Lab PM 2010/2011 för IE1202 Analog elektronik 7,5hp Examination Konstruktionsuppgifter

Transkript

1 Innehåll Lab PM 21/211 för IE122 Analog elektronik 7,5hp Examination Konstruktionsuppgifter Examination på laborationskursen (LAB1; 2,5hp) 2 Lärandemål X1 Baserad på konstruktionsuppgift 1 och 2 2 Lärandemål hemlab MOS och konstruktionsuppgift 3 3 Betygsättning av labkursen 4 Lab 1 Konstruktionsuppgift 1 - ljudförstärkare 5 Lab 2 Konstruktionsuppgift 2 avståndsmätning med ultraljud 8 Hemlab MOS inlämningsuppgift 12 Lab 3 Konstruktionsuppgift 3 Videoförstärkare 16 Bilaga 1 Förberedelseuppgifter på TDA23 21 Bilaga 2 Praktiska tips inför laborerandet 22 Bilaga 3 Simulering av OP förstärkarkoppling med PSpice 26 Bilaga 4 Simulering av MOS med PSpice 35 Bilaga 5 Filter och förstärkare 4 khz, mönsterkort 42 Bilaga 6 Mönsterkort till videoförstärkaren 43 Bilaga 7 Checklista Lab 3 Videoförstärkare 45 Bilaga 8 Labkvitto IE122 Analog elektronik 46 Laborationerna äger rum på ICT skolan i Kista. Adress: Forum Isafjordsgatan 39 Hiss B, plan 8 Bengt Molin / Kursomgång 1 P1 HT21 1(46)

2 Examination på laborationskursen (LAB1; 2,5hp) Lärandemål X1 Baserad på konstruktionsuppgift 1 och 2 Du väljer här om du redovisar på grundläggande nivå eller på högre nivå. Redovisning på högre nivå skall inkludera även lägre nivå. Om det blir det högre eller lägre betyget på respektive nivå bestäms av kvalitén på din rapport samt utfallet av det muntliga förhöret. Ange på första sidan av din rapport vilken betygsnivå du avser att redovisa. Redovisningen sker med en rapport där du utifrån genomförda konstruktioner visar att du uppfyller inlärningsmålen. Rapporten behöver inte vara skriven som en normal teknisk rapport utan skall fokusera på att redovisa inhämtad kunskap. Rapporten får gärna vara handskriven med handritade figurer om det är ett mer effektivt utnyttjande av din tid, förutsatt att du skriver läsligt. Viktigt är att det är logiskt sammanhängande, att du motiverar väl och drar slutsatser. Examinerande lärare granskar rapporten och betygsätter rapporten utifrån hur väl du uppfyller inlärningsmålen. Du skall utgå från konstruktionsuppgifterna 1 och 2 samt visa att du uppfyller inlärningsmålen genom att tillämpa dina kunskaper på konstruktionernas kopplingar. Det innebär att du skall genomföra beräkningar, diskussioner, simuleringar och mätningar utifrån de konstruktioner du genomfört. Du behöver inte göra mätningar på allt du redovisar i X1 men du bör stödja dina resultat med simuleringar. Krav på mätningar anges i varje konstruktionsuppgift. Att redovisa inlärningsmål betyder inte att du skall skriva av vad som står i läroboken utan du ska visa att du kan tillämpa dina kunskaper på din konstruktion. Hela konstruktionerna skall redovisas i din rapport men du kan fokusera på vissa delar när du redovisar inlärningsmålen. Inlärningsmål som skall redovisas i X1: Grundläggande nivå (D eller E) definiera och beräkna förstärkning, in- och utimpedans för operationsförstärkarkopplingar välja lämpliga förstärkarkopplingar och dimensionera dessa för att lösa olika typer av förstärkningsproblem bestämma överföringsfunktionen för frekvensberoende förstärkarkopplingar samt att kunna rita dess bodediagram (belopp- och faskurva) samt bestämma gränsfrekvenser beskriva funktionen och redogöra för egenskaper hos operationsförstärkare definiera termer vid motkoppling: råförstärkning, resulterande förstärkning, slingförstärkning, motkopplingsfaktor, stabilitetsmarginalen förklara varför det kan bli instabilitet i motkopplade förstärkarkopplingar och förklara principen för hur oscillatorkopplingar fungerar konstruera enkla RC-oscillatorer med operationsförstärkare verifiera gjorda konstruktioner med simuleringsverktyg bygga en prototyp och genom mätningar utvärdera dess prestanda göra en skriftlig dokumentation av konstruerade kretsars egenskaper Högre nivå (B eller C) värdera vilken komponent som är lämplig i önskad applikation utifrån uppgifter från datablad för operationsförstärkare analysera effekter av offsetspänning, förströmmar i operationsförstärkarkopplingar och kunna avgöra om kompensering av dessa effekter krävs beräkna stabilitetsmarginaler för förstärkare och dimensionera nät för kompensering av potentiellt instabila förstärkare värdera hur ändring av ingående komponenter påverkar en förstärkares prestanda 2(46)

3 Lärandemål hemlab MOS och konstruktionsuppgift 3 MOS inlämningsuppgift Denna uppgift är en simuleringslab som du gör helt på egen hand. Laborationen med simuleringsuppgifter på MOS-transistorn och konstruktion och simulering av MOS-förstärkare är obligatorisk. Inlämning av denna uppgift sker i Bilda-systemet (bilda.kth.se) Konstruktionsuppgift 3 Du väljer här om du gör en enklare konstruktion eller om du gör en mer avancerad konstruktion som kan ge en större höjning av betyget. Konstruktion och dimensionering av förstärkaren redovisas med en kort skriftlig rapport som du gör som förberedelse till laborationen, samt att du visar konstruktionen och diskuterar den med examinator i samband med laborationen. Lärandemål som berörs i konstruktionsuppgifterna Grundläggande nivå definiera och beräkna förstärkning, in- och utimpedans för grundläggande transistorförstärkarsteg välja lämpliga förstärkarkopplingar och dimensionera dessa för att lösa olika typer av förstärkningsproblem beskriva funktionen och redogöra för egenskaper hos dioder och transistorer definiera termer vid motkoppling: råförstärkning, resulterande förstärkning, slingförstärkning, motkopplingsfaktor, stabilitetsmarginaler beskriva diagram och storsignalmodeller för dioden och transistorer av bipolär- och MOS-typ beräkna transistorns småsignalparametrar och använda småsignalmodeller för att beräkna förstärkning, in- och utresistans för grundläggande transistorförstärkarsteg (GE och GCsteg samt differentialsteg) av både bipolär och MOS typ verifiera gjorda konstruktioner med simuleringsverktyg bygga en prototyp och genom mätningar utvärdera dess prestanda göra en skriftlig dokumentation av konstruerade kretsars egenskaper Högre nivå (+ ett betygssteg) värdera vilken komponent som är lämplig i önskad applikation utifrån uppgifter från datablad för dioder och transistorer beräkna stabilitetsmarginaler för förstärkare och dimensionera nät för kompensering av potentiellt instabila förstärkare värdera hur ändring av ingående komponenter påverkar en förstärkares prestanda skapa beräkningsmodeller för analoga förstärkare och därur härleda uttryck för förstärkning, in- och utimpedans beräkna hur transistorns högfrekvensegenskaper påverkar en förstärkarkoppling konstruera flerstegsförstärkare med transistorer 3(46)

4 Betygsättning av labkursen Laborationskursen i analog elektronik är betygsatt i skalan A-F. Du väljer själv vilken betygsnivå du redovisar. All dokumentation som skall examineras skall vara egenhändigt skriven av den student som examineras. Resultat från mätningar och simuleringar som inkluderas får dock vara desamma från flera studenter när det bygger på gemensamt framtagna resultat. Alla beräkningar, beskrivningar och sammanfattning av resultat skall dock vara egenhändigt skriven. Inga gruppinlämningar godtas. På laborationer kan konstruktioner byggas i grupp om två eller i undantagsfall tre studenter. Varje enskild student skall kunna visa upp eget exemplar av förberedelser, simuleringsresultat etc. Observera den policy för hantering av plagiering inom KTHs utbildning som antagits av rektor Policy 2/21 Gäller fr o m , version 4 Dnr V , doss 1 Olika lärandemoment i labkursen värderas med poäng av examinerande lärare. Poäng som hör samman med förberedelseuppgifter till laborationerna kan inte uppgraderas. På lab 3 kan du inte uppgradera till mer än maxpoäng för den konstruktion du valt. Övriga poäng kan du begära att få komplettera till högre betyg förutsatt att du gör detta före ordinarie tentamen. Komplettering sker genom inlämning samt ett avtalat möte och muntligt förhör med examinator. Följande betygsskala gäller för labkursen E: 1-11, D: 12-15, C: 16-2, B: 21-24, A: De olika delarna kommer att poängsättas efter följande mall. Maxpoäng Minimikrav Inlämningsuppgift RC-filter 2p 1p Lab 1 Förberedelse TDA23 uppgift 1-3 1p 1p uppgift 4 1p Förberedelse schema + verifierat med simulering 1p 1p X1-redovisning Grundnivå 3p 1p Högre nivå 3p Lab 2 Förberedelse schema + verifierat med simulering 1p 1p X1-redovisning Grundnivå 2p 1p Högre nivå 2p MOS inlämningsuppgift Uppgift 1-2 1p 1p Uppgift 3 2p Lab 3 Du väljer ett av två alternativ på lösning, du kan inte summera poäng från båda lösningarna Alternativ 1 Dimensionering, simulering 2p 3p Utvärdering 1p Alternativ 2 Dimensionering, simulering 2p 4p Råförstärkning, stabilitetsmarg. 2p vid önskad motkoppling Frekvenskompensering med C5 2p Utvärdering 2p 4(46)

5 Lab 1 Konstruktionsuppgift 1 - ljudförstärkare Introduktion Ett enklare ljudsystem från mikrofon till högtalare skall konstrueras i denna uppgift. Huvudsyftet med konstruktionen är att du skall få komponentkännedom och lära dig konstruera, bygga prototyp och mäta på förstärkare uppbyggda med operationsförstärkare. Konstruktionen är också en del av underlaget för examination X1. Systemet skall visas i funktion under laborationspass 1. Förberedelser som skall vara gjorda före laborationspasset 1. Gör förberedelseuppgifter för TDA23 enligt bilaga 1. Datablad hittar du på kurswebben. 2. Tag reda på hur man bestämmer gränsfrekvenser ur mätning och simulering. 3. Dimensionera förförstärkarkopplingen enligt specifikationen nedan. 4. Verifiera förförstärkaren genom simulering i PSpice. I bilaga 3 finns en introduktion till PSpice. Skriv ut simulerade kurvor och tag med till lab. Du bör ha med en kurva som visar förstärkning som funktion av frekvensen. Använd logaritmiskt svep så att du får logaritmisk frekvensskala och plotta förstärkningens belopp, helst både linjärt och i db. Planera de mätningar du behöver göra för att redovisa i examination X1 5. Tag med kopplingsschema (handritat eller datorritat, med angivna bennummer för kretsarna) till laborationstillfället för att koppla efter. Praktiska tips om laborerandet hittar du i bilaga 2! Där hittar du också uppgift om vilka komponenter som finns att tillgå i labsalen. Hjälp för att komma igång med simuleringen finns i bilaga 3! Efter laborationspasset Dokumentera din konstruktion och skriv den del som skall ingå i X1 för att redovisa inlärningsmål. Gör detta så snart som möjligt efter laborationen. Uppgift Förförstärkaren skall du själv dimensionera med operationsförstärkare och koppla upp på kopplingsdäck. Effektförstärkaren med TDA23 kommer att finnas färdig. Om du inte har kopplingsdäck kan du låna på lab. Att rekommendera är att du om möjligt själv tar med en liten skruvmejsel och några elektroniktänger, till exempel en sidavbitare och en plattång, till laborationerna. Komponenter finns tillgängliga i labsalen. Följande operationsförstärkare finns att tillgå i labsalen: ua741 eller LM741, LM324, TL74 Du skall kunna visa följande system i funktion under labpasset Mikrofon Förförstärkare Effektförstärkare TDA23 Högtalare R L = 8 Ω Û 5 mv Û 1 mv Û 3,3 V Förförstärkarsteget skall ha undre gränsfrekvensen 1 Hz och övre gränsfrekvensen 1 khz. När du avrundar till närmaste standardvärde skall du välja dessa så att undre gränsfrekvensen blir lägre än 1 Hz och övre gränsfrekvensen blir högre än 1 khz. Vilka komponenter och vilka värden som finns tillgängliga på lab framgår av bilaga 2. 5(46)

6 Volymkontroll Det kan vara lämpligt med en volymkontroll i form av en potentiometer mellan förförstärkare och effektförstärkaren. En potentiometer är en resistor med ett variabelt mittuttag. Med den kan man åstadkomma en variabel spänningdelare eller en resistor med variabel resistans. Mikrofonen Funktionsgenerator Potentiometer Kondensatormikrofonelement PVM GM Kabel 14 mm ELFA nr Mikrofonen ger cirka 5 mv toppspänning vid normalt tal på kort avstånd och har en utresistans på cirka 3 kω. Kondensatormikrofonen fungerar så att ett tunt membran, som samtidigt är ena plattan i en kondensator, kommer att vibrera i takt med ljudet. Kapacitansen ändras då och om kondensatorn är uppladdad kommer detta att ge en liten spänningsvariation i takt med ljudet. (q=c u) Symbol + U in + - Mikrofon 5,6 kω U ut - Resistiv ledningsbana Spänningsdelare +5 V Variabel resistans C Term. 1 (röd) Term. 2 (svart) Mikrofonen behöver en likspänningsmatning mellan 1 och 1 V, till exempel 5 V, via 5,6 kω till Terminal 1 (Terminal 2 är jord). Se mikrofonens datablad. Egen matningsspänning behövs för att ladda upp kondensatorn och även ge spänning till en förstärkartransistor som finns inbyggd i mikrofonen. Från mikrofonen (Term. 1) kopplas signalen (växelspänningen) in till förstärkaren via en kondensator för att blockera likspänningsnivån. R och C enligt figuren lägger du alltså till själv. Mikrofonen tillsammans med 5,6 kω-resistorn ger en signalkälla med cirka 3 kω utresistans. Tag hänsyn till detta när du dimensionerar gränsfrekvens. 3 kω Under testningen (och även i simulering) av kopplingen kan du ersätta mikrofon och dess matningsspänningskoppling (5,6 kω-motståndet) med en generator i serie med 3 kω. Du erhåller då en generator med ungefär samma utresistans som mikrofonen. Du bör tänka på att 3kΩresistorn ingår i högpassfiltret på ingången när du dimensionerar för undre gränsfrekvensen. Högtalaren Högtalaren har nominell impedans 8 Ω. 6(46)

7 Mätningar Om du är osäker på användning av oscilloskopet (vilket du troligen är) kan det vara lämpligt att använda en del tid åt att gå igenom oscilloskopets inställningar. Utnyttja laborationstiden för att lära dig hur du mäter med oscilloskopet. Oscilloskopet är elektronikingenjörens viktigaste mätinstrument. Fråga din labhandledare om du är osäker på hanteringen eller har problem med oscilloskopet. Börja med att koppla upp och testa enbart förförstärkaren utan mikrofon och effektförstärkare. Koppla så kompakt som möjligt på kopplingsdäcket. Undvik långa slingor med kopplingstråd och klipp gärna av benen på resistorerna. Mät U in och U ut med oscilloskop, avläs topptilltopp-värden och bokför värden i tabell. Beräkna ur detta förstärkningens belopp som funktion av frekvensen. Använd din simulerade kurva för att bestämma lämpligt antal mätpunkter. Mät från en frekvens minst en dekad under undre gränsfrekvens och till minst en dekad över övre gränsfrekvensen. Mät speciellt noggrant kring gränsfrekvenserna så att de kan bestämmas. Du kan mäta med lite högre spänningsnivå än vad som anges i kopplingen ovan, men kontrollera att förstärkaren inte överstyrs så att spänningen klipps på utgången. Mätresultatet kan du med fördel rita in för hand i samma diagram som den simulerade så är det lätt att jämföra. Om du först mäter inspänningen, noterar värdet på beloppet och kontrollerar att det inte ändras när du varierar frekvensen så behöver du sedan inte mäta inspänning för varje punkt utan det räcker att bara mäta utspänningen. Mät beloppet, enklast är att mäta topp-till-topp. Använd gärna de inbyggda mätfunktionerna som finns i oscilloskopet. Beroende på vilken ambitionsnivå du har när det gäller betyg kan du även passa på att mäta till exempel likspänningar i kopplingen när signalspänningen in är noll (offsetspänningar). Tänk på att dokumentera för den rapport som du ska lämna in. Se inlärningsmålen. Koppla in mikrofon, volymkontroll och effektförstärkare och testa funktionen. Visa kopplingen i funktion för labhandledaren. Liten ledning för redovisningen i X1 (utgående från lärandemålen sid 2-3) Grundnivå Hur behandlas operationsförstärkaren när du räknar på dina kopplingar? Vilka egenskaper har den? I vilka avseenden kan den betraktas som ideal? Hur går strömmar i kopplingen? Vilka spänningar finns i kopplingen? In- och utresistanser i relation till generator och last. Visa med räkningar och simuleringar. Jämför den koppling du valt med andra möjliga alternativ. Frekvensberoende; teckna uttryck, skissa diagram, verifiera med simulering och mätning. Dokumentera den konstruktion du gjort och väv i texten in svar på ovanstående frågor. Högre nivå Utgå från den operationsförstärkare du valt och diskutera dess egenskaper och lämplighet i denna förstärkarkoppling. Jämför med andra tillgängliga operationsförstärkare. Analysera effekter av operationsförstärkarens offsetspänning och förströmmar i din koppling. Effekterna är antagligen små men kan ändå analyseras med handräkningar och verifieras med simulering. Undersök med simulering vilka stabilitetsmarginaler du har i din koppling. Gör en teoretisk rimlighetsbedömning av resultatet. Du har antagligen en kondensator i återkopplingsnätet. Hur påverkar den stabiliteten? Diskutera komponentvärden och dess betydelse i kopplingen. Slut på konstruktionsuppgift 1 7(46)

8 Lab 2 Konstruktionsuppgift 2 avståndsmätning med ultraljud Introduktion Du skall bygga en apparat för avståndsmätning med ultraljud. Huvudsyftet med konstruktionen är att du skall lära dig välja lämplig operationsförstärkarkoppling samt välja operationsförstärkare med hänsyn till krav och funktion. Konstruktionen skall också ge dig mer erfarenhet av felsökning och mätning med oscilloskop. Den är också en del av underlaget för examination X1. Systemet skall visas i funktion under laborationspass 2. Förberedelser som skall vara gjorda före laborationspasset 1. Beräkna hur lång tiden är mellan utsänd ljudpuls och mottagen ljudpuls om avståndet till den reflekterande ytan är 1 meter. Hur långt hinner ljudet på 1 ms? 2. Dimensionera konstruktionen enligt uppgiften nedan. 3. Verifiera väsentliga delar, framförallt oscillatorn, av din konstruktion genom simulering i PSpice. Simulering på blockschemanivå kan du göra med schema som du laddar ned från kurswebben. 4. Planera de mätningar du behöver göra för att redovisa i examination X1 5. Rita ett fullständigt kopplingsschema (handritat eller datorritat, med angivna bennummer för kretsarna) till laborationen, som du kan använda att koppla efter. Den här föreslagna konstruktionen är inte den optimala konstruktionen. Den är vald för att du skall få öva på att konstruera med olika typer av operationsförstärkarkopplingar och är samtidigt anpassad till de inlärningsmål som finns i kursen. Principiellt blockschema Principen är att sända ut en ultraljudspuls vars frekvens ligger över vårt hörbara område. Sändaren ger ett kort starkt ultraljudspip som reflekteras mot den yta till vilket avståndet skall mätas. Reflekterad puls, som då är kraftigt dämpad på grund av avstånd och absorption i reflektionsytan, tas emot och förstärks samt detekteras. Tidmätningen är tänkt att kunna hanteras av en enchipsdator (microcontroller) med 5 V matningsspänning. Denna ingår dock inte i konstruktionen men du skall se till att det finns digitala 5V-gränssnitt mot en tänkt enchipsdator. Filer finns för att simulera kopplingen på blockschemanivå i PSpice. Ladda ned dessa från kurswebben! 8(46)

9 Figuren ovan kanske inte är inte helt komplett utan du kan behöva lägga till egna block till exempel för anpassning av spänningsnivåer. Utsänd ljudpuls skall vara så stark som möjligt med hänsyn till vad använda komponenter klarar av. Längden på ljudpulsen kan du experimentera fram under laborationen. En kortare ljudpuls kan ge bättre upplösning i avstånd men kortare räckvidd. En analog switch är en komponent som fungerar som en brytare för en analog signal, dvs. den släpper igenom eller spärrar analog spänning. Den analoga switchen styrs av en digital signal. Vi använder analoga switchen 416 byggd CMOS-teknik. Den har en maximal matningsspänning på 18 V. Eftersom vi använder spänning kring noll volt blir maximal matningsspänning ± 9 V. Man bör ha lite marginal så ± 8 V kan vara lämpligt som matningsspänning (V DD = +8 V och V SS = -8 V). Samma matningsspänning kan också användas till operationsförstärkarna. Styrsignalen som öppnar eller stänger 416 bör med dessa värden vara ± 8 V. Den digital inspänning på styringången räknas som hög om den ligger över 7% av matningsspänningen (> 3,2 V) och låg om den ligger under 3% av matningsspänningen ( < -3,2 V). Du kan använda CD416BD som finns i biblioteket EVAL om du vill simulera analoga switchen i PSpice. De ultraljudstransducers som används är av typen piezoelektriska kristaller och har en resonansfrekvens på 4 khz med mycket högt Q-värde, dvs. skarp resonanstopp. Oscillatorn måste ha en frekvens som överensstämmer ganska väl med kristallens egenfrekvens för att det skall sändas ut en stark ultraljudpuls. Det är bra om du kan driva sändarkristallen med så hög spänningsamplitud som möjligt med de komponenter du använder, dvs. cirka ± 8 V. Mottagen signal är mycket svag och behöver förstärkas kraftigt. Som utgångspunkt kan du anta att den är i storleksordning millivolt. Mottagardelen fram till detektorn behöver du inte konstruera. Den kommer att finnas färdig som ett kort med filter och förstärkare med variabel förstärkning, som kan pluggas in i kopplingsdäcket. Se bilaga 5. Detektorn i mottagaren kan du bygga som en enveloppdetektor med en likriktande diod (1N4148 går bra, simuleringsmodell finns i biblioteket EVAL) och ett RC-filter med lämplig tidskonstant. Den förstärkta 4 khz-pulsen likriktas av en diod och får ladda upp en kondensator till toppvärdet. Tänk på att amplituden på signalen som skall detekteras måste överstiga diodens ledspänning på cirka,7 V. Du behöver också en koppling som omvandlar mottagen puls till en puls med nivåer mellan V och 5 V. Matningsspänning 5 V kan vara lämplig i denna koppling. Fundera på operationsförstärkarens frekvenskurva, möjlig övre gränsfrekvens och slew rate när du väljer operationsförstärkare. Simuleringsmodeller för OP Modell för µa741 (ekvivalent med LM741) och LM324 finns i biblioteket EVAL.LIB som följer med i installationen av utvärderingsversionen av PSpice. Modell för TL74 finns att ladda hem från halvledartillverkare (t ex Texas Instruments). Du kan om du vill använda en symbol för LM324 som har samma bennumrering (finns i EVAL) och ändra i properties alla LM324 till TL74. Sedan skall du ha en lib-fil med TL74 modellen i som du måste lägga till under libraries i simuleringsprofilen. Du kan kontrollera vilken modell en komponent har genom att markera den och välja Edit/PSpice model. Eller lägg till biblioteket EGNAKOMP som innehåller TL74. Anvisningar för detta hittar du under meny Laborationer på kurswebbsidan i länken "Info om PSpice". 9(46)

10 Oscillatorn Dimensionera enligt teori i boken. Simulera kopplingen med tillgänglig modell för operationsförstärkaren. Gör en transientanalys och bestäm oscillatorns frekvens. I vissa fall kan det vara problem att få igång svängningen, introducera i så fall lite begynnelseenergi i systemet genom att tilldela en startspänning på en kondensator med attributet IC (Initial Condition). Resultatet av simuleringen kommer troligen att avvika från din teoretiska dimensionering. Det finns en bra förklaring till detta utifrån den verkliga operationsförstärkarens egenskaper. Du kan också fundera på vilken av tillgängliga operationsförstärkare som ger bättre överensstämmelse. Modifiera komponentvärden till dess simuleringen visar att du får rätt frekvens 4 khz ± 1 khz. Det gör inget om det inte är en snygg sinuskurva, men det måste vara rätt frekvens. Mät frekvensen på lab. Du kan eventuellt behöva trimma frekvensen lite beroende på komponenttoleranser. Transducers De ultraljudtransducers som används är UTT41 och UTR41 (ELFA respektive ). Dessa är av typen piezoelektriska 1 kristaller och de har följande data enligt datablad: För sändarkristallen gäller att den kommer i mekanisk svängning när den utsätts för en yttre elektrisk spänningsändring. Mottagarkristallen ger en liten spänning när den utsätts för yttre mekanisk påverkan från mottagen ljudpuls. Tänk på att ultraljudstransducern är avbrott för likströmmar, se till så att det finns likströmsväg för förströmmar in till OP. 1 kristaller där laddningar förskjuts och ger upphov till en elektrisk spänning när kristallen utsätts för mekaniskt tryck. Även det omvända förhållandet att kristallen deformeras när den utsätts för en elektrisk spänning gäller. 1(46)

11 Några tips innan du börjar koppla Som du kanske märkte i konstruktionsuppgift 1 finns det risk för självsvängning i förstärkare med hög förstärkning. För att i mesta möjliga mån undvika detta bör du tänka på följande: Koppla med korta kopplingstrådar. Ledningar för matningsspänning och jord bör kopplas i stjärna från kretsarna mot matningspunkten. Undvik framförallt att dra matningsledningar från en storsignalkoppling förbi en koppling som förstärker små signaler. Avkoppla gärna matningsspänningen till jord med en kondensator i storleksordning tiotals nf vid varje krets. Försök separera kretsar med stora signaler, såsom oscillatorn, från kretsar som förstärker små signaler, i detta fall ingångsförstärkaren i mottagaren. Kontrollmät komponentvärden innan du använder dem i din koppling. Koppla upp och mät funktionen allteftersom du kopplar Mät oscillatorns frekvens med oscilloskop. Det gör inte något om spänningen klipps på grund av att operationsförstärkaren bottnar. Det behöver inte vara en snygg sinuskurva men det är viktigt att det är rätt frekvens. Koppla analoga switchen och kretsar för styrsignalerna. Mät signalen före och efter switchen. Om det inte fungerar, mät med oscilloskop att det är rätt spänningar med rätt nivå på alla pinnar på analoga switchen. Använd DC-kopplad ingång på oscilloskopet så att du ser likspänningsnivåer. När du med oscilloskopet mäter signalen mellan analoga switchen och sändartransducern kan den se lite konstig ut när switchen är stängd eftersom ledningen till oscilloskopet då svävar fritt potentialmässigt. När sändarsidan fungerar kan du börja koppla mottagarsidan. Koppla in en liten sinusspänning från funktionsgeneratorn och mät att filter och förstärkare fungerar. Variera frekvensen kring 4 khz och förvissa dig om att maximal förstärkning är vid 4 khz. Mät signaler med oscilloskopet, använd båda kanalerna så att utsänd puls visas på ena kanalen och mottagen puls på den andra. Du kan till exempel trigga oscilloskopets ena kanal på styrsignalen till analoga switchen i sändaren och med den andra kanalen kan du studera signalen i olika delar av sändare och mottagare. På så sätt kan du mäta tidsfördröjningen mellan utsänd puls och mottagen puls. Fråga labhandledare om du är osäker på hur oscilloskopet skall användas. Följ signalen genom kopplingen och verifiera att alla delar fungerar som avsett. Om kopplingen inte fungerar får du tillfälle att träna felsökning. Gör detta rationellt genom att mäta dig fram till felet med hjälp av oscilloskop. Gör eventuella kompletterande mätningar som du kan tänkas behöva för examination X1. Visa kopplingen i funktion för labhandledaren. Liten ledning för redovisningen i X1 (utgående från lärandemålen sid 2-3) Grundnivå Varför blir det instabilt? Förklara hur det kan bli självsvängning i oscillatorn. Hur uppfylls amplitud- och fasvillkor? Verifiera med simulering. Gör en skriftlig dokumentation av konstruktionen och de resultat du uppnått. Högre nivå Värdera hur operationsförstärkarens egenskaper påverkar svängningsfrekvensen. Gör beräkningar och jämför med resultat från simuleringar. Diskutera vilka egenskaper hos de operationsförstärkare du har att tillgå som är viktiga för oscillatorns funktion. Slut på konstruktionsuppgift 2 11(46)

12 Hemlab MOS inlämningsuppgift Mål Målet med denna beräknings och simuleringsuppgift är att förstå MOS-transistorns karakteristik och hur transistorn kan användas för förstärkning. Du löser uppgifterna på egen hand eller tillsammans med dina studiekamrater. Ni får gärna vara flera som löser uppgifterna tillsammans men slutsatser och resultat som lämnas in skall vara skrivna med dina egna ord. All dokumentation som skall lämnas in skall vara egenhändigt skriven av den student som examineras. Resultat från simuleringar som inkluderas får dock vara desamma från flera studenter när det bygger på gemensamt framtagna resultat. Det finns ingen schemalagd tid för lärarhandledning. Skulle du köra fast på någon deluppgift eller behöva hjälp är du naturligtvis välkommen att söka hjälp hos kursens lärare. MOS-modell i SPICE Vi kommer i denna uppgift att använda enklast möjliga modell i SPICE. Det är en Level1-modell som baseras på Shichman-Hodges transistormodell. Det är i princip samma ekvationer som vi använder för handräkning så simulerade resultat bör stämma väl överens med framräknade resultat. De modeller som används vid professionell konstruktion med dagens avancerade tillverkningsprocesser innehåller hundratals parametrar. Den enkla modell du skall använda i dessa uppgifter har följande parametrar.model mosn NMOS Level=1 + VTO=.8 KP=18u LAMBDA=.6 GAMMA=.5 PHI=.6 *$.model mosp PMOS Level=1 + VTO=-.8 KP=6u LAMBDA=.1 GAMMA=.45 PHI=.6 *$ Antag att minsta kanallängd för denna tänkta process är 1 µm. VTO Tröskelspänning då V SB = (V) KP Transkonduktanskoefficient KP k A = = μncox 2 V GAMMA Parameter för bodyeffekt = γ ( V ) PHI Ytpotential för inversion = 2φ f Fermi level φ f =.3 V (V) -1 LAMBDA Kanallängdsmodulation = λ ( V ) Följande symboler används för MOS-transistorer av anrikningstyp i detta lab-pm 1 2 NMOS D PMOS S B G G S B D Hjälp för att komma igång med simuleringen finns i bilaga 4. 12(46)

13 Redovisning Sammanställ en rapport över dina resultat från nedanstående uppgifter: MOS-uppgift 1-3. Inlämning sker via KTH s utbildningssystem för webbaserat lärande, Bilda. Du loggar in via bilda.kth.se eller via länk på kurswebbsidan. I Bilda hittar du ett dokument i "Aktivitetens dokument" som du kan använda för att lägga in dina svar och lösningar på varje uppgift. 1. Hämta word-fil från "Aktivitetens dokument". 2. Lägg in dina svar och klistra in simuleringsresultat efter varje uppgift så att det blir lätt för examinator att hitta. 3. Ändra filnamnet så att ditt namn ingår i filnamnet. Lämna in filen via Bilda. Kursansvarig granskar sedan och skriver kommentarer direkt i wordfilen innan den återsänds via Bilda. MOS-uppgift 1 Analys av en transistor PARAMETERS: L = 1u W = 25u G M1 D L = {L} V_DS 1.5Vdc V_GS mosn W = {W} 1.5Vdc Om beräknade och simulerade värden inte stämmer överens skall du försöka hitta felet och korrigera det. a b Beräkna för hand strömmen I D och småsignalparametrarna g m and r o i vilopunkten för transistor och spänningar enligt figuren ovan (W/L=25, V GS = 1,5 V och V DS = 1,5 V). Gör en simulering (Bias Point) och bestäm I D, g m och r o från utfilen. Jämför med de värden du beräknat för hand. (r o =1/g o =1/GDS från utfilen) c Gör ett likspänningssvep med V_GS från V till 2 V och rita I D som funktion av V GS. Bestäm ett värde på transkonduktansen ur lutningen på kurvan i vilopunkten. Jämför med beräknat värde. d Gör ett nästlat likspänningssvep så att du får I D som funktion av V DS från V till 3 V för olika V GS från.7 V till 1.5 V med steg.1 V. Ange V DS som primary sweep och V GS som secondary sweep. Markera de punkter på kurvorna där MOS-modellen ändras från linjära området till mättnadsområdet. Det går att lägga in etiketter med hjälp av markören för att markera punkterna (Plot / Label / Mark): Cursor och mark label Kurvan skall bli liknande figur 8.11 i läroboken. 13(46)

14 MOS-uppgift 2 Analys av ett enkelt förstärkarsteg (CS-steg) VDD RD G M1 D L = 1u V_DD 3Vdc VOFF = 1.5V VAMPL =.1V FREQ = 1Hz AC =.1V DC = 1.5V V_GS mosn W = 25u Om du använder VSIN som inspänningskälla kan du tilldela attributen DC och AC värden så att likspänningsvärde och inspänning för AC-analys definieras. VOFF, VAMPL och FREQ definierar en sinusspänning som funktion av tiden för transientanalys. Förstärkarens ingång är till Gate och utgången är från Drain. a Dimensionera R D så att du får samma vilopunkt som i uppgift 1. Matningsspänning V DD = 3 V. b Beräkna småsignalförstärkningen från gate till drain med värdet på R D enligt a. c Gör en simulering av Bias point och beräkna överföringsfunktionen för småsignalspänning från gate till drain (dvs. spänningsförstärkning) genom att markera TF (Transfer Function) i simuleringsinställningen. Resultatet hamnar i utfilen (PSpice / View Output File). d Bestäm spänningsförstärkning för småsignaler med en AC-analys. Tänk på att använda en inspänningskälla med AC-komponent. e Anslut en sinusformad spänning på ingången och kör en transientanalys. Rita kurvor för V(G) och V(D) samt bestäm spänningsförstärkningen från gate till drain. f. Bestäm med transientanalys utspänningen för olika amplituder på insignalen till dess att utspänningen klipps. Kommentarer? g. Beskriv kortfattat skillnaden mellan de modeller för transistorn som PSpice använder vid simuleringar enligt AC-analys respektive transientanalys. 14(46)

15 MOS-uppgift 3 Analys av ett CS-steg med aktiv last Du skall analysera följande förstärkare a. Gör ett likspänningssvep och simulera överföringskarakteristiken för förstärkaren. Bestäm spänningsförstärkningen från nod In till nod Ut i den punkt på kurvan där förstärkningen är störst. Observera att du, på grund av att överföringsfunktionen är så brant, kan vara tvungen att simulera med väldigt små steg och begränsa simuleringen till den del av kurvan som är intressant. b. Bestäm med simulering gränserna i överföringskarakteristiken där transistorerna M1 och M2 ligger i mättade området (saturated). Hur stort är detta område i volt? Hur användbart är det att använda denna förstärkare som den är? c. Välj lämplig DC-nivå på inspänningen så att steget arbetar längs den del av överföringskarakteristiken där förstärkningen är maximal. Gör en simulering av Bias point med Transfer Function där du bestämmer småsignalförstärkning samt in- och utresistans. Resultatet finns i utfilen efter simuleringen. d. Gör en småsignalmodell av förstärkaren som är giltig giltig i den vilopunkt du valt i c och beräkna ur denna småsignalförstärkning samt in- och utresistans. Jämför med motsvarande simulerade värden. Ledning: Ta bara med de delar av transistorernas signalmodeller som är relevanta för signaler. En transistor som har signalspänning på gate har transkonduktans och utresistans med i signalmodellen. Är det inte någon signalspänning på gate försvinner spänningsstyrda strömgeneratorn ur transistorns signalmodell. Utresistansen i transistormodellen skall finnas med om det finns signalström i transistorn eller signalspänning på drain. I denna koppling finns det ingen yttre belastningsresistans ansluten till transistor M1 så den signalmässiga belastningen kommer att bestämmas av transistorernas utresistans. e. Undersök om kopplingen ovan kan användas som förstärkare om en resistor R f med resistansvärdet 1 kω kopplas enligt figuren. C antas vara stor. Ger kopplingen en vilopunkt som garanterar att transistorn arbetar i mättade området? Rita signalschema för den föreslagna förstärkaren och härled uttryck för småsignalförstärkningen U U ut in samt beräkna värdet på förstärkningen. Verifiera med simulering. 1 μa C + U in - V DD M 1 M 2 R f M 3 + U ut - 15(46)

16 Lab 3 Konstruktionsuppgift 3 Videoförstärkare Introduktion Du skall i denna uppgift dimensionera en förstärkare med bipolartransistorer. Du får en inblick i hur man kan konstruera en motkopplad flerstegsförstärkare. Du lär dig att dimensionera en koppling, verifiera med simulering och utvärdera den färdiga förstärkaren med mätningar. När du gör en simulering är det viktigt att kunna bedöma att det resultat datorn ger är rimligt, därför skall du jämföra simulerat resultat med handräknat resultat. Uppgift Du skall använda transistorarray LM346 samt eventuellt en PNP-transistor BC557B. Transistorarrayen är en krets som innehåller fem stycken bipolartransistorer som sitter på samma chip. I och med att de tillverkas samtidigt blir transistorerna väldigt lika varandra. Förstärkaren skall kunna förstärka en signal i frekvensområdet -5,5 MHz (videofrekvens). Induktorer och kondensatorer är inte tillåtna i förstärkarkopplingen! Avkopplingskondensatorer på matningsspänningen är däremot tillåtet och rekommenderas (storleksordning nf). En mindre kondensator (tiotals pf) för att begränsa övre gränsfrekvensen är också tillåten om den behövs av stabilitetsskäl. VCC Som utgångspunkt kan du använda följande koppling: R1 1k In VCC R2 1k PC21 Q21 CA346 RC1 1k RC2 1k PC22 Q22 CA346 PB3 C5 1p RE3 1.k PE3 Q3 QBC557B PC3 PB23 R7 1k Q23 CA346 PE23 R8 1k PB24 CA346 PE24 VCC Q24 R9 1k C1 1u C4 1u Ut C2 1n C3 1n VEE VCC 5Vdc VEE 5Vdc Q14 CA346 Q13 CA346 CA346 Q11 Q15 R4 1k R3 1k VEE R5 82 CA346 I schemat är kopplingar mellan differentialförstärkarsteget på ingången och emitterföljaren på utgången utelämnade. Dessa skall du själv lägga till beroende på vilken koppling du kommer att använda. Du väljer själv med vilken svårighetsgrad du löser uppgiften 1 Tvåstegsförstärkare: Diffsteg på ingången + emitterföljare på utgången Denna koppling får inte så hög råförstärkning så det kan innebära lite större problem att definiera förstärkningen med återkopplingsfaktorn R7, R8. 2 Trestegsförstärkare: Diffsteg på ingången + CE-steg (PNP) + emitterföljare på utgången Denna koppling kommer att få en relativt hög råförstärkning vilket är positivt när den återkopplas. Det extra förstärkarsteget kan dock introducera ytterligare en pol (-1 brytpunkt) som kan försämra stabiliteten. Om stabilitetsmarginalerna blir för små kan kopplingen stabiliseras med att en dominerande -1 brytpunkt läggs in med C5. Svårighetsgrad 2 kan höja betyget på laborationskursen om det är väl genomfört. Du skall för högre betyg i din rapport speciellt ta fasta på inlärningsmål om ingående komponenters inverkan och att analysera kopplingens stabilitetsmarginaler samt stabilisera av förstärkaren. Återkopplingen sker från emittern på Q24 så R9 ligger utanför den motkopplade förstärkaren. 16(46)

17 Ovanstående schema kan du ladda ned från kurswebben som utgångspunkt för dina simuleringar med PSpice. Kravspecifikation Spänningsförstärkning 22,3 db (obelastad) Matningsspänning ± 5 V Inresistans 5 Ω Utresistans 75 Ω Förstärkaren skall klara spänningssvinget 1 V tt (topp-till-topp) i 75 Ω last på utgången. DC-offset mindre än ±5 mv på utgången, dvs. U UT < 5 mv då U IN = V. Övre gränsfrekvensen skall vara så hög som möjligt utan att förstärkaren blir instabil, men helst större än 1 MHz. Z är anslutningskablarnas karakteristiska impedans, dvs. den impedans som gäller mellan spännings- och strömvåg på kabeln. Om kablarna avslutas med en last som är lika med kabelns karakteristiska impedans blir det inga reflektioner av spänningsvågen på kabeln, man säger att belastningsimpedansen är anpassad till kabeln. Observera att förstärkningen halveras när förstärkaren belastas med 75 Ω. Genomförande Förberedelse Mönsterkort (se bilaga 6) kommer att finnas tillgängligt till lab. Punkterna 1 och 2 under rubriken genomförande nedan skall vara klarade före lab så att du har en konstruktion vars funktion är verifierad med simulering när du kommer till lab. Skriv den delen av rapporten färdig före lab så att endast mätresultat behöver kompletteras till rapporten vid labtillfället. Har du inte gjort förberedelserna får du inte börja löda. Använd checklista enligt bilaga 7. Tänk på att vi har E12-serien (se bilaga 2) av resistorer i labsalen. Dessutom finns 5Ω och 75Ω tillgängligt. Några praktiska anvisningar Lödning av transistorarrayerna på mönsterkortet sker i labsalen enligt lärares anvisning. Använd helst de metallfilmsmotstånd vi har med 1% tolerans. Det kan vara lite blandat i lådorna men de 1%-iga motstånden har en turkosblå bakgrundsfärg med svårtolkad färgkod. Kontrollmät resistansen innan du löder fast komponenten! 17(46)

18 Genomförande, punkt 1 och 2 skall vara gjorda innan du kommer till laborationen 1 Utgå från det givna schemat och komplettera kopplingen på lämpligt sätt. Du kan behöva bestämma värden på alla resistorer i schemat. Rita ett schema och dimensionera kopplingen för hand innan du börjar simulera. a. Ett lämpligt utgångsvärde på R1 kan vara 5 Ω. När dimensioneringen i övrigt är klar kan värdet eventuellt korrigeras när den verkliga inresistansen kan beräknas eller simuleras. På motsvarande sätt kan R9 inledningsvis sättas till 75 Ω. b. Välj likströmsnivåer och dimensionera strömspeglarna. En lämplig utgångspunkt för värdet på referensströmmen genom R2 kan ligga inom området,1 till 2, ma. Det kan också vara lämplig nivå på viloström i förstärkartransistorerna Q21, Q22 och Q3. Spänningsfallet över R3 och R4 är liten i förhållande till spänningen över R2 så du kan anse att R2 ensamt bestämmer strömmen. Om R3 och R4 är lika stora speglas strömmen i Q14 över så att strömmen genom Q13 får samma värde (U BE lika). Transistor Q15 måste kunna sänka all ström från lasten under negativ halvperiod för att klara utstyrningen. Genom att dimensionera R4 ändrar du strömmen genom Q15, den blir större än strömmen genom Q14 eftersom U BE för Q15 är större. Genom att dimensionera R15 kan du erhålla högre, lägre eller lika stor ström i Q11 jämfört med Q14. Gör du alternativ 1 och inte använder Q3 kan du utelämna R5. c. Se till att signaltransistorerna har vettiga likspänningsnivåer med tanke på önskad utstyrning, dvs. transistorns U CE måste klara spänningssvinget runt vilovärdet utan risk för bottning (saturation). d. Beräkna förstärkarens råförstärkning vid låga frekvenser för hand. 2 Analysera kopplingen med simulering. a. Simulera kopplingen, verifiera med transientanalys att kravet på utstyrning uppfylls och med AC-analys att bandbreddskravet uppfylls. b. Gör en bedömning om kopplingen verkar stabil genom att göra en transientanalys med en fyrkantvåg som insignal och studera stegsvaret på utgången. c. Analysera med simulering (AC-analys) småsignalförstärkningen för ingående steg genom att bryta upp återkopplingsslingan enligt anvisningar nedan. Obs, vilopunkten måste vara densamma så att småsignalparametrarna är desamma. Jämför resultatet med vad förstärkningen borde vara enligt beränade värden. Värden på småsignalparametrar kan du hämta från utfilen. (Kom ihåg att markera Include detailed bias point information... i simuleringsprofilen.) d. Om du i punkt b ovan kommit till slutsatsen att det finns stabilitetsproblem skall du med AC-analys beräkna stabilitetsmarginalerna och stabilisera kopplingen om det behövs. Bilaga 6 ger tips om hur du bryter upp återkopplingsslingan för att undersöka råförstärkningen (open loop gain). 3 Löd ihop en prototyp när simuleringen visar att du uppfyller specifikationen tillräckligt bra. 4 Utvärdera med mätningar (signalgenerator, oscilloskop) att förstärkaren fungerar som avsett och klarar kravet på förstärkning, bandbredd och utstyrning. Jämför med simulering. Koppla ett avslutningsmotstånd 75 Ω så att du belastar förstärkaren på utgången. a. Mät likspänningsnivåer i vila (utan ansluten signal) i kopplingen och jämför med simulering. b. Mät förstärkning vid cirka 1 Mhz, öka sedan frekvensen och mät gränsfrekvensen. Använd signalgenerator och oscilloskop. Mät att förstärkaren klarar kraven på utstyrning utstyrning. 18(46)

19 c. Gör ett mättest för att försöka uppskatta stabiliteten hos förstärkaren, till exempel genom att ansluta fyrkantvåg på ingången och studera översvängar på utsignalen. 5 Koppla en videokamera med dämpad videosignal till din förstärkares ingång samt en TVmonitor till utgången och granska bildkvalitén. 6 Om du sammanställt dina dimensioneringar, beräkningar och simuleringar på ett överskådligt sätt kan din laboration godkännas vid laborationstillfället. Är detta inte uppfyllt skall laborationen redovisas i en rapport som lämnas in. Några tips... Generella råd: Ökad likström I CQ ger lägre inresistan r π, lägre utresistans r o och högre transkonduktans g m ICQ U RC Om förstärkning beror av faktorn gmr = c Rc V = T V kommer förstärkningen att bestämmas T av likspänningen över R C. Transistorns småsignalparametrar kan uppskattas utifrån viloström, datablad eller från simulering. Även transistorns interna kapacitanser beror av vald viloström men det ligger lite utanför denna kurs... Lösningsalternativ 1: Diffsteg + emitterföljare (eventuellt darlingtonkopplad) Totala råförstärkningen är förstärkning för differentialsteget och förstärkning för emitterföljaren. Du måste eventuellt ta hänsyn till att emitterföljaren belastar diffsteget. Med darlingtonkopplad emitterföljare höjer du inresistansen på emitterföljaren samtidigt som den drar lägre likström från kollektorn i diffsteget. För att få rätt förstärkning måste du antagligen ändra värde på motkopplingsfaktorn med hänsyn till att du inte har så hög råförstärkning. Vad påverkar övre gränsfrekvensen? Efter en del funderande och analyserande har jag kommit fram till att det är utresistansen R c på diffsteget som verkar begränsande tillsammans med transistorns interna kapacitans C BC. (Ett sätt att testa det är att eliminera transistorns kapacitans genom att gå in och modifiera modellen för den transistorn. Du skall i så fall skapa en modifierad kopia av transistormodellen som gäller enbart den transistor du vill undersöka.) Man kan då tänka sig att en sänkning av R c skulle öka gränsfrekvensen, vilket det också gör på bekostnad av lägre förstärkning. Förstärkning gånger gränsfrekvens är konstant om det endast är en pol inblandad. Nu verkar det inte vara något problem att uppnå övre gränsfrekvensen med denna koppling. Däremot blir råförstärkningen inte så stor vilket måste kompenseras med ändrat beta. Detta är inte helt bra eftersom motkopplingens fördelar då inte fullt utnyttjas. Kopplingen kommer antagligen att vara stabil utan tendens till självsvängning. Lösningsalternativ 2: Diffsteg + CE-steg + emitterföljare (ev. två stycken emitterföljare) Här finns det möjlighet att öka råförstärkningen. Stabiliteten kommer dock att försämras eftersom ytterligare poler införs i slingförstärkningen. Du som ger dig på denna koppling kommer antagligen inte att klara kravet på övre gränsfrekvens. Det som blir det intressanta med denna uppgift är istället att undersöka stabilitetsmarginalerna för kopplingen och att stabilisera förstärkaren. Det kommer dock att ske till priset av lägre bandbredd. Det är inte alltför ovanligt att behöva göra avvägning mellan olika krav. Förbättrar man någon del kan en annan del försämras. Om kravet på bandbredd är viktigt kan man generellt sett undersöka om en annan topologi på förstärkaren skulle vara bättre. Nu är det så i denna konstruktionsuppgift att vi har begränsade möjligheter att testa olika konstruktionslösningar. Vi får alltså hålla oss till givet kort att bygga förstärkaren på 19(46)

20 och se till att en stabil förstärkare byggs (minst 45 graders fasmarginal) och acceptera att övre gränsfrekvensen blir lägre än önskat. Totala råförstärkningen vid låga frekvenser kommer att bestå av differentialsteget, GE-steget med PNP-transistorn och emitterföljare. Hänsyn kan behöva tas till att det finns belastningar mellan stegen som sänker förstärkningen. Förstärkningen för GE.steget kan vara lite knepigt att bestämma men du kan följa följade riktlinjer: Beloppet på förstärkningen för GE-steget är approximativt R c /R E. R E är en synlig resistor men vad är R C? Totala signalbelastningen vid kollektorn på Q3 består av transistorns egen utresistans parallellt med utresistansen hos strömspegeltransistorn Q11 och parallellt med inresistansen till emitterföljaren på utgången. Några tips om att bestämma slingförstärkning (loop gain) genom simulering: Om man bryter upp slingan för att bestämma βa finns det två problem: 1. DC-inställningen rubbas så att transistorernas småsignalparametrar blir felaktiga. 2. Den belastning som små signaler känner i nätet blir annorlunda än vad som gäller i sluten slinga. Det finns metoder att bestämma slingförstärkning utan att bryta upp slingan. Två sådana metoder finns beskrivna i Sedra/Smith, Microelectronic Circuits i avsnitt De kräver emellertid att kretsen dubbleras vilket ger en krets som inte går att simulera i studentversionen av PSpice, som klarar max tio transistorer. Jag föreslår att du använder följande approximativa metod: 1. Bryt upp slingan mellan spänningsdelaren β och basen till Q Anslut en likspänningskälla i serie med en resistor med värdet R7//R8 från jord till basen på Q12 och se till så att spänningskällan har ett värde så att likspänningen på basen till Q12 är densamma som innan slingan öppnades. Q12 CA mVdc Alla DC-nivåer i hela kopplingen skall nu vara desamma som innan slingan öppnades och signalimpedansen till basen på Q12 är approximativt densamma. Det kan se ut ungefär som i figuren. Du får naturligtvis ett annat värde på likspänningskällan och kanske även på resistorerna. Med uppbruten slinga skall likspänningsnivån på utgången (emittern på Q24) vara nära V. När motkopplingen sluts kommer motkopplingen att tvinga spänningen på utgången till V (eller nära V) eftersom vi har V in. Med uppbruten slinga enligt ovan har du följande ekvivalenta nät: Insignalkälla R g Råförstärkning A vo Q 11,Q 12,...,Q 21 In Återkoppling β R 8 Beta R5 923 V3 Beta R7 1k R8 12k Ut U g Rin R 5 = R 7 //R 8 R 7 återkopplingsnätets belastning på ing. Slingförstärkningen= V( Beta) V( In) Slut på konstruktionsuppgift 3 2(46)

21 Bilaga 1 Förberedelseuppgifter på TDA23 Studera datablad för kretsen TDA23 från STMicroelectronics och besvara följande frågor. 1. Vilken är maximalt tillåten matningsspänning för kretsen? 2. Hur mycket ström drar kretsen från matningsspänningen i vila (quiscent), dvs. när den inte ger någon ström på utgången? 3. Kretsen kallas inte för operationsförstärkare även om den har en del data som skulle motivera detta. Operationsförstärkare brukar inte kunna driva så stora utströmmar och ge så stor uteffekt som TDA23. Du kan emellertid räkna ut resulterande förstärkning på samma sätt som i en operationsförstärkarkoppling. Motivera detta genom att jämföra förstärkarens data (förstärkning, in- och utresistans) med en ideal operationsförstärkare! 4. Du kommer att använda en förstärkare med komponentvärden enligt figur 13 i databladet. a. Vilken förstärkning kommer förstärkaren att ha som högst mellan undre och övre gränsfrekvensen? b. Det finns två filter i kopplingen som tillsammans bestämmer undre gränsfrekvensen. Beräkna vilka gränsfrekvenser respektive filter ger. Gör en uppskattning av vilken resulterande undre gränsfrekvens förstärkaren får? c. Vilken övre gränsfrekvens får förstärkaren när R5, C8 inte är monterade? 21(46)

22 Bilaga 2 Praktiska tips inför laborerandet I denna bilaga får du en del praktiska tips inför laborerandet. Resistorer (motstånd) Resistorer finns att köpa med olika standardvärden för att förenkla handeln. Vanligast är den så kallade E-serien som täcker in en dekad med samma relativa tolerans inom hela dekaden. Kvoten mellan två efterföljande resistansvärden är lika inom hela serien. För E12-serien, som är den serie vi har i labsalarna, är till exempel kvoten mellan två efterföljande värden Här följer några av de vanligaste sifferserierna för resistorer: E12: Vanligen märks resistorerna med en färgkod som är uppbyggd enligt följande princip. 1:a och 2:a siffran antal nollor tolerans svart 1 brun 2 röd 3 orange 4 gul 5 grön 6 blå 7 violett 8 grå 9 vit svart 1 brun 2 röd 3 orange 4 gul 5 grön 6 blå 7 violett Figur 1 Färgkodning av resistorer 1% brun 2 % röd 5 % guld 1 % silver 2% omärkt Varierbara resistorer finns i form av potentiometrar. Det är i princip en resistor med ett uttag vars läge går att variera längs resistansbanan. Genom att koppla det varierbara uttaget till ena änden på anslutningen erhålls en resistor vars resistans kan varieras. Potentiometern kan också användas som en variabel spänningsdelare. Variabel resistans Variabel spänningsdelare + U - Figur 2 Potentiometer som variabel resistans och variabel spänningsdelare + ku - <k<1 Kondensatorer Kondensatorer finns i storleksordning från pf upp till tusentals µf. Beroende på storleken på kondensatorns kapacitans tillverkas de på olika sätt. Kondensatorer över µf brukar vara av typen elektrolytkondensator. Det isolerande skiktet mellan kondensatorplattorna består av ett tunt oxidskikt vilket ger hög kapacitans. Den ena elektroden är kondensatorns hölje som brukar bestå av aluminium eller tantal. Den andra elektroden består av en elektrolyt inuti kondensatorn. När du använder elektrolytkondensatorer skall du tänka på att den är polariserad med en pluspol och en minuspol. I kopplingar där likspänning hamnar över kondensatorn måste den vändas rätt så att det är högre potential på pluspolen än minuspolen. Om den vänds fel så kan oxidskiktet förstöras med följd att det blir kortslutning i kondensatorn. Den kan då i värsta fall explodera med en mycket skarp knall samtidigt som dess innehåll sprids ut. Varning alltså för att vända elektrolytkondensatorer fel! 22(46)

23 Matningsspänning Med enkelmatning menas att vi har en enkel matningsspänning relativt jord. Med dubbelmatning menas att vi har både positiv och negativ matningsspänning relativt jord. Operationsförstärkaren har följande anslutningar: plusingång, minus-ingång, utgång samt två anslutningar för matningsspänning. En fråga många ställer sig är om en viss operationsförstärkare kan drivas med enkelmatning när det i databladet till exempel anges matningsspänning ±15V. Frågan är egentligen irrelevant eftersom operationsförstärkaren inte har någon anslutning för jord. Det går att köra vilken operationsförstärkare som helst på enkelmatning, symmetrisk eller osymmetrisk dubbelmatning så länge som totala spänningen mellan operationsförstärkarens två anslutningar inte överstiger vad den maximalt tål eller understiger de nivåer inom vilken funktion garanteras! Följande figur visar enkel respektive dubbel matningsspänning. Sett från operationsförstärkaren är det samma storlek på matningsspänningen i de två fallen. +3 V Enkelmatning Dubbelmatning +15 V Figur 3 V -15 V Spänningar relativt systemjord Enkel och dubbel matningsspänning till operationsförstärkaren Spänningsaggregat I en färdig konstruktion byggs i regel spänningsaggregatet in i konstruktionen på något sätt. I labmiljö använder vi i regel fristående spänningsaggregat. Som nybörjare kan du eventuellt ställas inför problemet hur du kopplar för att få dubbelmatning till din koppling. Vissa spänningsaggregat har varierbar plus- och minuspänning med gemensam nollpunkt. I det fallet är det lätt att koppla in matningsspänning till din koppling. Andra spänningsaggregat har åtskilda spänningar som kan varieras var för sig. Då är de olika spänningarna potentialmässigt frisvävande i förhållande till varandra och måste kopplas ihop för att ha en gemensam nollpunkt. Följande figur visar exempel på hur du kopplar. +15V + 15V - V + 15V - Figur 4 Hopkoppling av nollpunkt på spänningsaggregat Jordning -15V Den klassiska definitionen på jord är en ekvipotentialpunkt som tjänar som referens för en krets eller system. Med jordning menas alltså att vi har en gemensam nollpunkt i kopplingen. I praktiken är detta inte riktigt sant eftersom det går returströmmar i jordledaren. Dessa strömmar kan ge upphov till spänningsfall utefter jordledaren. Följande figur visar hur returströmmar i jordledaren kan ge upphov till störspänningar på jordanslutningen till kopplingar. E + Signalkälla Förförstärkare Effektförstärkare Högtalare R R R R Figur 5 Varierande potential på grund av ledningsresistans R= Ledningsresistans Returströmmar kan orsaka varierande jordpotential Stor signalreturström i jordledning 23(46)

24 Vid signalkällan är spänningen liten och en störspänning kan lättare påverka signalspänningen. I effektförstärkarsteget och högtalaren är strömmarna stora. Om de går genom jordledaren förbi signalkälla och förförstärkare tillbaka till matningsspänningen E ger de en varierande jordpotential. I just detta exempel finns det också risk för rundgång eller självsvängning om förstärkningen är tillräckligt hög. Schemaritning När du har dimensionerat en konstruktion, som du vill koppla upp för att testa, skall du naturligtvis rita upp ett schema för kopplingen. Använd schemasymbolen när du ritar kopplingsschema och skriv ut nummer för anslutningsben. Rita absolut inte av kapseln i ditt kopplingsschema! Använder du OrCad Capture för schemaritning får du bennummer automatiskt angivna. Finns det flera likadan förstärkare i samma kapsel (LM324, TL74) så kan du ange vilken krets du använder (A,B,C,D). a) b) Icke inverterande ingång Inverterande ingång 3 2 V V- 6 Utgång Offset null Inv ingång Icke inv ingång V- DIL-kapsel 1 8 NC 2 7 V Utgång 4 5 Offset null NC= No Connection (anslutningen används inte) Figur 6 Symbol (a) och kapsel (b) för operationsförstärkaren 741 Ben ett brukar markeras på kapseln med en urfasning på den sidan, en ring eller bådadera. Den DIL-kapsel (Dual-In-Line) som visas i figuren ovan är den vanligaste kapseln för hålmontering. Anslutningarna för Offset null på 741 används för att trimma bort eventuell offsetspänning och behöver inte användas i din koppling. Ange bennummer för kretsarna i schemat. På så sätt kan du enkelt hitta rätt anslutning utan att behöva slå upp kapselns anslutningar i datablad medan du felsöker och mäter på kopplingen. I labsalarna finns följande komponenter tillgängliga Operationsförstärkare μa741 känner du redan till, 8 pinnars DIL-kapsel LM324 innehåller fyra OP i en 14 pinnars DIL-kapsel TL74 lite snabbare OP, pinkompatibel med LM324 Du klarar dig bra med μa741 eller LM324 till konstruktionsuppgift 1 men kan behöva använda TL74 i konstruktionsuppgift 2. Resistorer 1 ohm till 1 Megaohm i E12-serien ( ) Kondensatorer 1 pf till 82 pf i E12-serien 1 nf till 68 nf i E6-serien ( ) 1 µf 2,2 µf 3,3 µf 4,7 µf 1 µf 22 µf 33 µf 47 µf 1 µf 24(46)

25 Prototypbyggen En labkonstruktion eller prototypuppkoppling har som syfte att vara en tillfällig uppkoppling för att testa att en konstruktionsidé fungerar i verkligheten och för att mäta upp prestanda. Det är därför viktigt att det enkelt går att modifiera kopplingen när mätningar visar att förändringar måste genomföras. Vi använder kopplingsdäck för att göra en testuppkoppling: Kontakt hela raden lämpligt för matningsspänning Kontakt kolumnvis Figur 7 Kontaktrader på kopplingsdäcket På vissa kopplingsdäck har inte listerna för matningsspänning kontakt hela vägen. Finns det ett större mellanrum i mitten kan du misstänka detta. När du förbinder olika kretsar och komponenter med kopplingstrådar kan det vara praktiskt att variera färgerna så att det är lättare att följa signalvägarna. För att minska risken för att förväxla anslutningarna till matningsspänningen är det lämpligt att använda röd färg på kopplingstråd till den positiva matningsspänningen och använda svart färg på kopplingstrådar för jordanslutningen. Felsökning Eftersom du har en viss ovana med att koppla på kopplingsdäck kan du möjligen råka ut för att kopplingen till inte fungerar direkt. Om det blir så skall du inte misströsta, det ger dig ett utmärkt tillfälle att lära dig att felsöka en koppling. Sedan tidigare har jag lagt märke till att man har lite olika strategier när det uppstår fel. Det verkar vanligt att riva allt och koppla upp igen, med följd att man kanske gör samma misstag igen utan att ha lärt sig något av misstaget. Grundprincipen för felsökning är att du skall mäta dig fram till felet med hjälp av oscilloskopet. Mät matningsspänning direkt vid kapseln (DC-kopplad ingång). Mät inspänning och följ signalen. Mät spänningar på kretsens anslutningsben och förvissa dig om att de är korrekta. Mät spänningen på operationsförstärkarens båda ingångar, är dessa olika är det något fel på återkopplingen. Oscilloskopet är det viktigaste mätinstrumentet för dig som elektronikingenjör. Utnyttja varje tillfälle att förkovra dig i användningen av oscilloskopet! Tänk på att oscilloskopen alltid ACkopplar när du trycker på gröna knappen (AUTOSET), DC-koppla om du vill mäta hela spänningen! 25(46)

26 Bilaga 3 Simulering av OP förstärkarkoppling med PSpice PSpice Ett simuleringsexempel med OP-förstärkare CD för att installera OrCad PSpice i Windows-miljö kan du låna av kursansvarig. Alternativt kan du ladda ned PSpice via kurswebben (298 MByte). Vi använder version 9.2 i kursen. Några tips till att börja med 1. Undvik att använda åäö i namn på konstruktioner, simuleringsprofiler etc. eftersom det kan ge problem för programmet att tolka namnen på de filer som skapas. 2. AC-analys ger frekvenssvep. Transientanalys ger kurvor som funktion av tiden. 3. Spänningsgeneratorer specificeras olika för olika typer av simulering. Därför finns det flera spänningsgeneratorer som definierar inspänning. VDC ger enbart likspänning VAC för AC-analys (även DC-värde) VSIN sinusspänning för transientanalys, det går även att specificera AC-värde för ACanalys samt DC-värde för likspänningsberäkning. Värden för generatorn specificeras med hjälp av egenskaper (properties) i den symbol du använder. 4. Om du kör om en simulering får du upp ett blankt diagramfönster (Probe window). Vill du slippa mata in allt på nytt och rita diagrammet för samma som i föregående simulering kan du göra Window / Display Control Markera LAST SESSION och tryck på Restore 5. Diagram kan enkelt kopieras över till Word med Window / Copy to Clipboard, klistra därefter in bilden i Word. Även scheman går bra att kopiera över till Word. Markera schemat, kopiera och klistra in. 6. Finns det flera likadan förstärkare i samma kapsel (LM324, TL74) så kan du ange vilken krets du använder (A, B, C eller D) i Part Reference, exempel U1A, U1B,... Växelspänningsförstärkare med OP Detta exempel visar hur en operationsförstärkare motkopplas med frekvensberoende återkopplingsnät. Resulterande förstärkning kommer då att variera med frekvensen. Vi kommer att göra följande beräkningar AC-analys (frekvenssvep) E+ Transientanalys (tidssvep) Vi kommer att rita vidstående schema i detta exempel. 1Vac Vdc V1 In C1 1u R1 1k In_OP ua U V+ V- 4 E- OS2 OUT OS1 R Ut 15Vdc 15Vdc E+ V2 V3 R2 1k 1k E- C2 1u 26(46)

27 Starta Orcad Capture. Capture är schemaritningsprogrammet Välj File / New / Project Ange namn på den konstruktion du vill simulera, ange sökväg till den katalog du vill använda för alla filer som skapas samt se till att Analog or Mixed A/D är markerad. Jag väljer att kalla min konstruktion för OP_ex. Normalt när du börjar ett nytt projekt så öppnas en blank schemasida i Capture. Öppnar du ett befintligt projekt brukar sidan inte öppnas automatiskt. Du kan då öppna genom att dubbelklicka på schemasidans namn, i detta fall PAGE1, i projekthanteringsfönstret. Första gången du använder PSpice måste du ange vilka bibliotek du vill använda. Gör Place / Part och markera alla bibliotek i katalogen PSpice. Kortfattad beskrivning av biblioteken ABM Analog Behavioral Modeling, matematiskt beskrivna överföringsfunktioner Analog analoga grundkomponenter som R, L, C, beroende generatorer,... Breakout Symboler för halvledarkomponenter, modeller måste läggas till Eval här finns ett urval halvledarkomponenter med färdiga modeller Source här finns olika typer av generatorer för att generera insignaler Special symboler som inte passat in någon annanstans För halvledarkomponenter och operationsförstärkare måste det finnas givna parametervärden eller kretsbeskrivningar som beskriver modellen som används vid simuleringen. Dessa modeller finns i en egen textfil ( vanlig filtyp är.lib) och måste kopplas till symbolen. I detta exempel används färdiga simulerbara symboler. Observera att det finns andra symbolbibliotek i andra kataloger. Dessa är inte simulerbara i PSpice utan är enbart schemasymboler avsedda för att rita mönsterkortlayouter. 27(46)

28 Vi börjar nu med att rita schemat ua741 E+ 1Vac Vdc V1 In C1 1u In_OP R1 1k 3 2 U V+ V- 4 OS2 OUT OS Ut 15Vdc E+ V2 E- R3 15Vdc V3 R2 1k 1k E- C2 1u Kortfattad beskrivning av vilka kommandon du använder när du ritar schemat Place / Part R, C Library: ANALOG UA741 Library: EVAL VDC, VAC Library: SOURCE Place / Ground Library: SOURCE Place / Power VCC_CIRCLE Library: CAPSYM Döp om till E+ respektive E-, enligt schemat ovan. Om två noder i ett schema har samma namn anses de hopbundna och du slipper dra ledningarna för matningsspänning rakt in i schemat. Övriga ledningar kan du ge ett lämpligt namn så är det lättare att hitta för vilken nod spänningar skall visas efter simuleringen Place / Net Alias In, Ut respektive In_OP Det måste finna en nod som har namnet, som definierar referens för alla spänningar. Jordsymbolen med namnet kan vara lite svår att hitta. Om du inte hittar den kan du vara tvungen att lägga till ett bibliotek. Efter Place / Ground gör du Add Library och markerar filen source.olb i mappen PSpice. 28(46)

29 När schemat är färdigritat är det dags att skapa en simuleringsprofil. PSpice / New Simulation Profile Det finns några olika typer av simulering att välja mellan: Time domain (Transient) ger kurvor som funktion av tiden. Här används komponentens ekvationer, så olinjära egenskaper hos komponenten karakteristik kommer att påverka kurvorna. DC sweep AC sweep / Noise Bias point ger en likspänning som sveper med angivet steg över ett spänningsområde. ger ett svep över ett frekvensområde, linjärt eller logaritmiskt. En linjär modell kring likspänningspunkten används. beräknar likspänningar och likströmmar i nätet. Simulering med AC-analys I detta fall önskar vi rita förstärkning i db och ha logaritmisk frekvensskala. I AC Sweep under Analysis / Setup... väljer vi ett bestämt antal punkter per dekad. Beräkningspunkterna blir då jämnt fördelade i en logaritmisk frekvensskala. Starta simuleringen! PSpice / Run alternativt tryck på Play-knappen på knappmenyn i schemaritningsprogrammet. När simuleringen är klar, och om den går igenom utan fel, öppnas ett fönster (Probe window) för att du ska kunna rita kurvor och studera simuleringsresultatet. Trace / Add Trace 29(46)

30 Den spänning (eller ström, effekt) som skall visas kan du välja i vänstra delen av fönstret och med hjälp av funktionerna i högra delen kan du bygga upp ett uttryck eller funktion av spänningar och strömmar från nätet som simulerats. DB() beräknar db av beloppet, samma som 2*LOG1() Ex: DB(V(UT)/V(IN)) P() beräknar fas, Ex: P(V(UT)/V(IN)) Anger man bara V(UT)/V(IN) ritas beloppet, samma som M(V(UT)/ V(IN)) När diagrammet skall ritas använder vi funktionen DB(V(Ut)/V(In)) för att beräkna och rita förstärkning i decibel mHz 1.Hz 1Hz 1Hz 1.KHz 1KHz 1KHz 1.MHz DB(V(UT)/V(IN)) Frequency Standardinställningen för hur diagram med logaritmiska axlar ritas är i mitt tycke inte bra eftersom det ger en gradering i logaritmisk skala mitt emellan jämna tiopotenser. Mellan 1 och 1 Hz ges således en prickad linje vid 3 Hz (log 3 =,48, därför hamnar strecket strax under mitten av dekaden) Om du ändrar graderingen på x-axeln under Plot/Axis Settings i fliken X grid till följande så kan du få ett diagram med följande gradering, vilket torde se lite bättre ut mHz 1.Hz 1Hz 1Hz 1.KHz 1KHz 1KHz 1.MHz DB(V(UT)/V(IN)) Frequency 3(46)

31 Vill du även rita faskurvan kan du få den genom att rita kurva för P(V(Ut)/V(In)) istället. Faskurvan kan ritas i samma diagram med med olika axlar för belopp och fas. Plot / Add Y Axis och Trace / Add Trace P(V(UT)/V(IN)) d 2 d -1d -2-4 >> -2d 1mHz 1.Hz 1Hz 1Hz 1.KHz 1KHz 1KHz 1.MHz 1 DB(V(UT)/V(IN)) 2 P(V(UT)/V(IN)) Frequency eller i olika diagram Plot / Add Plot to Window och Trace / Add Trace P(V(UT)/V(IN)) 4 SEL>> -4 18d DB(V(UT)/V(IN)) d -19d 1mHz 1.Hz 1Hz 1Hz 1.KHz 1KHz 1KHz 1.MHz P(V(UT)/V(IN)) Frequency Transientanalys Vill du istället göra en simulering där spänningar och strömmar i nätet beräknas som funktion av tiden skall du göra på följande sätt: Byt insignalgeneratorn VAC till VSIN. VOFF = V VAMPL =.1V FREQ = 1Hz V4 AC =.1V VOFF är sinusspänningens likspänningsnivå (offset). VAMPL är sinusspänningens amplitud FREQ är sinusspänningens frekvens. Observera att du inte skall ange något mellanslag mellan värde och enhet. AC=.1V är inspänning för AC-analys. Generatorn VSIN kan alltså användas även för ACanalys. 31(46)

32 Sätt upp en ny simuleringsprofil. Man kan ha flera simuleringsprofiler så att du inte behöver ändra hela tiden när du har flera alternativa simuleringar som du behöver växla mellan. Minska Maximum step size om det är för glest mellan ritpunkterna så att kurvan inte ser jämn ut. Defaultvärdet, om man inte anger Maximum step size, är 1/5 av sluttiden. Beräkningen sker tätare än step size, men värden på strömmar och spänningar i nätet sparas med angivet tidssteg. Kör en simulering: 2.V 1.V V -1.V -2.V s 2ms 4ms 6ms 8ms 1ms V(UT) V(IN) Time Som synes är utspänningen förstärkt och i fas med inspänningen. När du vill rita upp en spänning i en nod eller ström i en anslutning kan du lägga upp en Voltage / Level marker i schemat, så ritas kurvan upp direkt efter simulering. Finns på PSpice / Markers menyn eller direkt med en av knapparna. Kurvan ritas med samma färg som markören har i schemat. 32(46)

33 Slutligen några tips om att hantera flera varianter av samma konstruktion. Det är ganska vanligt att man vill göra några modifieringar i schemat och samtidigt vill behålla den gamla. Istället för att skapa nya projekt kan man hantera flera scheman i samma projekt. Projektfönstret ser nu ut på följande sätt. Låt oss döpa om nuvarande schema till Ex1 och skapa en likadant schema som heter Ex2. Markera SCHEMATIC1, högerklicka och rename. Ändra namnet till Ex1. Markera.\op_ex.dsn, högerklicka och New Schematic. Namnge det till Ex2. Markera sedan Ex2, högerklicka och New page. Projektfönstret ser nu ut så här. Du kan nu markera hela kretsen i schemat för Ex1, kopiera och klistra in den i schemat i Ex2 samt göra önskade ändringar. För att kunna köra Ex2 måste det schemat aktiveras. Markera Ex2, högerklicka och välj Make Root. (Du kan eventuellt få ett påpekande om att spara konstruktionen innan det går att göra den till rot-katalog) När du skapar simuleringsprofiler för det nya schemat är det enkelt att låta profilen ärva (inherit) alla inställningar från det tidigare schemats profiler. 33(46)

34 Vanliga fel som kan inträffa (hittar du andra; vänligen dokumentera det så kan jag ta med det i nästa version) ett mellanslag mellan värde och enhet/prefix ger följande felmeddelande C_C1 IN IN_OP 1 u $ ERROR -- unknown parameter Det kan tyckas konstigt at programmet inte fixar att tolka detta. Anledningen är att alla properties för en komponentsymbol omvandlas till textrader i den fil som är indata till simulatorn. Formatet på den filen är ett standardformat som härrör från tidiga versioner av SPICE redan på 7-talet. Att det är ett mellanrum tolkas som att det kommer något mer, som i det här fallet inte kan tolkas, på raden som definierar komponenten. En komponenttrad för, i det här fallet, en kondensator ser up på följande sätt C_C1 Cnamn IN IN_OP 1u nod1 nod2 värde Första bokstaven anger typ av komponent (C= kondensator), sedan anges noder och värde. Avbrott, nätlista kan inte skapas. Gröna ringen markerar var felet finns i schemat. Radera gröna ringen och fixa till anslutningen! C_C3 UT N6944 1n **** RESUMING op_ex-ex1-frekvenssvep.sim.cir ****.END Nod som hänger i luften ERROR -- Less than 2 connections at node N6944 ERROR -- Node N6944 is floating 34(46)

35 Bilaga 4 Simulering av MOS med PSpice I denna introduktion till simulering av MOS med PSpice används OrCad PSpice ver 9.2 lite edition. Denna version är begränsad till simuleringar med max 64 noder och max 1 transistorer. Starta schemaritningsprogrammet Capture. Välj File / New Project och kryssa för Analog or Mixed A/D. Bläddra till den katalog du avser att använda för ditt projekt och ge projektet ett namn Välj Place / Part från schemaritningsfönstret. Den första gången du startar detta kan du behöva lägga till PSpice-biliotek genom att välja Add Library och välja alla symbolbibliotek som finns katalogen för PSpice. 35(46)

36 Vi kommer nu att rita och simulera följande enkla koppling: Använd dessa kommandon för att rita schemat i Capture Place / Part MbreakN NMOS-transistor, Library BREAKOUT (MbreakP är motsvarande PMOS-transistor) Place / Ground Library Source, du måste eventuellt lägga till det här biblioteket för att hitta jordsymbolen med namnet, i SPICE måste det finnas en nod med namnet som referens Place / Part VDC Library Source VSIN Place / Power VCC_CIRCLE Library CAPSYM Place / Wire Place / Net Alias koppla ihop komponenterna med ledningar namnge ledningar så är det lättare att hitta signaler. Ledningar med samma namn kopplas ihop utan att ledningen måste vara dragen hela vägen (VDD). Nu borde schemat se ut ungefär så här: Nu behöver vi en SPICE-modell för transistorn skall kunna koppla den till den aktuella transistorn. 36(46)

37 MOS_modellen skrivs med en texteditor i en ren textfil och kan se ut så här * PSpice CMOS-modeller Analog elektronik IE122 *$.model mosn NMOS Level=1 + VTO=.8 KP=18u LAMBDA=.6 GAMMA=.5 PHI=.6 *$.model mosp PMOS Level=1 + VTO=-.8 KP=6u LAMBDA=.1 GAMMA=.45 PHI=.6 *$ Kommentarrader inleds med * och fortsättningsrader inleds med +. mosn och mosp är egna namn på MOS-modellerna. NMOS och PMOS talar om vilken typ av komponent som modelleras. Kopiera modellfilen, till exempel MOS_models.lib, till den katalog där du sparar ditt projekt (enklast) eller annan valfri katalog. Skapa en simuleringsprofil med valfritt namn, I detta fall har jag valt DC-svep PSpice / New Simulation Profile Under fliken Libraries, bläddra till modellfilen och lägg till den till din design. Modellfilen MOS_models.lib finns nu tillgänglig. Modellnamnet för NMOS-transistorn är mosn. Gå tillbaka till schemat. Dubbelklicka på MbreakN och ändra attributet Implementation från MbreakN till mosn i ditt schema för NMOS-transistorn. M1 M1 Ändra MbreakN till mosn 37(46)

38 Du kan testa att programmet hittar modellen genom att markera transistorn, högerklicka och välja Edit / PSpice Model Här kan du om du vill ändra parametrarna i modellen. Transistorns area, kanalbredd W och kanallängd L, är inte specificerat i modellen. Eftersom vi i en konstruktion kan tänkas välja olika bredder och längder gör vi detta i schemat. Markera transistorn, högerklicka och välj Edit Properties. Ser ut så här (du kan tänkas behöva högerklicka någonstans i property editor och välja pivot för att få allt i en vertikal kolumn): Välj attributet L och klicka på Display och ändra Display Properties till Name and Value. Gör likadant med W. W och L skall nu synas i schemat: 38(46)

39 Nu kan vi snygga till schemat, ändra lite namn och ange några värden. Följande ändringar har gjorts i schemat: Namnet på inspänningskällan har ändrats till V_GS och dess attribut AC och DC har gjorts synliga. Denna insignalkälla kan användas för alla typer av simulering. VOFF, VAMPL och FREQ används vid transientanalys, AC vid AC-analys och DC definierar likspänningsnivå. Även lämpliga värden har angett för inspänningskällan. Namnet VCC_CIRCLE har bytts till VDD. Värden har angetts för matningsspänning samt transistorns bredd W och längd L. Nu kan det vara dags att specificera värden på simuleringen som skall köras. Antag att vi vill göra ett likspänningssvep på V_GS från V till 3.3 V. PSpice / Edit Simulation Profile 39(46)

40 Nu kan du köra en simulering PSpice / Run alternativt trycka på Play-knappen i knappmenyn på schemaritningsprogrammet. Efter simuleringen öppnas ett nytt fönster för att presentera resultatet. Gör Trace / Add Trace... och välj att visa ID(M1). Window / Copy to Clipboard... låter dig klippa och klistra bilden över till Word. 3.mA 2.mA 1.mA A V.5V 1.V 1.5V 2.V 2.5V 3.V 3.5V ID(M1) V V GS Skapa en ny simuleringprofil med namnet Vilopunkt och markera att du vill ha detailed bias point information i utfilen. Kör en simulering. 4(46)

41 Studera utfilen (.OUT) PSpice / View Output File Du kan hitta följande information i utfilen (kursiv stil är mina kommentarer): **** MOSFETS NAME M_M1 MODEL mosn Vilopunkt ID 2.25E-4 Likström drain VGS 1.5E+ Likspänning mellan gate och source VDS 3.3E+ Likspänning mellan drain och source VBS.E+ VTH 8.E-1 Tröskelspänning VDSAT 7.E-1 Lin/Sat1-1.E+ if -1.E+ ir -1.E+ TAU -1.E+ Signalparametrar GM 6.42E-4 Transkonduktans g m GDS 1.32E-6 Utkonduktans g ds =g o GMB 2.7E-4 Transkonduktans från bulk g mb CBD.E+ CBS.E+ Alla kapacitansvärden är noll CGSOV.E+ eftersom de inte specificerats CGDOV.E+ i MOS-modellen. Area för drain CGBOV.E+ och source är inte heller specificerat CGS.E+ vilket påverkar kapacitansen CGD.E+ CGB.E+ 41(46)

42 Bilaga 5 Filter och förstärkare 4 khz, mönsterkort VCC U1B In 1 TEST POINT GND. 1 TEST POINT In R11 1.5k C11 1n R13 47 C12 1n R12 39k 2 3 VEE 11 V- - U1A 1 OUT TL74_ + 4 V+ VCC Ut1 Ut1 TEST POINT R21 1k 4 V+ + OUT - 11 V- VEE R22 1k 7 TL74_ Ut2 Ut2 TEST POINT 1 VCC 1 TEST POINT GND 1 TEST POINT VEE 1 TEST POINT C1 1u C2 1u VCC VEE C3 3.3n R3 1k 1 9 R31 1k VCC 4 V+ + OUT - 11 V- VEE R32 1k SET = 1 U1C TL74_ 8 Ut3 Ut3 TEST POINT 1 C4 3.3n R4 1k VCC 4 12 V+ + OUT V- VEE R42 R41 1k 1k SET = 1 U1D TL74_ 14 Ut4 TEST POINT 1 Ut4 Matningsspänning VEE= 8 V VCC = +8 V GND = V Ändra förstärkning med Gain1 och Gain2 Utsignal efter respektive förstärkare UT1, UT2, UT3, UT4 42(46)

43 Bilaga 6 Mönsterkort till videoförstärkaren Mönsterkort Undersidan av kortet är huvudsakligen jordplan. Matningsspänningar kopplas till VCC (+5 V), VEE (-5 V) och GND ( V). Storleksordning på avkopplingskondensatorer är µf parallellt med nf, t.ex. 1 µf och 1 nf. Värdena är dock inte kritiska. Beteckningar på komponenterna stämmer med schemat nedan. Anslutningspunkter där du kan löda in anslutningstrådar är markerade på följande sätt: PVCCx anslutningar till positiv matningsspänning PGNDx anslutningar till referens V (jord) PVEEx anslutningar till negativ matningsspänning PBkt anslutning till basen på transistor t i kapsel k PCkt anslutning till kollektorn på transistor t i kapsel k PEkt anslutning till emittern på transistor t i kapsel k 43(46)