pdf, 378 kB - Christian Albrecht
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Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences Stromspiegel und Differenzverstärker Gunnar Demke, Studiengruppe E3A München den,25.01.02, Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences Gliederung 1.Stromspiegel....................................................................................................... 3 1.1.Statisches Verhalten – Stromverhältnisse, Kennlinien und Innenwiderstände....................................................................................... 3 1.2 I/U – Kennlinie .......................................................................................... 5 1.3 Dynamischer Betrieb – Umkehrverstärker................................................ 7 2. Differenzverstärker............................................................................................ 9 2.1. Grundformen des Differenzverstärkers .................................................... 9 2.1.1 Arbeitspunkte........................................................................................ 10 2.1.2 Differenzverstärkung ............................................................................ 12 2.1.3 Gleichtaktverstärkung und Gleichtaktunterdrückung .......................... 14 2.1.4 Verhalten bei Gleichtaktunterdrückung ............................................... 17 2.2 Differenzverstärker mit Transistorstromquelle und Stromspiegel............. 18 2.2.1 Arbeitspunkt ......................................................................................... 18 2.2.2 Kleinsignalverhalten – Differenzverstärkung bei externer Last von 100kΩ ........................................................................................... 20 2.2.3 Großsignalaussteuerung und Slew Rate ............................................... 22 3. Schlußwort....................................................................................................... 24 Literaturverzeichnis:............................................................................................ 25 Anhang 1 ............................................................................................................. 26 Schaltung zur Simulation mit PSPICE aus Aufgabe 1.2............................. 26 Anhang 2 Versuchsanleitung zum Versuch 5 " Stromspiegel und Differenzverstärker " Anhang 3 Handschriftliche Vorbereitung zum Versuch 5 Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 2 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences 1.Stromspiegel Ein Stromspiegel liefert am Ausgang eine verstärkte oder abgeschwächte Kopie des Eingangstroms, arbeitet also als stromgesteuerte Stromquelle. Man kann jeden Stromspiegel auch als Stromquelle betreiben, indem man den Eingangsstrom konstant hält; in diesem Zusammenhang ist die Stromquelle ein spezieller Anwendungsfall des Stromspiegels. Der einfachste Stromspiegel besteht aus zwei Transistoren und aus zwei optionalen Widerständen zur Stromgegenkopplung. Mit einem zusätzlichen Widerstand Rv kann man einen konstanten Referenzstrom einstellen; wodurch der Stromspiegel zur Stromquelle wird .[2] Beim Parallelschalten von mehreren Transistorfolgestufen ist auch ein Stromteiler mit verschiedenen Verhältnissen denkbar. Durch eine I/U– Gegenkoppelung wird die Hochohmigkeit der Stromquelle verbessert und durch die AP-Stabilisierung eine Unempfindlichkeit gegenüber Drift erreicht. [1] Heute wird in vielen integrierten Schaltungen der Stromspiegel eingesetzt, da durch die Hochohmigkeit der Transistorstufe auf den Einsatz von Widerständen im IC (Integrated Circuits) verzichtet werden kann. 1.1.Statisches Verhalten– Stromverhältnisse, Kennlinien und Innenwiderstände Bemerkung : Für alle Berechnungen zu den Stromspiegel gilt: UBE = 0.7V ; B>> 1 Bild 1 Stromspiegel Ausgehend von der Schaltung in Bild 1 bestimmt man anhand der gegebenen Werte Iref und ermittelt welche Stromwerte für I1 und I2 zu erwarten sind. Um für die folgenden Messungen eine Vergleichsmöglichkeit zu bekommen. Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 3 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences ges. : Iref; I1; I2 mit [1] : RV := ( U S − U BE) I ref := I ref := I ref 15V − 0.7V U S − U BE RV I ref = 9.533 × 10 15000Ω −4 A aus dem geforderten Stromverhältnis: Iref : I1 : I2 = 1 : 1 : 2 und Iref : (I1 + I2 ) = 1 : 3 ergeben sich für die Ströme I 1 := I ref I 1 = 9.533 × 10 ( I1 + I2) := 3 ⋅ Iref I 2 := 2 ⋅ I ref −4 A I 2 = 1.907 × 10 I1 und I2 −3 ( I1 + I2) A = 2.86 × 10 −3 A Es wird ein Stromspiegel aus einem Tranistorarray, nach Bild 1 aufgebaut. Dabei ist zu beachten, daß bei dem nicht benutzten Transistor Kollektor – und Emitteranschluß offen bleiben müssen, andernfalls wird das Meßergebnis verfälscht. Die Mess- und Rechenergebnisse werden in der Tabelle 1.1 dargestellt. Iref Rechnung Messung Stromverhältnisse I1 I2 I1 +I2 0,953mA 0,953mA 1,907mA 2,86mA 0,971mA 1,064mA 2,087mA 3,101mA 01:00 1,1 2,15 3,19 Tabelle 1.1 Stromverhältnisse am Stromspiegel Die gemessenen Werte stimmen mit den berechneten Werten weitestgehend überein. Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 4 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences 1.2 I/U – Kennlinie In diesem Versuch soll festgestellt werden, welchen Einfluß die Gegenkopplungswiderstände RE auf den Stromspiegel haben. Dazu wird der Transistor im steuernden Zweig mit einem Referenzstrom gespeist. Solange der Transistor T1 im gesteuerten Zweig im aktiven Bereich arbeitet, wird dieser Referenzstrom in ihm reproduziert. Die I/U –Kennlinie am Transistor T1 ist seine Ausgangskennlinie für den Betriebsfall UBE = konstant. Dabei ist der Ausgangswiderstand rCE gleich dem Innenwiderstand rQ. Bild 2 I/U - Kennlinie geg. : U y := 140V −4 I c := 9.533 × 10 A rQ ges. : Fall a: Re := 0 aus [1] : rQ := rCE rCE := Uy Ic 5 rQ = 1.469 × 10 Ω Wird ein Emitterwiderstand in die Schaltung gebracht, wird durch die Gegenkopplung über Re die Kennlinie und damit der Innenwiderstand rQ verändert. Fall b: Re := 100Ω aus [2] : rQ := rCE ⋅ ( 1 + gm ⋅ Re) und gm aus [4] : gm := mit : Ic UT U T := 26mV gm = 0.037 S 5 rQ = 6.853 × 10 Ω Bei einer Simulation mit PSPICE *1, in der verschiedene Widerstände für Re eingesetzt wurden, ist auch ein Anstieg der Mindestspannung Umin deutlich zu sehen. *1 PSPICE ist ein Programm der Firma OrCad. Eingesetzt wurde die Studentenversion mit der Nummer 9.1 . Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 5 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences 1100uA 0 Ohm 800uA 100 Ohm 500 Ohm 1kOhm 400uA 0A 0V 0.2V Ic(Q1) 0.4V 0.6V 0.8V 1.0V 1.2V 1.4V 1.6V 1.8V 2.0V V_V2 Bild 3 Simulation I/U – Kennlinie mit PSPICE nach Schaltung, siehe Anhang 1 Um die Innenwiderstände experimentell zu bestimmen, wird die Schaltung gemäß Abbildung 2 aufgebaut und die Messungen für verschiedene Werte von Re durchgeführt. 6V 3V Messung: Rechnung:rQ rQ U1 12V 9V Re = 0Ω I1 1,033mA 1,012mA 0,992mA 0,969mA 140kΩ 147kΩ Re = 100Ω I1 0,953mA 0,949mA 0,944mA 0,938mA 600kΩ 685kΩ Tabelle 1.2 I/U- Kennlinie und Innenwiderstand Der Innenwiderstand rQ wurde über rQ = ∆U1 / ∆ I1 bestimmt. Und die vorher errechneten Werte konnten dabei bestätigt werden. Mit dieser Schaltung lassen sich durch das Vorschalten der Emitterwiderstände hochohmige Stromquellen realisieren. Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 6 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences 1.3 Dynamischer Betrieb – Umkehrverstärker Umkehrverstärker oder Phasenumkehrstufen sind Kleinsignalverstärker mit einer Verstärkung von eins. Jedoch ist die Ausgangsspannung gegenphasig zur Eingangsspannung. Dies erreicht man, wenn dem statischen Betriebsfall eine Wechselstromaussteuerung überlagert wird. Dabei werden die Ströme Iref und I1 von einem Kleinsignalstrom und die Bild 3 Umkehrverstärker Basis-Emitter-Spannung UBE am Transistor Tref von einer Kleinsignalspannung uBE überlagert. uBE := u1 ⋅ rm R2 + r m ≈ u1 ⋅ rm da R2 R2 » rm und β » 1 ( 1.1) Auch am gesteuerten Transistor liegt die selbe Spannung an. Der Eingangswiderstand dieses Transistors berechnet sich aus βrm und kann gegenüber dem viel kleineren rm vernachlässigt werden. Gleiches gilt für rCE, der auch vernachlässigt wird. Daraus ergibt sich folgender Zusammenhang: R3 ⋅ r ce u2 := −uBE ⋅ gm ⋅ R3 + r ce ≈ −uBE ⋅ gm ⋅ R3 da R3 « r ce2 ( 1.2) aus Gleichung 1.1 und Gleichung 1.2 ergibt sich: u2 u1 ≈ −R 3 ( 1.3) R2 Für diese Schaltung werden im folgenden die Potentiale φ1 bis φ3 sowie uBE für u1 =1,00V bestimmt. Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 7 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences ges. : Φ i , i=1...3 uBE ,u2 geg. : u1 := 1.00V UT := 26mV R1 := 8.2kΩ Us := 15V R2 := 6.8kΩ R3 := 6.8kΩ aus Gleichung1.1 : Ic := Us − Φ 2 uBE := u1 ⋅ ( R1 + R2) Ic = 9.533 × 10 −4 r m := A Φ 1 = 7.183 V R2 1 gm := gm Φ 1 := Us − Ic ⋅ R1 r m := rm 1 Ic UT gm = 0.037 S ( gm) r m = 27.273 Ω Φ 2 := 0.7V uBE = 4.011 × 10 Φ 3 := Us − ( I1 ⋅ R3) −3 V aus Gleichung 1.3: I1 := Ic u2 := Φ 3 = 8.517 V Rechnung Messung −R 3 R2 ⋅ u1 u2 = − 1 V φ1 Φ2 φ3 u1 UBE u2 7,183V 7,223V 0,7V 0,7322V 8,517V 8,312V 1000mV 1020mV 4,011mV -1,0V 5,0mV -1,0V Tabelle 1.3 Arbeitspunkt und Kleinsignalspannungen am Umkehrverstärker Auch hier konnte die Messung die vorausgehenden Berechnungen bestätigen. Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 8 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences 2. Differenzverstärker Eine weitere Stufe eines OPV ist der Differenzverstärker. Differenzverstärker verstärken nur die Differenz zweier Eingangssignale wobei gleichzeitig gleichphasige Störspannungen und unerwünschte Driftspannungen unterdrückt werden. In diesem Versuchsteil werden Schaltungsvarianten von Differenzverstärkern rechnerisch und meßtechnisch untersucht. Betrachtet werden Arbeitspunkt, Kleinsignalverstärkungen bei Differenz – und Gleichtaktaussteuerung; für eine Schaltungsvariante auch die Slew Rate. [3] Vorbemerkung: Für die Berechnung wurden folgende Kenndaten verwendet: NPN und PNP: |UBE |= 0,7V |UCesat | = 0,15V NPN : B = 200 Earlyspannung UY = 80V PNP : B = 60 Earlyspannung UY = 70V 2.1. Grundformen des Differenzverstärkers Es werden zwei Formen des Differenzverstärkers untersucht. Form A stellt dabei die einfachste Form dar. Form B wurde dahingehend verbessert, daß der gemeinsame Emitterwiderstand Re durch eine Transistorstromquelle ersetzt wurde. Bild 4 Grundform des Differenzverstärkers Bild 5 Differenzverstärker mit Transistorstromquelle Für beide Formen werden die Potentiale und Ströme im Arbeitspunkt bestimmt. Dabei werden die beiden Eingänge u1a und u1b auf Masse gelegt und die Meßschaltung mit dem Transistorarray CA3096 aufgebaut. Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 9 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences 2.1.1 Arbeitspunkte Form A ges. : Φ i;i=1-3;IRe ;Ic1;Ic2 Rc := 2.7k Ω geg. : Re := 3.9k Ω u1a := 0V u1a := u1b Φ 1 := U s − I Re 2 ⋅ Rc I Re := Φ 1 = 3.512 V Φ 2 := Φ 1 aus [1] : aus [1] : Us − Φ3 I c1 := Re −3 I Re = 1.103 × 10 I Re 2 −4 I c1 = 5.513 × 10 A Φ 2 = 3.512 V I c2 := I c1 Φ 3 := 0.7V I c2 = 5.513 × 10 −4 Form B ges. : Φ i;i=1-5;Ic1;Ic2;Ic3 geg. : Re := 470Ω U T := 26mV I c3 := I Re Φ 1 := U s − I c3 2 ⋅ Rc Φ 1 = 3.512 V I c1 := I c3 2 −4 I c1 = 5.513 × 10 A Φ 2 := Φ 1 Φ 2 = 3.512 V I c2 := I c1 −4 Φ 3 := 0.7V I c2 = 5.513 × 10 Φ 5 := I c3 ⋅ Re + ( −U s) Φ 5 = −4.482 V Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 10 A A A Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences aus [1] Φ 4 := ( −U s) + I c3 ⋅ Re + U BE Φ 4 = −3.782 V aus [1] ri := rSQ Re = 470 Ω rSQ := rCE ⋅ ( 1 + gm ⋅ Re) rCE := gm := U yNPN I c3 gm = 0.042 S UT 4 rCE = 7.256 × 10 Ω I c3 6 rSQ = 1.519 × 10 Ω Form A φ1 φ2 φ3 IC1 IC2 IRE Rechnung 3,512V 3,512V 0,7V 551,3µA 551,3µA 1,1mA Messung 3,529V 3,521V 0,6916V 568µA 571µA 1,14mA Form B φ1 φ2 φ3 φ4 φ5 IC1 IC2 IC3 Rechnung 3,512V 3,512V 0,7V -3,782V -4,482V 551,3µA 551,3µA 1,1mA Messung 3,540V 3v531V 0,689V -3,880V -4,589V 565µA 567µA 1,14µA Tabelle 2.1 Arbeitspunkte Die Messwerte zeigen auch hier keine Abweichungen von den berechneten Werten. Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 11 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences 2.1.2 Differenzverstärkung Bei der Untersuchung der reinen Differenzverstärkung werden die Eingangsspannungen u1a und u1b genau um 180° phasenverschoben eingespeist. Diese Art der Ansteuerung nennt man auch Gegentaktaussteuerung, wobei sich die Stromabnahme und -zunahme in beiden Transistoren ausgleichen. Das Potential am Punkt 3 im Bild 4 verharrt in Ruhe und wird deshalb als „virtuelle Masse“ bezeichnet. Die Formel für die Differenzverstärkung lautet: ADa := AD := u2a ( 2.1) u1⋅a − u1⋅b ( u2a − u2⋅b) ( u1a − u1⋅b) ( 2.2) Um die Differenzverstärkung bestimmen zu können, wird das Kleinsignalverhalten des Verstärkers bestimmt, indem am Eingang eine Sinusspannung mit f =1kHz und u1a = -u1b = 10mV angelegt wird ges. : uMitte ; u2a ;u2b ;ADa ;AD geg. : u1a := 10mV u1⋅b := −10mV RC := 2.7kΩ IC2 := 5.513 × 10 UyNPN := 80V UT := 26mV uMitte := 0V für Wechselspannung uMitte := 0.7V für Gleichspannung aus [1] : AD := u2a − u2⋅b u1a − u1⋅b AD := −gm ⋅ r a −gm ⋅ r a := u2a − u2⋅b u1a − u1⋅b Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 12 −4 A Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences r a := r CE ⋅ RC gm := r CE + RC IC2 r CE := UyNPN UT IC2 5 gm = 0.021 S r CE = 1.451 × 10 Ω 3 r a = 2.651 × 10 Ω u2a := u1a ⋅ ( −gm) ⋅ r a u2b := u1b ⋅ ( −gm) ⋅ r a u2a = −0.562 V u2b = 0.562 V AD := u2a − u2⋅b u1a − u1⋅b AD = −56.205 u1D := u1a − u1b ADa := u2a u1D ADa = −28.102 Am Knoten 3 (φ3) stellt sich ein Nullpotential ein. Die beiden Eingangsspannungen sind um 180° phasenverschoben, diese überlagern sich damit vollkommen. Wobei sich, an diesem Punkt, eine Spannung von null Volt einstellt. Durch einen großen Verstärkungsfaktor und der reinen Gegentaktaussteuerung, können schon bei einigen Millivolt Eingangssignal sehr große Ausgangsspannungen an den Knoten 1 und 2 abgegriffen werden. u1a U1b uMitte U2a u2b Rechnung 10mV -10mV 0 -562mV 562mV Messung Form A 9,99mV 9,96mV 1,2mV -521,5mV 519,4mV Messung Form B 9,97mV 9,94mV 1,2mV -519mV 519,2mV ADa AD -28,1 -56,2 -26,1 -52,2 -26,06 -52,1 Tabelle 2.2 Differenzverstärkung Die berechneten Werte und die gemessenen Werte zeigen, daß bei der reine Differenzverstärkung beide Schaltungen identisch arbeiten. Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 13 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences 2.1.3 Gleichtaktverstärkung und Gleichtaktunterdrückung Für den Nachweis, daß gleichphasige Störspannungen kaum Einfluß auf den Verstärker haben, wird dieser jetzt mit einem reinen Gleichtaktsignal u1a =u1b=u1G betrieben und damit die Gleichtaktverstärkung bestimmt. Die Gleichtaktverstärkung ist im Idealfall gleich Null. Aber schon die Berechnungen zeigen, daß dies nicht ganz der Fall ist. Darüber hinaus ist bei dieser Schaltung zu beachten, daß sich das Emitterpotential am Knoten 3; bei amplituden- und phasengleicher Ansteuerung der Basen der beiden Eingangstransistoren; sich im Rhythmus von u1 mitbewegt. u1a := u1⋅b u1G := 500mV AGa := u2a ( 2.3) u1G ACMR( a) := ADa ( 2.4) AGa α CMR( a) := 20 ⋅ log ( ACMR( a) ) ( 2.5) ges.: uMitte; u2a ; u2b ; AGa ; ACMR(a); aCMR(a) für Form A: geg.: Rc := 2.7kΩ Re := 3.9kΩ raa := Rc ADa := −27.333 Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 14 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences mit Gleichung (2.3 ) : AGa := u2a mit Gleichung (2.4 ) : AGa := u1G −r aa ACMR( a) := 2 ⋅ Re AGa = −0.346 ADa AGa ACMR( a) = 78.962 u2a := AGa ⋅ u1G mit Gleichung (2.5): α CMR( a) := 20 ⋅ log ( ACMR( a) ) u2a = −0.173 V u2⋅b := u2a α CMR( a) = 37.948 dB u2⋅b = −0.173 V für Form B: geg.: 6 r SQ := 1.519 × 10 Ω Rc := 2.7kΩ r aa := Rc ADa := −27.333 mit Gleichung (2.3 ): AGa := u2a u1G mit Gleichung (2.4 ) : AGa := AGa = −8.887 × 10 −r aa 2 ⋅ r SQ ADa AGa −4 ACMR( a) = 3.075 × 10 u2a := AGa ⋅ u1G u2a = −4.444 × 10 ACMR( a) := 4 mit Gleichung (2.5) : −4 α CMR( a) := 20 ⋅ log ( ACMR( a) ) V u2⋅b := u2a u2⋅b = −4.444 × 10 −4 α CMR( a) = 89.758 dB V Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 15 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences u1a = u1b uMitte = u1G u2a u2b AGa ACMR( a) aCMR(a) dB Rechnung 500mV 500mV -173,1mV -173,1mV -0,34615 78,962 Form A Messung 500mV 496,8mV -172,93mV -179,34mV -0,3456 75,47 Form A Rechnung 500mV 500mV -444µV -444µV -888,7*10-6 30750 Form B Messung 500mV 500mV -460µV -440µV -920*10-6 28370 Form B Tabelle 2.3 Gleichtaktverstärkung und Gleichtaktunterdrückung 37,948 37,56 89,758 89,69 Die Güte eines Differenzverstärkers mißt man daran, wie gut er Gleichtaktspannungen im Verhältnis zu der erwünschten Verstärkung der Eingangsdifferenzspannung unterdrücken kann. Um eine große Güte zu erreichen, ist eine möglichst große Symmetrie anzustreben. Da eine exakte Symmetrie auf Grund der Fertigungstoleranzen nicht möglich ist, wird man versuchen einen möglichst hohen Gegenkopplungswiderstand zu realisieren. Dies schafft man dadurch, daß der gemeinsame Emitterwiderstand Re durch eine Stromquelle ersetzt wird, welche einen höheren dynamischen Widerstand besitzt (hier in Form B). Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 16 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences 2.1.4 Verhalten bei Gleichtaktunterdrückung Hierbei wird nur die Schaltung A einseitig angesteuert. Der andere Eingang, der Schaltung, befindet sich dabei auf Masse. Dies ist der in der Technik vorkommende Fall, daß die Ansteuerung der Schaltung gemischte erfolgt. Was gleichbedeutend damit ist, daß an beiden Eingängen unterschiedliche Kleinsignale anliegen. Dabei überlagert sich die reine Differenz- und Gleichtaktaussteuerung. In dem untersuchten Fall sind u1a =-u1b = 5mV für die Gegentaktaussteuerung und u1a =u1b = 5mV für die Gleichtaktspannung gegeben. Durch die Superposition beider Spannungen beträgt u1a = 10mV und für u1b = 0V. Damit ergeben sich rein theoretisch folgende Werte für die Ausgangsspannungen: ges.:u2a ; u2b ; uMitte geg. : u1a := 10mV u1⋅b := 0mV ADa := −27.333 uMitte := AGa := −0.346 u1a 2 uMitte = 5 × 10 −3 V aus [1]: u2a := ADa ⋅ u1D + AGa ⋅ u1G u1D := u1a − u1b u2a = −0.275 V u1G := u2b := ADb ⋅ u1D − AGb ⋅ u1G ADb := −ADa u2b = 0.277 V AGb := AGa u1a Rechnung Messung u1b uMitte (u1a + u1b) 2 u2a 10mV 0 5mV 277mV 10,05mV 0,17mv 4,9mV 277,17mV Tabelle 2.4 Schaltung A bei einseitiger Aussteuerung u2b 274mV 273,8mV Auch hier zeigt sich, daß die vorher bestimmten Werte mit den Meßwerten übereinstimmen. Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 17 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences 2.2 Differenzverstärker mit Transistorstromquelle und Stromspiegel Durch den Einsatz eines Stromspiegels anstatt der Arbeitswiderstände RC ändert sich auch das Verhalten der Schaltung grundlegend. Der Ausgang, es existiert jetzt nur ein massebezogener, stellt nun eine Stromquelle dar, die abhängig von der Differenz der Eingangsspannungen ist. Dabei gilt Ay := Bild 5 Differenzverstärker mit Transistorstromquelle und Stromspiegel i2 (u1a − u1⋅b ) i2 := 2 ic ic := gm1 , 2 ⋅ uD 2 2 ic := gm1 , 2 ⋅ uD 2.2.1 Arbeitspunkt Die Schaltung arbeitet hier ebenfalls mit einem Ruhestrom IC3 von 1,1mA. Der Transistor T4 aus dem Stromspiegel stellt eine Diode dar. Damit läßt sich das Potential am Punkt Eins zu dem leicht bestimmen und mit ihr die verschiedenen Spannungen und Ströme. Nur über das Potential am Punkt Zwei können keine Aussagen getroffen werden, da hier die Schaltung sehr hochohmig ist. ges.: Φ i , i= 1-5 ; C1 I ;IC2 ;IC3 geg.: Ic3 := 1.1mA Us := 5V UBE := 0.7V Re := 470Ω Φ 1 := Us − UBE Ic3 = 1.1 × 10 Φ 1 = 4.3 V Ic2 := Φ 3 := 0.7V Φ 4 = −3.783 V Ic1 := Φ 5 := Ic3 ⋅ Re + (−Us) Φ 5 = −4.483 V Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 2 −4 A Ic3 2 Ic1 = 5.5 × 10 18 A Ic3 Ic2 = 5.5 × 10 Φ 4 := (−Us ) + Ic3 ⋅ Re + UBE −3 −4 A Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences φ1 φ2 φ3 φ4 Φ5 IC1 IC2 IC3 Rechnung 4,3V XXXXX 0,7V -3.783V -4.483V 552µA 552µA 1,1mA Messung 4,419V 3,307V 688,6mV -3,898V -4,606V 548µA 545µA 1,101mA Tabelle 2.5 Differenzverstärker mit Stromspiegel – Arbeitspunkt Die berechneten Werte stimmen mit den Meßwerten überein. Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 19 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences 2.2.2 Kleinsignalverhalten – Differenzverstärkung bei externer Last von 100kΩ Die Schaltung aus Bild 5 wird nun mit einer externen Last von 100kΩ beschaltet. Die Last besteht im einzelnen aus einem Spannungsteiler mit R1 = 90kΩ und R2 =10kΩ sowie einem Koppelkondensator Ck. Der Koppelkondensator kann hier als Wechselstromkurzschluß betrachtet werden. Untersucht wird die Kleinsignaldifferenzverstärkung AD. AD := AD := u2 uD u2 ( 2.7) u1a − u1⋅b geg.: ges.: ra' ; AD UyPNP := 70V UyNPN := 80V Ic2 := 5.5 × 10 −4 A Ic := Ic2 RL := 100kΩ UT := 26mV ra' = rCE5 || rCE2 || RL aus [1]: r CEx := Uy r CE5 := Ic UyPNP r CE2 := Ic 5 r CE5 = 1.273 × 10 Ω r a' := UyNPN Ic 5 r CE2 = 1.455 × 10 Ω 1 1 1 1 + + r CE5 r CE2 RL 4 r a' = 4.043 × 10 Ω AD := gm ⋅ r a' AD = 855.318 gm := Ic UT aD := 20 ⋅ log ( AD) Gunnar Demke, Studiengruppe E3A gm = 0.021 S aD = 58.643 20 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences Für die Messung wird die Spannung am Spannungsteiler mit dem hochohmigen ACVoltmeter HP400E bestimmt. Dabei wurde darauf geachtet, daß die Ausgangsspannung unverzerrt anlag und mit dem Oszilloskop weiter beobachtet. Rechnung ra` = 40,43kΩ Messung u1a = 550µV AD = 855.318 aD = 58,643 dB u1b = -540µV u2 = 680mV AD = 623,8 aD = 55,9 dB Tabelle 2.6 Differenzverstärker mit Stromspiegel –Differenzverstärkung Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 21 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences 2.2.3 Großsignalaussteuerung und Slew Rate Eine kapazitive Belastung des Differenzverstärkers am Ausgang bewirkt eine endliche Arbeitsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung. Der in diesem Versuch mit CL belastete Differenzverstärker benötigt eine bestimmte Zeit, um den Kondensator bei einem definierten Umladestrom zu laden bzw. zu entladen. Slew Rate ist die maximale Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung. Weiterführende Informationen unter [1] Abschnitt 1-27. Um die Slew Rate in diesem Versuch zu bestimmen, wird der Verstärker mit einer Rechteckspannung angesteuert und dann die Ausgangsspannung über die Lastkapazität mit dem Oszilloskop aufgezeichnet. Über die Anstiegs- und Abfallzeiten, die am Lastkondensator auftreten, wird die Slew Rate durch du2 /dt =SR bestimmt. Um auf sinnvolle Ergebnisse zu kommen, wird mit einem Tastkopf gemessen und im nachhinein der dabei entstandene Fehler berücksichtigt. i2 kann maximal den Wert voncIannehmen. ges.: Slew Rate SR ; Ctot geg.: CL := 1nF CTastkopf := 40pF CimOszi := 25pF Ic := 1.1mA SR := Ic Ctot := CL Ctot SR = 1.1 × 10 SR := 6V SR := 1.1 s Ic µs Ctot := CL + CTastkopf + CimOszi Ctot SR = 1.033 × 10 SR := 1.033 V 6V Ctot = 1.065 × 10 s V µs Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 22 −9 F Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences i2max C Rechnung 1,1mA Cl = 1nF Verbesserte Rechnung Messung XXXXX Ctot = 1,0478nF XXXXX XXXXX SR (V/µs ) 1,1 0,86 steigende Flanke = 0,875 fallende Flanke = 0,925 Tabelle 2.7 Differenzverstärker mit Stromspiegel - Slew Rate Die berechneten Werte mit Fehlerkorrektur stimmen sehr gut mit den gemessenen Werten überein. Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 23 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences 3. Schlußwort Mit den in diesem Experiment untersuchten Grundschaltungen von Transistoren, wurde versucht, die technischen Zusammenhänge zu erläutern, warum die beiden Schaltungen, Stromspiegel und Differenzverstärker, so eine weite Verbreitung in der Technik finden. Mit dem Stromspiegel werden vor allem in integrierter Bauform Stromquellen mit definierten Strömen möglich, die einen hohen dynamischen Innenwiderstand haben. Damit bilden sie eine der am häufigsten vorkommenden Schaltstufen in IC’s.und nicht nur, wie eingangs erwähnt, bei dem OPV. Eine weitere Möglichkeit des Einsatzes ist der als Umkehrverstärker. Hierbei kommt vor allem der hohe dynamische Innenwiderstand zur Geltung. Die Verstärkung ist meist nicht viel größer als Eins, aber das Ausgangssignal ist um 180° phasenverschoben gegenüber dem Eingangssignal. Die Hauptanwendung des Differenzverstärkers liegt vor allem im OPV. In ihm werden die Möglichkeiten in Kombination mit Stromquellen und Stromspiegeln am meisten eingesetzt, um Verstärker zu schaffen, die große Verstärkungen erreichen können. Die ersten Operationsverstärker waren Differenzverstärker, die aus Röhren aufgebaut waren. Sie bildeten Grundlage der damaligen Technik bevor der IC seinen Siegeszug antrat. Siehe hier auch [4] Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 24 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences Literaturverzeichnis: [1] L.Zeisel; H. L. Zapf; W.Ulbrich: „Elektronischen Schaltungen“; Skriptum zum gleichnamigen Lehrfach; Fachhochschule München; Fachbereich Elektrotechnik und Informationtechnik; 2001 [2] U.Tietze; Ch.Schenk: „Halbleiter- Schaltungstechnik “;Springerverlag Berlin Heidelberg New York; 1999 [3] H. L. Zapf: „Praktikum Elektronische Schaltungen“, Skriptum zum gleichnamigen Praktikum; Fachhochschule München; Fachbereich Elektrotechnik und Informationtechnik ; 2001 [4] J.A. Nossek: „Schaltungstechnik 1 “; Skriptum zum gleichnamigen Lehrfach; Technische Universität München; 1999 Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 25 Fachhochschule München Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik University of Applied Sciences Anhang 1 Schaltung zur Simulation mit PSPICE aus Aufgabe 1.2 Simulation eines Stromspiegels mit verschiedenen Werten für Re Gunnar Demke, Studiengruppe E3A 26
