DIFFERENTALFÖRSTÄRKARE

UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Sverker Johansson 1996-12-06 DIFFERENTALFÖRSTÄRKARE Laboration E-35 ELEKTRO Personalia: Namn: Kurs: Datum: Återlämnad (ej godkänd): Rättningsdatum Kommentarer Godkänd: Rättningsdatum Signatur Kommentarer

Nyckelord Differentialförstärkare, differentiell (balanserad) ingång, obalanserad ingång, common-mode-ingång, common-mode-undertryckning, differentiell förstärkning, common-mode-förstärkning, konstantström-generator ( strömsug ), operationsförstärkare, råförstärkning, inimpedans, utimpedans Differential amplifier, differential input, single-ended input, common-mode input, common-mode-rejection-ratio (CMRR), differential voltage gain, common-mode gain, constant-current source (constant-current sink), operational amplifier (Op-amp) open-loop voltage gain, input impedance, output impedance. Målsättning Differentialförstärkarsteget är det grundläggande byggelementet i en operationsförstärkare. Laborationen är upplagd så att du i uppgift 1 börjar med den enklaste formen av differentialförstärkarsteg och att denna uppkoppling i de följande uppgifterna byggs på och förbättras. Den sista uppgiften gäller en enkel, men användbar operationsförstärkare. Målsättningen med denna laboration är, att du genom att göra teoretiska beräkningar och genom att mäta både på delblocken och på en enkel men i princip komplett operationsförstärkare skall få ökad kunskap om vad ett par av operationsförstärkarens viktigaste parametrar och begrepp egentligen betyder och få ökad förståelse för varför en operationsförstärkare ser ut som den gör. 1 Teori För differentialsteget i uppgift 1 nedan är R1 = R2. Eftersom transistorerna är av samma typ kommer de åtminstone teoretiskt att ha samma h-parametervärden. Om vi lägger på en differentiell insignal (balanserad, double-ended), betyder det att de båda ingångarna påförs lika stora men sinsemellan 180 o fasförskjutna signaler, dvs vi får att U 1 = -U 2. En ökning av den ena transistorn emitterström kommer då att motsvaras av en lika stor minskning av den andra transistorns emitterström, vilket innebär att strömmen genom det gemensamma emittermotståndet R3 blir konstant. Insignalerna ger därför inte upphov till någon signalspänning över R3. Man får därmed ingen motkoppling via R3 trots att man inte har någon avkopplingskondensator över R3, vilket man normalt har i ett vanligt enkelt gemensam-emitterkopplat förstärkarsteg. Med en balanserad insignal (differentiell input) får vi då att förstärkningen blir F D = U ut /U 2 = -h 21 /h 11 R 2 (jämför med ett gemensam-emittersteg) Om man har en obalanserad insignal (single-ended input), dvs då ena ingången jordas och signal bara läggs in på den andra ingången, blir förstärkningen approximativt lika med F D = U ut /U 2 -h 21 /h 11 R 2 ½ Förstärkningen vid obalanserad insignal blir alltså hälften så stor som vid balanserad insignal. Att det blir så är inte självklart. Varför inte? Visa gärna att det stämmer genom att härleda förstärkningen med hjälp av ekvivalentscheman.

Om differentialsteget tillförs lika stora signaler som dessutom ligger i fas med varandra, dvs en common-mode signal, blir signalspänningen över R3 inte längre noll. Detta påverkar förstärkningen och man kan visa att common-mode förstärkningen F C blir appoximativt lika med uttrycket nedan. Visa gärna att detta stämmer. 2 F C = U ut /U 2 -R 2 /2R 3 Förberedelseuppgifter 1. Läs om differentialsteget i din kursbok. 2. Försök att visa att uttrycken för förstärkningarna ovan gäller. 3. Beräkna de teoretiska värdena som skall redovisas i respektive uppgift. Material Differentialförstärkarens olika moduler finns färdiguppkopplad på en platta i form av ett kretskort. Genom att ansluta kortslutningspluggar och pluggar med fastsatta motstånd på lämpligt sätt, kan de olika uppgifterna nedan utföras. Ett oscilloskop och en signalgenerator behövs också. Redovisning Laborationen redovisas på följande sätt: Alternativ 1: Redovisning sker på det sätt som kursansvarig lärare angett. Alternativ 2: Du lämnar in en skriftlig rapport, där samtliga punkter under respektive uppgift redovisas. Försättsbladet till denna lab.instruktion eller en kopia av det, skall alltid användas.

3 Uppgift 1: Bestämning av förstärkning och CMMR Figuren nedan visar grundschemat för ett enkelt differentialsteg. I denna uppgift skall du jämföra de teoretiska och experimentella värdena för förstärkarens differentiella förstärkning F D och Common-Mode-förstärkning F C. 1 Beräkna teoretiskt den differentiella förstärkningen F D då man har obalanserad insignal (single-ended input). Beräkna även CM-förstärkningen F C. Redovisa beräkningarna. De formler du behöver för de teoretiska beräkningarna finns redovisade under avsnittet: Teori ovan. 2 Beräkna CMRR angivet i db. Redovisa beräkningen. 3 Koppla upp förstärkaren. Mät upp F D och F C och bestäm CMRR. Använd oblanserad insignal vid mätningen av F D. Beskriv hur du gör. 4 Redovisa en tabell som visar de teoretiska och experimentella värdena på F D, F C och CMRR. 5 Hur skulle man kunna göra för att experimentellt mäta upp differentiella förstärkningen F D vid balanserad insinal, dvs då U1 = -U2 (lika stora signaler som ligger i motfas)? Pröva gärna och mät upp F D. E1 R1 R2 T1 = T2 = BC548B U1 T1 T2 U2 Uut R1 = R2 = R3 = 10k E1 = +12 V R3

4 Uppgift 2: Konstant-ström-generator. En önskvärd egenskap hos differentialförstärkaren är att den differentiella förstärkningen är stor och att CM-förstärkningen är liten, dvs att man har ett stort värde på CMRR. Om vi tittar på kretsen i uppgift 1 och uttrycket för common-modeförstärkningen F C, ser vi, att ju större värde R3 har desto mindre blir common-modeförstärkningen, vilket är bra. Ett stort värde på R3 ger emellertid liten kollektorström vid normala värden på matningsspänning och kollektormotstånd, vilket påverkar bl a h 11 - och h 21 -parametrarna (se datablad) på ett sådant sätt att den differentiella förstärkningen minskar, vilket inte är önskvärt. Lösningen på problemet är att ersätta R3 i figuren i uppgift 1 med en konstant-ström-generator, som uppvisar hög resistans och ändå drar stor ström. I denna uppgift skall du studera en enkel konstant-strömgenerator, även kallad "strömsug". 1 Beräkna det teoretiska värdet på strömmen I om basströmmen för T3 kan försummas. Tag U BE = 0,6 V. 2 Låt E vara en likspänning som du varierar mellan säg +1 V och +10 V i några steg. Mät upp strömmen I med en amperemeter. Beräkna sedan strömgeneratorns inre resistans R i, där R i = E/ I 3 Beräkna även det teoretiska värdet på R i via uttrycken nedan. R i h 21 R 6 / {h 22 (R + R 6 )} där R = h 11 + R 4 R 5 / (R 4 +R 5 ) E I R4 R5 R6 T3 T3 = BC548B R4 = R5 = 10k R6 = 5,1k

5 Uppgift 3: Differentialsteg med konstant-ström-generator. Du skall nu ersätta R3 i uppgift 1 med strömgeneratorn i uppgift 2 och får då ett typiskt differentialförstärkarsteg. 1 Beräkna det teoretiska värdet på den differentiella förstärkningen F D, då man har obalanserad insignal. Beräkna även CM-förstärkningen F C och CMRR angett i db. Vid beräkningen av F C används det värde på konstant-ström-generatorns inre resistans som du räknat fram i uppgift 2 2 Koppla upp kretsen och mät upp F D och F C och bestäm CMRR. Använd obalanserad insignal vid mätningen av F D. 3 Sammanfatta i en tabell de teoretiska och experimentella värdena på F D, F C och CMRR från uppgifterna 1 och 3. E1 R1 R2 U1 T1 T2 U2 Uut R4 R5 R6 T3 T1= T2 = T3 = BC548B R1 = R2 = R4 = R5 = 10k R6 = 5,1k E1 = +12 V

6 Uppgift 4: Operationsförstärkare. Om vi tar differentialsteget från uppgift 3 och kopplar på ett förstärkarsteg, får vi en enkel operationsförstärkare, som alltså har differentiell ingång (differentiell input) och enkel utgång (single-ended output). 1 En önskvärd egenskap hos operationsförstärkaren är att U in = 0 V (DC) skall ge U ut = 0 V (DC). Då går den även att använda som likspänningsförstärkare, vilket är bra. I vår krets ordnar vi detta genom att välja ett lämpligt värde på T4:s kollektorbelastning, som är R C (T4) = R8 + R9. Beräkna därför det teoretiska värdet på R C så att U 1 = U 2 = 0 V (DC) ger U ut = 0 V (DC). 2 Koppla in kretsen och trimma in R C (T4) så att U 1 = U 2 = 0 V verkligen ger U ut = 0 V. 3 Mät upp kretsens totala förstärkning, dvs operationsförstärkarens "råförstärkning". 4 Vilken förstärkning har utgångssteget T4? Stämmer det med det teoretiska värdet? 5 Vilken inimpedans bör förstärkaren ha teoretiskt? Jämför med µa74l t ex. 6 Mät upp kretsens utimpedans. Redovisa hur du gör. Jämför med µa74l t ex. 7 Tag U 1 = U 2 = 0 V (jorda båda ingångarna), mät U ut (DC) och värm först upp den ena transistorn i differentialsteget med fingrarna. När transistorn efter en liten stund är uppvärmd, flytta fingrarna till den andra transistorn och värm upp den. Hur är det med förstärkarens temperaturdrift? E1 U1 R1 T1 I I T2 R2 U2 R7 T4 R8 R9 Uut T1 = T2 = BC548B T4 = BC177B I = enligt uppgift 2 R1 = R2 = 10 k R7 = 1k R8 = beräknat värde R9 = variabel E1 = +12 V