudine de aproximativ 1V (se poate aplica acelai semnal la ambele intrri); se deseneaz, una sub alta, formele de und ale semnalelor de intrare i de ieire, considernd

    originea axelor n momentul trecerii prin zero spre valori pozitive a semnalelor de intrare.

    Tabelul 1

    Tipul R1 [k] R2 [k] Rr [k] U1 [V] U2 [V] UO [V]semnalului ms. ms. ms. ms. ms. ms. calc.

    c.c.c.a.

    4.2 Studiul amplificatorului diferenial realizat cu AO

    se realizeaz circuitul din fig. 2, alegnd R1=R3=10k i R2=R4=1k; se leag intrrile la mas i se msoar tensiunea de offset la ieire; cu multimetrul electronic, conectat pe tensiune continu, se msoar valorile celor dou tensiuni

    de intrare, U1 i U2 i cea a tensiunii de ieire, UO; cu valorile msurate ale tensiunilor U1 i U2, se calculeaz UO cu ajutorul relaiei (9) i se

    compar cu valoarea msurat; msurtorile i rezultatele calculelor se trec n tabelul 2.Tabelul 2

    R1 R2 R3 R4 K UO,offset U1 [V] U2 [V] UO [V][k] [k] [k] [k] - [mV] ms. ms. ms. calc.

    4.3 Studiul circuitului derivator

    se realizeaz circuitul derivator din fig.3, utiliznd R=10k i C=33nF. In serie cu condensatorulC se conecteaz o rezisten R'=1k;

  • Circuite integrate analogice - ndrumar de laborator

    44

    se aplic la intrare un semnal dreptunghiular cu frecvena de 1kHz i amplitudinea de 1V; se vizualizeaz tensiunile de intrare i de ieire i se deseneaz una sub alta cele dou forme de

    und; se nlocuiete rezistorul R cu un scurtcircuit sau un rezistor de valoare mic (56...100). In caz

    c se observ instabilitatea circuitului, se deseneaz forma de und obinut.

    4.4 Studiul circuitului integrator

    se realizeaz circuitul integrator din fig. 4, utiliznd: R=10k, C=33nF i RP=10k; se aplic la intrare un semnal dreptunghiular cu amplitudinea de 1V i frecvena de 1 kHz; se vizualizeaz i se deseneaz, una sub alta, formele de und vizualizate ale tensiunilor de

    intrare i de ieire, comparndu-se constanta de timp a circuitului =RpC cu perioada semnaluluide intrare T;

    apoi se aplic la intrare un semnal dreptunghiular cu amplitudinea de 1V i frecvena de 100 Hz; se vizualizeaz i se deseneaz, una sub alta, formele de und vizualizate ale tensiunilor de

    intrare i de ieire, comparndu-se constanta de timp a circuitului =RpC cu perioada semnaluluide intrare T;

    ce se ntmpl dac se deconecteaz RP?4.5 Studiul surselor de curent comandate n tensiune (SCCU)

    4.5.1 SCCU de tip inversor cu sarcin flotant

    a) Studiul funcionrii liniare a AO din SCCU se realizeaz montajul din fig. 5, a; se conecteaz R=1k i pentru rezistena de sarcin RL, pe rnd, valorile de 1k, 10k i100k;

    se aplic la intrare UI=1V c.c. de la sursa simpl de tensiune; se msoar UI, UO i cderea de tensiune UL de pe rezistena de sarcin RL; se completeaz tabelul 3; cum explicai rezultatele obinute?Tabelul 3

    R [k] RL [k] UI [V] UO [V] UL [V]1 11 101 100

    b) Curentul de sarcin IL se c