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Amplificatore differenziale a BJT

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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 :
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