LUCRRI DE LABORATOR LA DISCIPLINA C.E.L.

- 2007 LUCRAREA NR. 1 AMPLIFICATOARE DE SEMNAL MIC CU TRANZISTOR BIPOLAR 1. Scopul lucrrii - studierea funcionrii unui amplificator de semnal mic cu cuplaj RC n conexiune EC fr reacie; - evidenierea neinfluenrii rspunsului amplificatorului la frecvene medii i nalte din cauza elementelor de cuplaj i a grupului RC de decuplare din colector; - determinarea frecvenei limit inferioar n funcie de elementele de cuplaj sau numai de condensatorul de cuplaj sau, n egal msur, de ambele variante. 2. Consideraii teoretice Amplificatorul poate fi asemnat cu un cuadripol liniar la ieirea cruia se obine un semnal proporional cu semnalul aplicat la intrare i de putere mai mare. Ctigul suplimentar de putere se obine de la sursa de c.c. utilizat pentru polarizarea elementelor active. Simbolizarea amplificatorului cu o singur intrare i caracteristica general de frecven sunt prezentate n figura de mai jos:

Fig. 1

Determinarea frecventelor limit de sus (fs) i de jos (fj) ale amplificatorului se poate face din caracteristica |Av|=f (frecven), prin trasarea unei drepte la nivelul ordonatei 0,707|Avo|. Intervalul de frecven cuprins ntre fj i fs se numete banda de frecven a amplificatorului (B): B=fs-fj (1) n fig. 2 este dat schema electric a unui amplificator de semnal mic cu un tranzistor n conexiune EC.

Fig. 2 2

Baza tranzistorului este alimentat de la Ec prin divizorul (RB1, RB2). Condensatorul de cuplaj CB evit nchiderea componentei continue prin etajul anterior sau prin generatorul de semnal Vg. Dac condensatorul Ce lipsete, rezistena Re introduce o puternic reacie n c.a., care scade amplificarea. Condensatorul Cc evit trecerea componentei de c.c. din colector prin rezistena de sarcina RL. n c.a. sarcina este: RS=RC || RL (2) La amplificatoarele de semnal mic ne intereseaz estimarea parametrilor de baz i a urmtoarelor caracteristici: - amplificarea n tensiune (Av) i/sau n curent (Ai); - rezistena de intrare (Ri); - rezistena de ieire (Ro); - caracteristica de transfer (V0=f(Vi) sau i0=f(ig)); - caracteristica de frecven (Av=f(frecv.) sau Ai=f(frecv.)); - frecvena limit de jos (fj); - frecvena limit de sus (fs); - banda de trecere la -3dB (B=fs-fj). 3. Desfurarea lucrrii 3.1. Se identific montajul din fig. 3 de amplificator de semnal mic cu tranzistorul BC n conexiune EC.

Fig. 3

n afara montajului, pentru efectuarea lucrrii se folosesc urmtoarele aparate: - Ec surs de tensiune continu stabilizat i reglabila; - multimetru numeric analogic; - generator de semnal sinusoidal cu tensiune i frecven reglabil. n aceast schem avem: R1=100k CB1=0.22 F/6V RB1=82k; RB2=20k CB2=2.2 F/6V Rc=4,7k CC1= 0.22 F/6V RE=1k CB2=2.2 F/6V RL=4.7k CE=100 F/6V3

Rg=0,6k

CER=470 F/6V

3.2. Se decupleaz rezistena din emitor cu ajutorul condensatorului CE (bornele 6 i 7 trapate), iar ntre bornele 13 i 14 se conecteaz un mA dup care se alimenteaz montajul cu Ec=12 V. Se determina PSF msurnd Ic i VCE. 3.3. La intrarea amplificatorului se conecteaz generatorul de semnal sinusoidal prin CB1, cu bornele 1 i 4 scurtcircuitate i rezistena de sarcin la ieirea amplificatorului, prin Cc1, cu bornele 10 i 12 scurtcircuitate. De la generatorul de semnal sinusoidal se aplic Vi=10mV i se msoar semnalul V0 de la bornele rezistenei de sarcin, modificnd continuu frecventa ntre 20 i l MHz. Se ridic caracteristica de frecven |Av(j)|=f() a etajului cu aceast configuraie, folosind relaia: |Av(j)|=V0/Vi (3) Se completeaz tabelul 1: F 20 50 10 50 1k 2 5 10 15 20 30 50 10 5 1 [Hz] 0 0 0 0 M 0 Vo[V] 18 25 30 70 90 110 120 150 110 100 100 75 75 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 9 Av 18 25 30 70 90 110 110 120 115 110 100 10 75 0 1 Din grafic se determin modulul amplificrii la frecvena medie AVo i frecvenele limit de sus i de jos (fs i fj). 3.4. Se decupleaz rezistena din emitor folosind condensatorul CER (bornele 6 i 8 scurtcircuitate) i se repet punctul 3.3 al lucrrii. 3.5. Se realizeaz cuplajul cu generatorul de semnal prin CB2 (bornele l si 5 scurcircuitate) i se repet punctul 3.3 al lucrrii. 3.6. Se realizeaz cuplajul cu sarcina prin condensatorul Cc2 (bornele 11 si 12 scurcircuitate) i se repet punctul 3.3 al lucrrii. 3.7. Se aplic ntre bornele 1 i 2 un semnal Vi=1 V i f=1 kHz, iar cu un voltmetru electronic se msoar tensiunea ntre punctele 2 i 3 notat cu Vj. Se determin curentul de intrare cu relaia:lg = Vi ' Vi R1

(4) Se calculeaz apoi rezistena de intrare cu relaia:Ri = Vi lg

(5)

3.8. Cu un voltmetru electronic de c.a. se msoar cderea de tensiune V0 pe rezistenta RL i se determin curentul:iL = Vo RLiL ig

(6) (7)4

Se calculeaz Ai cu relaia:Ai =

3.9. Se decupleaz rezistena RL (RL oo) i in locul ei se conecteaz nseriate

un mA i generatorul de semnal ntre bornele 11 i 3 (bornele l i 2 sunt scurtcircuitate). De la generator se aplic un semnal sinusoidal de tensiune Vo=l V i frecven f=1 kHz i se msoar curentul i0 ce trece prin mA. Se calculeaz rezistena de ieire cu relaia:R0 = V0 i0 Av Rs

Vi0, RLoo

(8) (9)

3.10. Se determin panta tranzistorului cu relaia:gm =

4. Coninutul referatului 4.1. Schema electric a circuitului utilizat n laborator. 4.2. Se vor desena circuitele echivalente, pe domenii limitate de frecven, ale amplificatorului de semnal mic. Folosind datele de catalog ale tranzistorului bipolar, s se calculeze funcia de transfer la frecvene joase i respectiv nalte, pentru toate seturile de valori ale capacitilor de cuplaj i de decuplare. Frecvenele limit i amplificarea n band (Avo), estimate prin calcul, vor fi comparate cu valorile corespunztoare obinute din caracteristica experimental: |Av(j)|=f(). 4.3. Se vor calcula rezistena de intrare i cea de ieire a amplificatorului pentru frecvene medii i se vor compara cu valorile experimentale obinute la punctele 3.7 i 3.9. 4.4. S se determine frecvenele limit, prin metoda constantelor de timp de scurtcircuit i de circuit deschis. Valorile obinute prin aceast metod vor fi comparate cu acelea determinate experimental rezultate din caracteristica |Av(j)| =f(). 4.5. Se vor determina parametrii de baz ai amplificatorului studiat: Ri, R0, gm, Av, Ai. 4.6. Concluzii asupra lucrrii. Hz 20 50 10 50 12 2 5 10 15 20 30 50 10 500 0 0 0 V0 18 250 30 70 90 110 120 115 110 110 100 100 75 [V 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 ] Av 18 25 30 70 90 140 150 115 110 100 100 100 75 9 3.4 10 250 40 55 65 700 800 100 111 100 950 150 60 0 0 0 0 0 5 0 0 0 3.5 10 300 60 90 1 1 1.54 1.54 10 10 10 10 10 0 0 3.6 45 0.5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 900 90 0 6 0

5

LUCRAREA NR. 2 STUDIUL SURSELOR DE CURENT CONSTANT 1. Scopul lucrrii Se studiaz comportarea urmtoarelor surse de curent constant: - oglinda simpl de curent cu dou tranzistoare; - sursa cu trei tranzistoare; - sursa standard de curent; - sursa Widlar. 2. Consideraii teoretice Sursele de curent din circuitele integrate analogice: - sunt realizate cu tranzistoare bipolare sau MOs; - au rolul de a furniza cureni independeni de impedan de sarcin i pe ct posibil de tensiunea de alimentare i de temperatur; - ndeplinesc urmtoarele funcii n circuitele integrate: - de polarizare a altor etaje, de exemplu a celor difereniale; - de sarcini active; - de deplasare a nivelului de curent continuu. - se deosebesc fa de cele cu componente discrete prin numrul de tranzistoare: sursele de curent din circuitele integrate analogice conin mai multe tranzistoare, deoarece rezistenele de valori mari ocup o parte nsemnat din aria cipului de siliciu; - realizate cu tranzistoare MOS sunt urmtoarele: - sursa simpl de curent cu dou tranzistoare; - sursa de curent Wilson; - sursa de curent cascad; - realizate cu tranzistoare cu efect de cmp (TEC-J). 2.1. Oglinda simpl de curent cu dou tranzistoare (fg. 1). Considernd c cele dou tranzistoare T1 i T2 sunt riguros identice (Is1=Is2) vom avea: I0/Iref=/(+2), unde Iref=(Ec - UBE)/R (1) Dac se consider variaia curentului de colector n funcie de tensiunea emitor: Ic=Is [exp(UBE/UT)] [l + (UCE/UA)] (2) unde UA=10100V este tensiunea Early, vom avea: Io/Iref = [l + (UCE1/UA)] / [l + (UCE2/UA)] (3) Rezistena de ieire a oglinzii de curent este egal cu rezistenta de ieire a lui6

T1.

2.2. Oglinda de curent cu 3 tranzistoare (sursa de curent Wilson - fig.3.2). Dac tranzistoarele folosite n oglinda de curent au ctiguri mici in curent, atunci factorul /(+2) poate s produc diferene suprtoare ntre cei doi cureni. Pentru a elimina aceast eroare se mai poate introduce un tranzistor. Rezult relaia de calcul a factorului de transfer n curent: I0/Iref=(2+)/(2++2) (4) unde Iref = (Ec - 2UBE)/R. 2.3. Surse standard de curent (fig. 3.3) Sursele de curent analizate anterior permit, cu precizrile fcute, obinerea unui curent de ieire aproximativ egal cu curentul de referin, admind c cele dou tranzistoare sunt riguros identice: Is1 = Is2. Dac IS1IS2, pentru sursa din fg. 3.1 avem: IC1/IC2 = [Is1exp(UBE/UT)]/[Is2exp(UBE/UT)] = IS1/IS2 = A1/A2 (5) unde A1/A2 - reprezint ariile ocupate de emitoarele celor dou tranzistoare. Pentru obinerea unor rapoarte mai mari ntre cureni se recurge la sursa standard de curent din fig. 3.3, unde avem: I0/Iref=R2/R1 (6) unde Iref= (EC-UBE)/(R + R2). Rezistenta de ieire va fi: Ro = r01 [l + R1/(R1 + rw1+ rx1+ R || R2)] (7) 2.4. Sursa de curent Widlar Se recurge astfel la sursa de curent constant Widlar din fig. 3.4, unde avem pentru tranzistoare identice (Is1 = Is2): Io/Iref=(UT/R1Iref)ln(Iref/Io), (8) unde Iref = (Ec - UBE2)/R Rezistena de ieire va fi: R0=r01[1+R1/(R1+rw1+rx1)] (9) 3. Desfurarea lucrrii Pentru efectuarea lucrrii se folosesc urmtoarele aparate i montaje: - voltmetru electronic de c.c.(analogic sau digital); - surs de c.c. reglabil;7

- miliampermetru; - generator de semnal; - platforma tip machet, ce conine plantate elementele componente ale montajelor ce urmeaz a fi efectuate. 3.1. Se execut montajul din fig. 3.1 pe platforma tip machet, identificnd amplasarea componentelor cum este n fig. 3.5.

Fig. 3.5

Pe platform se execut urmtoarele conexiuni ntre borne: bornele 3 i 6, 7 i 9, 8 i 9. a) Se observ influena factorului de amplificare n curent. Se alimenteaz montajul de la o surs dubl de tensiune continu avnd valorile Ec = 15V i EC= 5V. Se vor msura valorile curenilor I0 i Iref i se va compara raportul Io/Iref cu cel obinut prin nlocuirea lui = 210. Se va compara valoarea msurat a lui Iref cu valoarea calculat. b) Se observ influena tensiunii Early. La modelul tranzistoarelor se adaug tensiunea Early, care pentru tranzistoare bipolare npn are valori UA=10100V. Se alege UA = 20V i se noteaz influena efectului Early asupra curentului de ieire I0. Se msoar UCE1 cu voltmetrul ntre bornele 5 si 8 i UCE2 ntre bornele 3 si 7. c) Determinarea rezistenei de ieire a sursei. n punctul 5 (fig 3.6), printr-un condensator se aplic un semnal sinusoidal U0=1V i 1kHz de la un generator de semnal nseriat cu un miliampermetru. Rezistena de ieire a sursei de curent va fi egal cu: ro=Uo/Ic i se compar cu rezistena de ieire teoretic.

Fig. 3.6

d) Influena tensiunii de alimentare. Pentru alimentarea sursei de curent se aplic o tensiune variabil, succesiv8

pentru Ec si Ec'. Se traseaz caracteristicile: I0,Iref=f(EC) i I0,Iref= f(EC') Se completeaz apoi tabelele: Tabelul 3.l Ec [V] 5 7 9 I0 [mA] 0.90 0.95 0.98 Iref [mA] 1.05 1.05 1.05 I0/Iref Tabelul 3.2 Ec [V] 5 I0 [mA] 1.2 Iref [mA] 1.05 I0/Iref 7 1.3 1.05 9 1.4 1.05

(10) 11 1 1.05 13 1.05 1.05 15 1.1 1.05

11 1.5 1.05

13 1.6 1.05

15 1.7 1.05

3.2. Se execut montajul din fig. 3.2 corespunztor amplasrii componentelor artat n fig. 3.5, efectund legturile ntre bornele: l i 10, 3 si 4, 7 si 9, 8 si 9. 3.3. Se execut montajul din fig. 3.3 pornind de la montajul din fig. 3.5 i efectund legturile dintre bornele 3 i 6. a) Se msoar valorile curenilor Iref i I0 i se compar cu valorile obinute din relaiile de la punctul 2.3. b) Pentru dou valori ale rezistenei Ri adic 10k i 5k (prin stoparea bornelor 8 i 11) se completeaz tabelul 3.3, folosind urmtoarele formule pentru calculul parametrilor: IR1=UR1/R1 (11) IR2=UR2/R2 (12) VBE = V67 - V68 (13) Tabelul 3.3 R1 R2 Io Iref UR1 UR2 IR1 IR2 I0/ IR1/ V67 V68 VBE [k] [k] [mA] [mA] [V] [V] [mA] [mA] Iref IR2 [mV] [mV] 5 2 0.02 0.9 2.2 2.4 0.45 1.12 0.0 0.4 610 630 20 5 5 5 5 7 10 2 3.9 0.9 0 0.5 0 0.25 4.3 0 560 710 160 3 3.4. Se realizeaz montajul din fig. 3.4, realiznd pe platforma legturile ntre bornele: 3 i 6, 7 i 9. Se alimenteaz montajul cu tensiune variabil succesiv pentru Ec i EC apoi se completeaz tabelele 3.4 i 3.5 cu valorile msurate i calculate cu relaiile de la punctul 2.4, tiind c potenialul termic UT=25mV. Tabelul 3.4 EC Iref Io I0/ UBE2 Iref calc I0 calc I0/ [V] [mA] [mA] Iref [V] [mA] [mA] Iref calc 5 0.25 0.27 1.08 0.61 10 0.6 0.55 0.91 0.63 15 0.9 0.86 0.95 0.659

EC [V] 5 10 15

Tabelul 3.5 Iref Io [mA] [mA] 0.9 0.85 0.9 0.94 0.9 1

I0/ Iref 0.98 1.08 1.11

UBE2 [V] 0.65 0.65 0.65

Iref calc [mA]

I0 calc [mA]

I0/ Iref calc

Se determina rapoartele: (Iref/20V) / (Iref/5V) respectiv (I0/20V) / (I0/5V) 5. Coninutul referatului 5.1. Schemele electrice ale montajelor folosite. 5.2. Reprezentrile grafice. 5.3. Tabelele completate cu date obinute experimental i prin prelucrare. 5.4. Concluzii asupra lucrrii.

(14)

10

LUCRAREA NR. 3 STUDIUL REACIEI NEGATIVE 1. Scopul lucrrii - studierea funcionrii unui amplificator de semnal mic cu reacie negativ; - evidenierea influenrii rspunsului amplificatorului cu reacie negativ i determinarea frecvenelor limit superioar i limit inferioar. 2. Consideraii teoretice Reacia negativ este mult folosit n amplificatoare deoarece se obin o serie de avantaje importante: - cel mai semnificativ este acela c reacia negativ stabilizeaz ctigul amplificatorului fa de modificrile parametrilor dispozitivelor active induse de variaiile surselor de alimentare, de variaiile de temperatur, de mbtrnirea componentelor; - determin o cretere a benzii circuitului fiind mult utilizate amplificatoarele de band larg. Avantajele menionate sunt nsoite de dou dezavantaje: - primul i cel mai important dezavantaj const n reducerea ctigului circuitului aproape direct proporional cu mrimea avantajelor obinute. Compensarea scderii amplificrii (ctigului) se poate face prin adugarea de etaje de amplificare suplimentare, ceea ce duce la creterea costului; - o a doua problem potenial asociat folosirii reaciei negative este dat de tendina de oscilaie care apare n circuit. Aceasta se studiaz cu criteriul de stabilitate Nyquist Schema de principiu a reaciei ideale negative se arat n fig. 1.

Fig. 1

unde: xi, xe semnale de intrare i ieire care pot fi cureni sau tensiuni; - este semnalul care este trimis napoi spre intrarea de reacie; xr este semnalul de eroare care intr n amplificatorul de pe calea direct, xd este semnalul de eroare care intr n amplificatorul de pe calea direct ae crui funcie de transfer (ctig) este A = X . d M - este "mixer" care adun semnalele n antifaz xi i xr i se obine xd = xi xr. Reeaua de reacie are o funcie de transfer (factor de transfer):

X

11

= xr/xe Funcia de transfer a amplificatorului cu reacie este:Av = Xe A = X i 1 + A

(1) (2)

Pentru amplificatoarele cu reacie exist patru circuite distincte cu reacie: - circuite cu reacie de tensiune - serie; - circuite cu reacie de tensiune - paralel; - circuite cu reacie de curent - serie; - circuite cu reacie de curent - paralel; 2.1 Circuit cu reacie de tensiune serie. Schema circuitului este prezentat n fig. 5.2.

Fig. 2

unde: A=U2/U1 (3) =Ur/U2 (4) Ar=U2/Ui (5) U1=Ui-Ur (6) n fig. 3 avem aplicaia tipic pentru un amplificator de tensiune cu reacie negativ de tensiune serie.

Fig. 3.

unde: =Ur/U2 dar UrU2 => 1 Ar=U2/Ui dar U2Ui => Ar1 Dac notm: Zor - independenta de ieire a circuitului cu reacie; Z0 - independenta de ieire a circuitului fr reacie; Zir - independenta de intrare a circuitului cu reacie; Zi - independenta de intrare a circuitului fr reacie; avem: Zir=Zi*(1+A) Z0r=Z0/( l +A); Z0r - este foarte mic 2.2. Amplificator cu reacie negativ de tensiune paralel12

(7) (8)

(9) (10)

Fig. 4

Schema bloc a unui amplificator cu reacie de tensiune paralel este dat n fig. 4. Blocul de pe calea direct este un amplificator cu transfer de impedan. A = U2/Ii = Az - este o transimpedan (impedan de transfer) Ar = U2/Ii =Azr - impedan de transfer a circuitului cu reacie = U2/Ir= y - este o transconductan (conductan de transfer) Zir = Zi/(l+Azy) - impedan de intrare a circuitului cu reacie Zor = Zo/(l+Azy) - impedan de ieire a circuitului cu reacie. n fig. 5 avem o aplicaie pentru acest tip de amplificare cu reacie. Rezistena RB asigur polarizarea tranzistorului, ct i nchiderea reaciei negative. Circuitul are reacie negativ pentru c rezistena RB este conectat ntre 2 puncte care au poteniale n antifaz. Schema bloc este n fig. 6.

Fig. 6

Blocul de pe calea direct este un amplificator cu transfer de admitan cu factorul de amplificare: A = I/Ui = Ay - admitan de transfer = Ur/I2= Z - impedan de transfer a circuitului de reacie Ar = I2/Ui =Ary - admitan de transfer a amplificatorului cu reacie Impedan de intrare i cea de ieire vor avea expresiile: Zir = Zi(l+zAy) (11) Zor=Zo(1+zAy) (12) O aplicaie tipic este cea din fig. 7. Circuitul de reacie l constituie rezistena RE.

Fig. 7 13

2.4. Amplificator cu reacie paralel de curent. Schema bloc este n fig. 8. Avem relaiile: A = I2/I1=A1 - amplificare n curent a amplificatorului fr reacie = Ir/I2 = i - amplificarea n curent a circuitului de reacie Ar = I2/li=Ari - amplificarea n curent a amplificatorului cu reacie Zir = Zi/(l+iAi) - rezistena de intrare a circuitului cu reacie Zor=Zo(l+iAi) - rezistena de ieire. Aplicaia acestui tip de reacie este prezentat n fig. 9. Circuitul de reacie este format de rezistena Rr. 3. Desfurarea lucrrii 3.1. Se identific montajul din fig. 10 de pe platforma machet: n afara montajului pentru efectuarea lucrrii se folosesc urmtoarele: - Ec surs de tensiune continu stabilizat i reglabil; - multimetru numeric sau analogic; - generator de semnal sinusoidal cu tensiune i frecven reglabil; - miliampermetru. 3.2. Pentru realizarea amplificatorului cu reacie negativ de curent serie se execut pe platforma machet montajul din fig. 7 efectund legturile ntre bornele: 5 cu 6 i 11 cu 12 (se face o comparare ntre amplificatorul cu reacie i cel fr reacie). 3.2.1. Se decupleaz rezistenta RE scurtcircuitnd borna 10 cu 9 (se conecteaz CE) i eliminm reacia negativ a amplificatorului. 3.2.1.1. Se determin punctul static de funcionare al tranzistorului. Se msoar Ic montnd ntre bornele 14 i 15 un mA i se msoar UCE cu un voltmetru ntre bornele 15 i 10. La intrarea amplificatorului (borna 3) se aplic un semnal sinusoidal cu amplitudinea U1=10 mV i frecven variabil ntre 20Hz i l,4MHz, se msoar semnalul de ieire U2 i se completeaz tabelul 1, unde: AY=I2/Ui=U2/Ui*1/Rs Tabelul l f 2 5 [Hz] 0 0 U2 3 2 [mV] 0 AY 2 3 0 0 10 0 25 30 50 0 28 30 1 k 3 0 4 0 2 3 0 5 2 5 3 0 3 8 1 0 2 5 3 9 1 5 2 3 3 9 2 0 2 1 4 0 3 0 2 0 4 0 5 0 1 9 4 0 10 0 19 38 50 0 1M 1.4

Se traseaz caracteristica de frecven: |AY(j)|=f(). Din grafic se determin modulul amplificrii Ayo la frecvene medii i se compar cu cea calculat. Tot din grafic se determin frecvenele limit fj i fs corespunztoare scderii amplificrii la 0,707|Ayo|. Se calculeaz produsul P= Ay0*(fs-fj). 3.2.1.2. Pentru determinarea rezistenei de intrare a circuitului se conecteaz generatorul de semnal ntre borna l i 4 i se aplic un semnal U i=1 V i frecvent f=1kHz. Se msoar Ui i se calculeaz Ri cu ajutorul relaiei:14

Ri =

R1 U i' ' Ui Ui

(13)

3.2.1.3. Pentru determinarea rezistentei de ieire a circuitului se decupleaz RL (se desface legtura ntre bornele 11 i 12) i se scurtcircuiteaz intrarea, bornele 3 i 4. Se aplic la borna 11 de la un generator de semnal sinusoidal nseriat cu un mA (care msoar curentul ce trece prin Cc - Icc) un semnal: U2' = 1 V i f =1 KHz. Se calculeaz R0 cu relaia: R0=U2'/ Icc (14) 3.2.2. Pentru a cupla reacia negativ la amplificatorul cu reacie negativ serie de curent se deconecteaz condensatorul CE prin desfacerea legturii ntre bornele 9 i 10. 3.2.2.1. Se cupleaz sarcina prin scurtcircuitarea bornelor 11 i 12. De la un generator de semnal sinusoidal, se aplic la borna 3 un semnal Ui'=10 mV i se msoar cu un voltmetru electronic U2. Se ridic caracteristica de frecvent pentru: |ArY(j)|=I2/Ui=(U2/Rs)*(1/Ui) (15) adic |AY(j)|=f(), completndu-se tabelul 1, se trece n tabel n csua corespunztoare lui Ay valoarea lui Ary. Dup trasarea caracteristicii din grafic se determin Ary0 i se compar cu valoarea din relaia: Aryo = Ay0/(l + Ay) (16) unde: = Ur/I2=(-RE' * I2 )/I2 = -RE (17) Din grafic se mai determin i limitele de frecven corespunztoare amplificatorului cu reacie frs i frj i se compar cu valorile obinute din relaiile: frs = fs(l+Ayo) (18) trj = fj/(1+Ayo) (19) Se calculeaz produsul amplificare band pentru amplificatorul cu reacie: Pr=Ary(fs-fj) (20) 3.2.2.2. Msurarea rezistenei de intrare Rir i a rezistenei de ieire Ror ale amplificatorului cu reacie, se va face repetnd operaiile de la punctele 3.2.1.2. i 3.2.1.3. i se compar valorile cu cele obinute din relaiile: Rir=Ri(1+Ay0) (21) Ror=R0(1+Ayo) (22) 3.3. Pentru studierea amplificatorului cu reacie negativ paralel de tensiune (amplificator cu transfer de rezisten) se execut pe platforma machet montajul din Fig. 5, efectund legturile ntre bornele 6 i 7 i respectiv 11 i 12. Se studiaz comportarea amplificatorului cu reacie i fr reacie. 3.3.1. Se elimin reacia negativ prin conectarea condensatorului CBEI n circuit, fcnd legtura ntre bornele 8 i 9. 3.3.1.1. Se determin PSF al tranzistorului, se msoar Ic montnd un mA ntre bornele 14 i 15 i se msoar UCE cu un voltmetru ntre bornele 10 i 15. La intrarea amplificatorului (borna 2) se aplic un semnal sinusoidal Ui=1 V i se modific frecvena ntre 20Hz i 1,4 MHz. Se msoar semnalul Ui' i U2 cu un voltmetru electronic i se ridic caracteristica de frecven: |Az(j)|=f() (23) Az=U2/I0=U2R2/(Ui-Ui) (24) prin completarea tabelului 2.15

f [Hz] Ui [mV] U2 [mV] Az

Tabelul 2 20 50 10 0

50 0

1k

2

5

10 15 20 30 50

10 0

50 0

1M 1.4

Din grafic se determin Azo, band de frecven limit de trecere (fi, fs) din intersecia caracteristicii de frecven cu dreapta: |Az(j)| = 0,707AZ0 (25) Se calculeaz produsul amplificare band P = Azo(fs - fj). 3.3.1.2. Determinarea rezistenei de intrare a circuitului se face conectnd generatorul de semnal la intrare ntre bornele 2 i 4 i se aplic un semnal sinusoidal Ui =1V i f=1 kHz. Se msoar semnalul Ui' i se calculeaz Ri cu relaia: Ri = Ui/Ii = [Ui/(Ui-Ui')]*R2 (26) 3.3.1.3. Determinarea rezistenei de ieire se face conectnd generatorul de semnal la ieire n locul sarcinii (se desface legtura dintre bornele 11 i 12), conectnd generatorul de semnal ntre bornele 11 i 13 nseriat cu un mA. 3.3.2 Studierea amplificatorului cu reacie negativ paralel de tensiune se face decuplnd condensatorul CB1 (se desface legtura ntre bornele 8 i 9) i cuplnd sarcina (se scurtcircuiteaz bornele 11 i 12). 3.3.2.1 Se aplic un semnal sinusoidal la intrarea amplificatorului Ui=l V i f = 1 kHz, se completeaz tabelul 2, unde se trece Azr cu aceeai formul de calcul. Se traseaz caracteristica de frecvent |Ayr(j)| =f(). Din grafic se determin Ayro, fjr i fsr i se compar cu valorile calculate: Azro=Azo/(1+yAzo) (27) fjr=fj(1+yAzo) (28) f=fs/(1+yAzo) (29) unde:=-1/(RB'+RB"). Se calculeaz produsul amplificare band Pr = Azro(fs - fjr) 3.3.2.2. Se calculeaz rezistena de intrare Rir i rezistena de ieire Ror urmnd paii 3.3.1.2 i 3.3.1.3. Se verific relaiile: Rir=Ri/(1+yAz0) (30) Ror=Ro/(1+yAz0) (31) 4. Coninutul referatului 4.1. Schemele utilizate. 4.2. Caracteristicile de frecven utilizate. 4.3. Calculul parametrilor amplificatoarelor la frecvene medii: amplificarea, rezistena de intrare, rezistena de ieire. Se vor compara valorile obinute experimental cu cele calculate. 4.4. Concluzii asupra lucrrii.16

LUCRAREA NR. 4 APLICAII LINIARE CU AMPLIFICATOARE OPERAIONALE 1. Scopul lucrrii Se studiaz amplificatorul operaional n urmtoarele aplicaii: - circuitul amplificator inversor; - circuitul amplificator neinversor; - circuitul amplificator sumator inversor; - circuitul amplificator diferenial; circuitul derivator; circuitul integrator. 2. Consideraii teoretice Circuitele liniare sunt acele circuite la care semnalul de ieire este proporional cu cel de intrare, eventual cu o ntrziere de timp. Amplificatoarele operaionale sunt constituite din mai multe etaje elementare cuplate direct. Etajul de intrare este de tip diferenial, iar etajele ie ieire sunt de tipul repetor pe emitor, n configuraie amplificator de putere n contratimp n clas B. Etajele intermediare, prevzute cu reacii negative locale, asigur o amplificare foarte mare (103-106). Un amplificator operaional ideal prezint urmtoarele proprieti: - amplificatoare n tensiune infinit; - impedana de intrare infinit; - impedana de ieire zero; - banda de frecven infinit; - caracteristica de transfer liniar i simetric; - tensiunea de ieire zero pentru tensiunea de intrare zero. Amplificatoarele operaionale reale difer de cele ideale, astfel: - amplificarea n tensiune are valoarea 103-106; - dac etajul de intrare este realizat cu tranzistoare bipolare, atunci impedana de intrare are valori cuprinse ntre 100k i 1M; - impedana de ieire are valori tipice cuprinse ntre 0,75 i 1000 domeniul de frecven este limitat. Simbolul unui amplificator operaional este dat n fig. 1.

Fig. 1.

Amplificatorul are dou intrri: o intrare neinversoare (+) i o intrare inversoare (-). Alimentarea circuitului n c.c. se realizeaz de la dou surse de tensiune avnd VCC fa de borna lor comun de mas. Tensiunea de ieire este dat de relaia: Vo = A*(Vp-Vn)=A*Vd (1) unde A - reprezint amplificarea n bucl deschis a amplificatorului.17

n majoritatea aplicaiilor AO folosesc bucle de reacie cu. elemente pasive i active, n prezena reaciei ctigul circuitelor cu AO depinde de componentele din reelele de reacie aferente, fiind posibil efectuarea de operaii liniare i neliniare. Funcionarea AO la semnale mari i frecvene ridicate este limitat ns de viteza de cretere a tensiunii de ieire. Valoarea maxima a pantei pentru variaia tensiunii de la ieire este influenat direct de valorile finite ale curenilor de ncrcare i descrcare a condensatoarelor proprii din structura AO i ndeosebi ale reelei de compensare n frecven. Experimental, panta maxim de variaie a tensiunii de ieire se determin cu ajutorul unui osciloscop cablat n tensiune i timp, folosindu-se la intrare un generator de impulsuri dreptunghiulare. 2.1. Amplificatorul inversor Schema este dat n fig. 2.

Fig. 2.

Dac - rezistena Ri = Rr circuitul amplificator inversor se transform n repetor inversor; - rezistena Re=Rr||Ri are rolul de a compensa efectul curenilor (c.c.) de polarizare a intrrilor AO (reduce la minim efectul curenilor de polarizare), se arat modul de echilibrare a tensiunii de decalaj. n fig. 3 poteniometrele P1 i P2 au rolul de a compensa tensiunea de offset (de decalaj). Poteniometrul P1 se folosete la AO care au borne (pini) de echilibrare (pentru AO PA741 sunt prevzui pinii 3 i 9, iar cursorul se leag la Ec). Poteniometrul P2 se folosete pentru AO fr pini de echilibru a tensiunii de decalaj.

Fig. 3

2,3. Amplificatorul sumator inversor Acest circuit este destinat nsumrii directe sau ponderate a mai multor tensiuni i este un amplificator inversor cu mai multe intrri. Schema unui sumator inversor este dat n fig.6.5. Rl Rr18

Vo Figura 6.5 Presupunnd AO ideal i aplicnd teorema I a lui Kirchhoff pentru nodul I de circuit. Ultima relaie ne arat combinaia liniar ntre tensiunile aplicate la intrare. 3. Desfurarea lucrrii Pentru efectuarea lucrrii, n afara montajelor, se folosesc urmtoarele aparate: - surs dubl de tensiune continu stabilizat i reglabil; - multimetru analogic i numeric; - osciloscop; - generator de semnale sinusoidale i dreptunghiulare. 3.1. Studiul amplificatorului invers or Se realizeaz montajul din fig.6.3 pentru studiul amplificatorului inversor. Se alimenteaz montajul la tensiunile: VC = 15V. 3.1.2. Determinarea amplificrii n tensiune i a benzii de frecvene. Pentru circuitul corespunztor amplificrii Aio=-10 i Rc=Ri||Rr (RplOkfZ, Rc=Ri) se aplic la intrare de la un generator de semnal sinusoidal un semnal iii = 50mV. Cu un voltmetru electronic conectat la ieire (borna 10) se msoar semnalul u0 i se calculeaz AU^UQ/UI i se compar cu valoarea obinut din relaia (1). Se vizualizeaz cu ajutorul osciloscopului formele de und pentru ut i UQ, notndu-se defazajul dintre ele. Se completeaz tabelul 6.1. corespunztor configuraiei inversoare. "Tabelul 6. Se traseaz caracteristica de frecven |AU =f (frecven). Se determin amplificarea de tensiune n band i se compar cu valoarea obinut din relaia (1). Se determin frecvena limit superioar i se compar cu valoarea abinut din relaia (4). Pentru a pune n eviden viteza de variaie a semnalului de ieire se conecteaz la intrare un semnal sinusoidal cu Ui=0,5V, pentru Au=-10. prin vizualizarea mrimii de ieire pe osciloscop se determin frecvena maxim pentru care semnalul i mai pstreaz forma sinusoidal. Rezultatul se compar cu valoarea dat de relaia (5). 3.1.3. Determinarea rezistenei de intrare a amplificatorului invers or, R^. Rezistena de intrare a configuraiei inversoare se determin pentru amplificarea n tensiune Aui=-10 i Rc=0. La circuitul inversor din fig.6.2 se nseriaz la intrare rezistena R2. La noua born de intrare (un capt al rezistenei R2) se aplic de la un generator de semnal sinusoidal un semnal Uj'-lV i frecven lOOHz. Se msoar tensiunea Ui ntre terminalele rezistenelor Ri cu RI i mas. Rezistenta de intrare se calculeaz cu relaia:19

Se compar valoarea obinut din relaia de mai sus cu valoarea obinut din relaia (2). 3.1.4. Determinarea rezistenei de ieire a amplificatorului inversor, Determinarea rezistenei de ieire a amplificatorului inversor se face pentru circuitul care are amplificarea AU2=-100 (Rr=100M). La ieirea amplificatorului se conecteaz rezistena Ri=lkO (cu un terminal la ieirea AO - borna 10 - i cu cellalt terminal la mas). Se' aplic la intrare un semnal sinusoidal de frecven lOkHz i amplitudinea se regleaz astfel nct semnalul de ieire s nu fie limitat. Se msoar tensiunea de ieire UQI. Fr a modifica semnalul de intrare, se conecteaz rezistena de sarcin RI i se msoar noua tensiune de ieire Uo2Rezistena de ieire a circuitului inversor se calculeaz cu relaia; 3.2. Studiul amplificatorului neinversor Se realizeaz circuitul din fig.6.4 pentru studiul amplificatorului neinversor. 3.2.1. Determinarea amplificrii n tensiune i a benzii de frecvene. Pentru circuitul corespunztor amplificrii Aui=ll (Rr^lOk^) i Rc^O se aplic la intrare (terminalul liber al RJ de la un generator de semnal sinusoidal un semnal Ui=50mV. Cu un voltmetra electronic conectat la ieire (borna 10) se msoar semnalul u0. Se calculeaz Au=u0/iii i se compar cu valoarea obinut din relaia (6). Se vizualizeaz cu ajutorul osciloscopului formele de und pentru Ui -^i UQ, noindu-se defazajul dintre ele. Se completeaz tabelul 6.1 corespunztor pentru valorile configuraiei neinversoare. Se traseaz caracteristica de frecven |AU =f (frecven). Se determin frecvena limit superioar i se compar cu valoarea obinut clin relaia (9). 3.2.2. Determinarea rezistentei de intrare. Rezistena de 'intrare a configuraiei neinversoare se determin pentru amplificarea n tensiune Aui=- 1 1 i R^=Ri . La borna de intrare (captul liber a RI) se aplic de la un generator de semnal sinusoidal un semnal Ui'=50mV si frecven lOOHz. Se msoar tensiunea u"i la borna 4 (intrarea neinversoare a AO) fa de mas. Rezistena de intrare se calculeaz cu relaia: Se compar valoarea obinut cu cea de la punctul 3.1.3. 3.2.3. Determinarea rezistenei de ieire a amplificatorului neinversor, Rle. Se procedeaz ca la punctul 3. l .4. se compar valorile obinute. 3.3. Studiul amplificatorului sumator realizat cu, AO Se realizeaz circuitul din fig.6.5 pentru 2 intrri. Pentru prima intrare (corespunztor lui m) se folosete R^lkQ, iar pentru a Il-a intrare (u2) se folosete R2=10kI Rezistena de reacie Rr se alege de 10 kO, Iar borna comun celor dou rezistene se leag la borna 4 (intrarea inversoare a AO). Se aplic la intrri (ui i u2) att tensiuni continue (de la sursa stabilizat de tensiune continu) ct i tensiuni alternative (de la generatorul de semnal sinusoidal) cu frecvena de IkHz n domeniul sutelor20

de mV. Se poate aplica acelai semnal la ambele intrri. Se fac cteva determinri, msurndu-se tensiunea de ieire i tensiunea de intrare i se compar cu valoarea rezultat din cadrul relaiei de mai sus. 3.4. Studiul amplificatorului diferenial realizat cu AO Se realizeaz circuitul din fig.6.6, unde R3=Ri=lkl i R4=Rr=101d}s Rezult c tensiunea de ieire are valoarea: u0-10(ui-U2). De la o surs dubl de tensiune continu se aplic la intrarea amplificatorului diferenial (ui i u2) tensiuni continue i se completeaz tabelul 1. Tabelul 1

3.5. Studiul circuitului de derivare Se realizeaz circuitul de derivare din fig.6.7 unde R=Rr=z10kn, C=33nFLa intrare se aplic un semnal dreptunghiular cu frecvena de IkHz i amplitudinea IV. Se vizualizeaz pe osciloscop tensiunile de intrare i de ieire. Se scurtcircuiteaz rezistena Rj' i se observ efectul. '< 3.6. Studiul circuitului de integrare Se realizeaz circuitul de integrare din fig.6.8 unde R=R2= C=33nF,Rp=10ka La intrare se aplic un semnal dreptunghiular cu frecvena de lOkHz i amplitudinea IV. Se "vizualizeaz pe osciloscop tensiunile de intrare i de ieire, Se deconecteaz rezistena Rp i se observ efectul. 4. Coninutul referatului 4.1. Schemele electrice ale circuitelor utilizate n laborator i relaiile de calcul. 4.2. Valorile msurate i cele calculate pentru fiecare circuit. 4.3. Se traseaz graficele obinute i formele de und vizualizate. 4.4. Concluzii asupra lucrrii.

21