Amplificatori Differenziali e specchi di corrente Direttive di esecuzione dell’esperienza: 1) Riportare sul quaderno tutto il presente contenuto; 2) Ricercare su datasheet il valore di hfe , IcMAX ,e la potenza massima dissipabile dei transistors. Riportarne i valori nella relazione, 1 per ogni esperimento. 3) Effettuare la simulazione in base a quanto indicato di seguito e l’esperienza reale in base ai valori riportati nel seguente schema elettrico 4) La simulazione può essere eseguita a casa con verifica in classe dei files o stampe elaborate a casa( calcoli di progetto, simulazione con ewb, simulazione montaggio su bb; grafici relativi alla simulazione; risposte ai quesiti); 5) Eseguire lo sbroglio su BB simulata senza incroci di collegamenti 6) Per ogni fase(simulazione ewb->compilazione dati da simulazione>simulazione bb->esecuzione reale dell’esperienza-> compilazione dati reali e oscillogrammi) far vistare al docente sul quaderno quanto elaborato ed eventuali osservazioni; 7) I dati dell’esperienza reale devono essere riportati a fianco di quelli simulati e di quelli indicati, opportunamente evidenziati(è opportuno prevedere una tabella); 8) Fare la relazione riportando s.e., elenco componenti (distinguendo tra quelli previsti e quelli realmente utilizzati), calcoli eseguiti, risposte ai quesiti(distinguendo il caso reale da quello simulato), eventuali osservazioni ed allegando: tabelle compilate, grafici/oscillogrammi realizzati, stampa simulazione bb; 9) La consegna è prevista entro il 30/4/2014(tutti e 4 gli esperimenti e relativa relazione). Amplificatori Differenziali e specchi di corrente I seguenti esperimenti costituiscono degli esempi pratici, utili per comprendere il funzionamento degli AMPLIFICATORI DIFFERENZIALI, e degli SPECCHI DI CORRENTE. Gli stadi differenziali, costituiti da coppie di BJT accoppiati di emettitore o da coppie di FET accoppiati di source, sono i sottocircuiti a due transistor più ampiamente usati nei circuiti integrati : L'utilizzo di questo tipo di circuito, deriva dal fatto che cascate di coppie di BJT accoppiati di emettitore o di coppie di FET accoppiati di source, possono essere collegate direttamente senza l'interposizione di condensatori di accoppiamento, dal fatto che le caratteristiche differenziali di ingresso di questi stadi sono richieste da molti circuiti analogici e dal fatto che l'amplificatore differenziale consente di amplificare anche segnali di livello piccolo. Quest'ultima caratteristica è insita nel funzionamento stesso dello stadio differenziale : il segnale di tensione con ampiezza di qualche V non è applicato tra la massa e l'ingresso dell'amplificatore, ciò significa che il segnale che arriva realmente all'ingresso dell'amplificatore e che quindi viene effettivamente amplificato è la differenza dei due segnali provenienti dal generatore di ingresso. In questo modo il disturbo ossia il rumore comune ad entrambi i segnali di ingresso e definito segnale di MODO COMUNE (cioè segnale comune ai due ingressi dell'amplificatore) viene notevolmente attenuato ; si ha quindi un effetto di cancellazione del segnale di modo comune . Proprio perché l'aspetto principale del comportamento di uno stadio differenziale è rappresentato dalla maggiore attenuazione possibile in uscita del segnale di modo comune presente all'ingresso (poiché la risposta al segnale di modo comune è indesiderata e rappresenta un disturbo in uscita) la minimizzazione del guadagno di modo comune è un importante obiettivo nel progetto di un amplificatore differenziale. Per questo motivo si definisce una quantità che caratterizza in questo senso le proprietà dello stadio differenziale : Rapporto di reiezione di modo comune : CMRR = Adm / Acm ; dove: Adm = guadagno di modo differenziale ; Acm = guadagno di modo comune. Particolare importanza rivestono anche gli specchi di corrente. Essi sono generatori di corrente utilizzanti dispositivi attivi e sono ormai diventati di uso comune. L'uso di generatori di corrente utilizzanti dispositivi attivi rientra nel discorso del controllo della stabilità della polarizzazione perché garantisce un'elevata insensibilità delle prestazioni del circuito alle variazioni della sorgente di alimentazione ed alla temperatura. Gli specchi di corrente sono indicati quando la corrente di polarizzazione richiesta è di piccolo valore. Essi possono essere usati come elementi di carico in amplificatori a transistor, e in questo caso si sfrutta la loro elevata resistenza incrementale per ottenere un elevato guadagno di tensione a basse correnti di polarizzazione, di qui il concetto di CARICO ATTIVO cioè di generatore di corrente utilizzante dispositivi attivi usato come carico in un amplificatore. In base a quanto detto condurremo i seguenti esperimenti: 1) Analisi di uno stadio differenziale a BJT con carico passivo e polarizzazione realizzata con resistenza di emettitore, verifica del suo punto di lavoro, misura dei guadagni Adm e Acm, misura del CMRR e confronto con i valori trovati col circuito equivalente di piccolo segnale. 2) Analisi di uno stadio differenziale a BJT con carico passivo e polarizzazione realizzata con uno specchio di corrente, verifica del suo punto di lavoro, misura dei guadagni Adm e Acm, misura del CMRR e confronto col CMRR del circuito esaminato precedentemente. 3) Analisi di uno stadio differenziale a BJT con carico attivo e polarizzazione realizzata con uno specchio di corrente, verifica del suo punto di lavoro, calcolo dei guadagni Vout/Vin con Vin=0. 4) Valutazione della resistenza di uscita dello specchio di Wilson attraverso l'interpolazione lineare di coppie di punti (V,I) ottenute in corrispondenza di diversi valori di R2. Attenzione, negli schemi seguenti sostituiremo il 2N2222A al posto del CA3046. In ogni esperimento, a fianco dei valori indicati riportare quelli simulati e quelli reali. nto N.1 Esperimen In questo pprimo esperimento stud dieremo il fuunzionamen nto di un am mplificatore differenziaale. Tale schema staa alla base degli d stadi di d ingresso ddegli amplifficatori operrazionali inttegrati. Schema deel circuito Per prima ccosa bisognna verificaree che il circuuito stia lav vorando corrrettamente iin Z.A.D., e ciò và fatto tramitte le seguennti misure sp perimentali : gia il fatto che le correenti dei colllettori sianoo uguali ci assicura a che i due BJT sstanno funzzionando in Z.A.D., inooltre : quindi:  i BJT lavorrano in Z.A..D. In un seconndo luogo si s deve misu urare il guaddagno di mo odo comunee ( Acm ). Peer misurare il guadagno ddi modo com mune si con nnettono inssieme gli in ngressi dell'aamplificatorre e a questii viene poi applicato ill segnale coomune di ingresso per m mezzo del generatore g di d funzioni. Applicando o in queste condizioni un segnale di tensionee sinusoidalee: mpiezza di 1Vpp 1 e freqquenza 1 kH Hz con am si ricava inn uscita un segnale s di teensione sinuusoidale di ampiezza: inverttito di 180° rispetto al segnale s di in ngresso Ciò significa che lo sttadio ha un comportam c mento inverteente per il modo m comunne e che atteenua il segnale di modo comuune : Per ricavarre l'amplificcazione di modo m differeenziale ( Adm e la base di Q Q2 a massaa e si d ) si pone collega la bbase di Q1 al a generatorre di funzionni e si appliica un segnaale di ingressso di modo o differenziaale. Quindi considerand c do un segnaale di tension ne sinusoidale Vi1 di am mpiezza di 50 mVpp e frequenza ddi 1 kHz si ha in uscitaa un segnalee di tensionee sinusoidalle Vopp2 =3.668Vpp e consideranndo che: quindi: inoltre: Ora verificchiamo l'esaattezza dellee misure usaando le form mule ricavatte dal circuiito equivaleente di piccolo seggnale: nto N.2 Esperimen Per migliorrare l'attenuuazione del modo comuune e quind di aumentaree il valore ddel CMRR dell'amplifficatore diffferenziale si polarizza l o stadio con n uno speccchio di correente connesso all'emettitoore della copppia differeenziale di BJJT accoppiaati di emettiitore come iindicato nelllo schema : Anche qui per prima cosa c bisogna verificaree che il circu uito stia lavo orando corrrettamente in i Z.A.D. e ciò va fattoo tramite le seguenti miisure sperim mentali: gia il fatto che le correenti dei colllettori sianoo uguali ci assicura a che i due BJT sstanno funzzionando in Z.A.D., inooltre : quindi:  i BJT lavorano l in Z.A.D In un seconndo luogo dobbiamo d misurare m il gguadagno di modo comu une ( Acm ).. Per misuraare il guadagno ddi modo com mune si con nnettono inssieme gli in ngressi dell'aamplificatorre e a questii viene poi applicato ill segnale coomune di ingresso per m mezzo del generatore g di d funzioni. Applicando o in queste condizioni un segnale di tensionee sinusoidalee: con am mpiezza di 2Vpp 2 e freqquenza 1 kH Hz si ricava inn uscita un segnale s di teensione sinuusoidale di ampiezza: inverttito di 180° rispetto al segnale s di in ngresso Ciò significa che lo sttadio ha un comportam c mento inverteente per il modo m comunne e che atteenua il segnale di modo comuune : Per ricavarre l'amplificcazione di modo m differeenziale Adm 2 a massa e si collega m si pone la base di Q2 la base di Q Q1 al generatore di fun nzioni e si appplica un seegnale di ingresso di m modo differeenziale. Quindi connsiderando un segnale di tensionee sinusoidalee Vi1 di amp piezza di 500 mVpp e frrequenza di 1 kHz si haa in uscita un u segnale di d tensione ssinusoidale Vopp2 =3.42 2Vpp e connsiderando che: c quindi: si ottiene qquindi un CM MRR notev volmente piùù alto di queello misuratto col circuiito senza sp pecchio di corrente m ma con la sem mplice resisstenza di em mettitore; ino oltre: nto N.3 Esperimen In questo terzo esperim mento sostittuiremo neel circuito prrecedente lee resistenze di collettorre con un carico attivvo PNP miggliorandone in questo m modo il guad dagno. Schema ciircuitale Questo am mplificatore differenzial d le elimina ill problema del d modo co omune e forrnisce una singola s uscita con una reiezionne del segnale di ingreesso di modo o comune migliore m di qquella della coppia differenziaale caricata resistivame nte con usccita derivataa da un colleettore. r Di tale ampplificatore calcoleremo c o il guadagnno A=Vout//Vi1 ponend do Vi2=0. Esso però è molto elevvato ed è peer questo mootivo che do obbiamo inserire tra il generatore Vi1 e la base del BJJT Q1 un paartitore resisstivo che atttenuava l'in ngresso di 10 00 volte. A questo ppunto dobbiaamo collegaare il seguennte segnale di ingresso: Vi1=1Vpp con frequennza f=1kHzz e, dopo il ppartitore ressistivo, dobb biamo ottennere un segn nale del vallore di Vi1eff=10m mVpp con frrequenza f=1kHz una misuraa dell'uscita ci dovrebbe dare il segguente valorre: Vout=2.400V E quindi il differenziaale deve dare un'amplifficazione di che è più ddi tre volte quella ottenu uta nello steesso circuito o ma senzaa carico attivvo. nto N.4 Esperimen Lo SPECC CHIO DI WILSON è un u generatorre di corrente a più tran nsistor il qua uale consente sia una buona canccellazione della d correntte di base siia un'elevataa resistenzaa di uscita . Si tratta di un circuito reazionato attraverso Q Q3 che forzza Q1 a far crescere c la rresistenza di d uscita ; si ottiene un elevato graddo di cancellazione dell termine di errore dovu uto alla corrrente di basse d Irif . realizzandoo così un legame di preecisione tra Iout ed IC22 a partire da La differennza tra Irif e IC1 è proprrio la corrennte di base di d Q3 , la qu uale moltipllicata per (  + 1 ) fluisce nel transistor collegato c a diodo d Q2 il quale impo one questa corrente a Q Q1 : si ottien ne così un cammino ddi reazione tale t che IC1 sia praticam mente uguale a Irif . Inoltre la IC2 rimane molto m similee a I C1 indippendentemeente dalla teensione di coollettore di Q3 . La correntee di collettoore di Q3 rim mane quasi costante daando luogo ad a una resisstenza di usccita elevata. Teoricameente ci aspetttiamo: Schema deel circuito I calcoli spperimentali dicono che :   Quindi unaa buona canncellazione della d corrennte di base rende r effettiivamente Ioout molto sim mile a Irif . Per la Routt si è ricavaato :  se  se  se  se alllora alloora a allora allora quindi metttendo in unn grafico i riisultati :