lab p m 201 0/2011 - kth
TRANSCRIPT
© Be
engt Molin
InnehåExaminatLärandemLärandemBetygsättLab 1 Lab 2 Hemlab Lab 3 Bilaga 1 Bilaga 2 Bilaga 3 Bilaga 4 Bilaga 5 Bilaga 6 Bilaga 7 Bilaga 8
LaboratioICT‐skola Adress: Forum IsafjordsHiss B, p
2011-03-18
IE120
ll tion på labor
mål X1 Bmål hemlab Mtning av labk
KonstruktiKonstruktiMOS inlämKonstruktiFörberedePraktiska tSimuleringSimuleringFilter och MönsterkoChecklistaLabkvitto
onerna ägean i Kista.
sgatan 39 lan 8
8 2010-2011
Lab‐P
02 AnaE
Konst
rationskursenBaserad på kMOS och konkursen ionsuppgift 1ionsuppgift 2mningsuppgiionsuppgift 3lseuppgifter tips inför labg av OP förstg av MOS mförstärkare 4
ort till videofa Lab 3 Vide IE1202 Ana
r rum på
/ Kursomgång
PM 201för
alog eleExaminaruktions
n (LAB1; 2,5konstruktionsnstruktionsup
1 - ljudförstä2 – avståndsmift3 – Videoförpå TDA203
borerandettärkarkoppli
med PSpice40 kHz, mönförstärkaren
eoförstärkarealog elektron
2 P4 VT2011
10/201
ektronition suppgifte
5hp)suppgift 1 ocppgift 3
ärkaremätning med
rstärkare0
ng med PSpi
nsterkort
nik
1
1
k 7,5hp
er
ch 2
d ultraljud
ice
p
2 2 3 4 5 8
12 16 21 22 26 35 42 43 45 46
1(46)
2(46)
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 innehållet i din rapport. 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 verifiera dina beräknade 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
3(46)
Lärandemål hemlab MOS och konstruktionsuppgift 3 MOS inlämningsuppgift Denna uppgift är en simuleringslab som du gör helt på egen hand. Laborationen med simulerings-uppgifter 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 transistor-
förstärkarsteg • 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 GC-steg 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
4(46)
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 2/2010 Gäller fr o m 2010-04-28, version 4 Dnr V-2009-0223, doss 10 http://intra.kth.se/regelverk/policyer/policy-for-hantering-av-plagiering-inom-kths-utbildning-1.61391 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: 10-11, D: 12-15, C: 16-20, B: 21-24, A: 25-28 De olika delarna kommer att poängsättas efter följande mall. Maxpoäng Minimikrav
Inlämningsuppgift RC-filter 2p 1p
Lab 1 Förberedelse TDA2030 uppgift 1-3 1p 1p uppgift 4 1p Förberedelse schema + verifierat med simulering 2p 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 2p
Alternativ 2 Dimensionering, simulering 2p 4p Råförstärkning, stabilitetsmarg. 2p vid önskad motkoppling Frekvenskompensering med C5 2p Utvärdering 2p
5(46)
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 TDA2030 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 i gånger och i dB. Planera de mätningar du behöver göra för att redovisa i examination X1
5. Tag med en utskrift av 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 inlärnings-mål. Gör detta så snart som möjligt efter laborationen. Uppgift Förförstärkaren skall du själv dimensionera med operationsförstärkare och koppla upp på kopplingsdäck. Effektförstärkaren med TDA2030 kommer att finnas färdig. Om du inte har kopplingsdäck kan du låna på lab. Komponenter finns tillgängliga i labsalen. Följande operationsförstärkare finns att tillgå i labsalen: uA741 eller LM741, LM324, TL074 Du skall kunna visa följande system i funktion under labpasset
Förförstärkarsteget skall ha undre gränsfrekvensen 100 Hz och övre gränsfrekvensen 10 kHz. När du avrundar till närmaste standardvärde skall du välja dessa så att undre gränsfrekvensen blir lägre än 100 Hz och övre gränsfrekvensen blir högre än 10 kHz. Vilka komponenter och vilka värden på resistorer och kondensatorer som finns tillgängliga på lab framgår av bilaga 2. Volymkontroll
MikrofonHögtalare
Û ≈ 5 mV Û ≈ 3,3 VÛ ≈ 100 mV
EffektförstärkareTDA2030
RL= 8 Ω
Förförstärkare
6(46)
+5 V
5,6 kΩC
Mikrofon Term. 1 (röd)
Term. 2 (svart)
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 Kondensatormikrofonelement PVM6052-5382-7GM Kabel 140 mm ELFA nr 30-106-59. Mikrofonen ger cirka 5 mV toppspänning vid normalt tal på kort avstånd och har en utresistans på cirka 3 kΩ när du använder matning via 5,6 kΩ enligt figuren. 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) Mikrofonen behöver en likspänningsmatning mellan 1 och 10 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 (5,6 kΩ) 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 gränsfrekvensen.
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 3kΩ-resistorn ingår i högpassfiltret på ingången när du dimensionerar för undre gränsfrekvensen. Högtalaren Högtalaren har nominell impedans 8 Ω.
Funktions-generator
3 kΩ
Potentio-meter
Resistiv lednings-bana
Spännings-delare
Variabelresistans
Symbol
+
-
Uin +
-Uut
7(46)
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. Via kurswebben kan du hitta länk till en videogenomgång av 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 Uin och Uut 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
8(46
La
Intr
Du att dmedningSys
För
Denskalanp
Prin
PrinSänmätreflav ekonench
Filekurs
6)
ab 2 Ko
roduktion
skall bygga du skall lära d hänsyn till g och mätninstemet skall v
rberedelser
1. Beräknaden refl
2. Dimens3. Verifier
kopplinschema
4. Planera 5. Rita ett
för kret
n här föreslagll få öva på a
passad till de
ncipiellt blo
ncipen är att ndaren ger etttas. Reflekterektionsytan, en enchipsdanstruktionen mhipsdator.
er finns för atswebben!
nstruktio
en apparat födig välja lämkrav och fun
ng med oscillvisas i funkti
som skall va
a hur lång tidlekterande ytsionera oscillra dimension
ngen för att fåsom du laddde mätningafullständigt sarna) till lab
gna konstrukatt konstruerainlärningsm
ockschema
sända ut en ut kort starkt urad puls, somtas emot och
ator (microcomen du skall
tt simulera k
onsuppg
ör avståndsmmplig operatinktion. Konsloskop. Denion under lab
ara gjorda f
den är mellantan är 1 metelatorn som skneringen av oå rätt frekvendar ned från kar du behövekopplingsschborationen, s
ktionen är inta med olika tål som finns
ultraljudspulultraljudspip
m då är kraftih förstärks saontroller) mel se till att de
kopplingen på
gift 2 – av
mätning med ionsförstärkastruktionen skär också en
borationspass
före laborati
n utsänd ljuder. Hur långt kall ingå i kooscillatorn mns. Simulerinkurswebben.
er göra för atthema (handrsom du kan a
te den optimtyper av ope
s i kursen.
ls vars frekvep som reflektigt dämpad pamt detekter
ed 3,3 V matnet finns digita
å blockschem
vståndsm
ultraljud. Huarkoppling sakall också gedel av unders 2.
ionspasset
dpuls och mohinner ljude
onstruktionenmed simulerinng på blocksc. t redovisa i eritat eller datanvända att k
ala konstrukrationsförstä
ens ligger överas mot den
på grund av aas. Tidmätniningsspänninala 3,3V-grä
manivå i PSp
mätning
uvudsyftet mamt välja opee dig mer erfrlaget för exa
ottagen ljudput på 1 ms? n. ng i PSpice. Mchemanivå k
examination orritat, med
koppla efter.
tionen. Den ärkarkoppling
ver vårt hörban yta till vilkeavstånd och aingen är tänkng. Denna innssnitt mot e
pice. Ladda n
med ultr
med konstrukerationsförstfarenhet av feamination X1
uls om avstå
Modifiera evkan du göra m
X1 angivna ben
är vald för agar och är sa
ara område. et avståndet absorption i
kt att kunna hngår dock inteen tänkt
ned dessa frå
raljud
ktionen är tärkare felsök-1.
åndet till
ventuellt med
nummer
att du amtidigt
skall
hanteras e i
ån
9(46)
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 4016 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 (VDD = +8 V och VSS = -8 V). Samma matningsspänning kan också användas till operationsförstärkarna. Styrsignalen som öppnar eller stänger 4016 bör med dessa värden vara cirka ± 8 V. Den digitala inspänningen på styringången räknas som hög om den ligger över 70% av matningsspänningen (> 3,2 V) och låg om den ligger under 30% av matningsspänningen ( < -3,2 V).
De ultraljudstransducers som används är av typen piezoelektriska kristaller och har en resonansfrekvens på 40 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.Det är inte kritiskt att det är en snygg sinuskurva, men det skall vara rätt frekvens.
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 konstru-era. 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 40 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 0,7 V. Du behöver också en koppling som omvandlar mottagen puls till en puls med nivåer mellan 0 V och 3,3 V. Matningsspänning 8 V kan vara lämplig i denna koppling men utspänningen måste minskas till max 3,3 Vför logisk etta och 0V för logisk nolla. Välj en OP som kan ge utspänning ned till negativa matningsspänningen och välj den matningsspänningen till 0 V.
Fundera på operationsförstärkarens frekvenskurva, möjlig övre gränsfrekvens och slew rate när du väljer operationsförstärkare.
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 40 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.
10(4
Sim
Momed
Moom änddu mkom
Elleund
Ett kurs
Tra
1 krimekspän
46)
muleringsmo
dell för µA7d i installatio
dell för TL0du vill använ
dra i propertiemåste lägga t
mponent har
er lägg till bider meny Lab
färdigt projeswebben.
ansducers
De ultrarespektidata enl
För sändyttre ele
Mottagamottageatt det f
istaller där ladkaniskt tryck. nning gäller.
odeller för O
741 (ekvivaleonen av utvär
74 finns att lnda en symbes alla LM32till under libgenom att m
iblioteket EGborationer på
ekt i PSpice f
aljudtransducive 73-029-1ligt datablad:
darkristallenektrisk spänn
arkristallen gen ljudpuls. Tfinns likström
ddningar förskÄven det omv
OP
ent med LM7rderingsversi
ladda hem frbol för LM3224 till TL074raries i simu
markera den o
GNAKOMP så kurswebbsi
för att simule
cers som anv2). Dessa är :
gäller att deningsändring
ger en liten spTänk på att umsväg för för
kjuts och ger uvända förhålla
741) och LMionen av PSp
rån halvledar24 som har sa4. Sedan skaluleringsprofiloch välja Edi
som innehållidan i länken
era på blocks
vänds är UTTav typen pie
en kommer i g.
pänning när ultraljudstranrströmmar in
upphov till en andet att krista
M324 finns i bpice.
rtillverkare (tamma bennull du ha en liblen. Du kan kit/PSpice mo
ler TL074. An "Info om PS
schemanivå f
T4010 och Uezoelektriska
mekanisk sv
den utsätts fnsducern är an till OP.
elektrisk spänallen deformer
biblioteket E
t ex Texas Inumrering (finb-fil med TLkontrollera vdel.
Anvisningar fSpice".
finns att ladd
UTR4010 (ELa1 kristaller o
vängning när
för yttre mekvbrott för lik
nning när kristras när den uts
EVAL.LIB so
nstruments). nns i EVAL) L074 modellevilken model
för detta hitta
da ned från
LFA 73-029-och de har fö
r den utsätts f
kanisk påverkkströmmar, s
tallen utsätts ftsätts för en el
om följer
Du kan och
en i som l en
ar du
-04 ljande
för en
kan från se till så
för ektrisk
11(46)
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 storsignal-koppling 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 40 kHz och förvissa dig om att maximal förstärkning är vid 40 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 tidsfördrö-jningen 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 operations-förstärkare du har att tillgå som är viktiga för oscillatorns funktion.
Slut på konstruktionsuppgift 2
12(46)
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 till-sammans 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=0.8 KP=180u LAMBDA=0.006 GAMMA=0.5 PHI=0.6 *$ .model mosP PMOS Level=1 + VTO=-0.8 KP=60u LAMBDA=0.010 GAMMA=0.45 PHI=0.6 *$ Antag att minsta kanallängd för denna tänkta process är 1 µm. VTO Tröskelspänning då 0SBV = (V)
KP Transkonduktanskoefficient n oxKP k Cμ′= = 2
AV
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
GAMMA Parameter för bodyeffekt γ= (12V )
PHI Ytpotential för inversion 2 fφ= Fermi level 0.3 Vfφ = (V)
LAMBDA Kanallängdsmodulation λ= ( -1V ) Följande symboler används för MOS-transistorer av anrikningstyp i detta lab-PM
Hjälp för att komma igång med simuleringen finns i bilaga 4.
S D
S
B
PMOS
G
BNMOS
G
D
Re Sam
Inlävia "Akvarj
1. H
2. Lf
3. Ä
Kuråter
MO
Omkorr
a
b
c
d
edovisning
mmanställ en
ämning skerbilda.kth.se
ktivitetens drje uppgift.
Hämta word
Lägg in dinför examina
Ändra filna
rsansvarig grsänds via B
OS-uppgift 1
m beräknade origera det.
Beräkna fötransistor o
Gör en simdu beräkna
Gör ett liksBestäm ett beräknat vä
Gör ett näsolika VGS frsecondary området tilmarkera pu
Cursor
Kurvan ska
g
n rapport öve
r via KTH’se eller via lädokument"
d-fil från "A
na svar och kator att hitta
amnet så att
granskar sedBilda.
1 An
och simulera
ör hand strömoch spänning
mulering (Biaat för hand. (r
spänningssvevärde på tran
ärde.
stlat likspännrån 0.7 V tillsweep. Markl mättnadsom
unkterna (Plo
och mark
all bli liknan
1.5Vdc
r dina resulta
s utbildningänk på kurswsom du kan
Aktivitetens
klistra in sima.
ditt namn in
dan och skr
alys av en
ade värden in
mmen ID och gar enligt figu
s Point) och ro=1/go=1/GD
ep med V_Gnskonduktan
ningssvep så l 1.5 V med skera de punkmrådet. Det got / Label / M
k label
de figur 8.11
V_GS
PARAM ET ERS
L = 1uW = 25u
0
G
at från nedan
gssystem förwebbsidan.
n använda fö
s dokument"
muleringsre
ngår i filnam
river komme
transistor
nte stämmer ö
småsignalpauren ovan (W
bestäm ID, gDS från utfil
S från 0V tilnsen ur lutnin
att du får IDsteg 0.1 V. A
kter på kurvorgår att lägga
Mark):
1 i läroboken
M1
mosN
S:
D
0
nstående upp
r webbasera I Bilda hitt
ör att lägga
".
esultat efter
mnet. Lämn
entarer direk
överens skal
arametrarna gW/L=25, VGS
gm och ro frånlen)
ll 2 V och ritngen på kurv
som funktionAnge VDS somrna där MOSin etiketter m
n.
L = L
W = W
0
pgifter: MOS
at lärande, Btar du ett doin dina svar
varje uppgi
na in filen v
kt i wordfil
l du försöka
gm and ro i vi= 1,5 V och
n utfilen. Jäm
a ID som funvan i vilopun
n av VDS frånm primary swS-modellen ämed hjälp av
0
V
S-uppgift 1-3
Bilda. Du lookument i r och lösnin
ift så att det
via Bilda.
len innan de
hitta felet oc
ilopunkten föVDS= 1,5 V)
mför med de
nktion av VGSnkten. Jämför
n 0 V till 3 Vweep och VGändras från liv markören fö
V_DS
1.5Vdc
13(46)
.
oggar in
ngar på
t blir lätt
en
ch
ör ).
värden
S. r med
V för GS som injära ör att
14(4
MO
Omliksdefi För a b c
d
e
f.
g.
46)
OS-uppgift 2
m du användespänningsvärinierar en sin
rstärkarens in
Dimensione
Beräkna sm
Gör en simufrån gate tillsimulerings
Resultatet h
Bestäm späninspännings
Anslut en sioch V(D) sa
Bestäm medutspänninge
Beskriv korsimuleringa
FREQ = 1VAMPL = VOFF = 1
AC = 0.01DC = 1.5V
2 An
er VSIN som rde och inspänusspänning
ngång är till G
era RD så att
måsignalförstä
ulering av Bil drain (dvs. inställningen
hamnar i utfil
nningsförstäskälla med A
inusformad samt bestäm s
d transientanen klipps. Ko
rtfattat skillnar enligt AC-
V_GS
1000Hz0.01V
1.5V
1VV 0
alys av ett
inspänningsänning för ACsom funktion
Gate och utg
du får samm
ärkningen frå
ias point ochspänningsfö
n.
len (PSpice /
rkning för smAC-komponen
spänning på ispänningsför
nalys utspännommentarer?
aden mellan analys respe
G
mos
enkelt förs
skälla kan duC-analys defn av tiden fö
gången är frå
ma vilopunkt
ån gate till d
h beräkna öveörstärkning) g
/ View Outpu
måsignaler mnt.
ingången ochrstärkningen
ningen för oli?
de modellerektive transie
0
RD
D
M1
sN
L = 1u
W = 2
stärkarsteg
u tilldela attrifinieras. VOFör transientan
ån Drain.
som i uppgif
rain med vär
erföringsfunkgenom att ma
ut File).
med en AC-an
h kör en tranfrån gate till
ika amplitud
r för transistoentanalys.
VDD
u
25u
g (CS-steg)
ibuten DC ocFF, VAMPLnalys.
ft 1. Matning
rdet på RD en
ktionen för sarkera TF (T
nalys. Tänk p
nsientanalys. drain.
der på insigna
orn som PSpi
0
V_DD
3Vdc
)
ch AC värdeL och FREQ
gsspänning V
nligt a.
småsignalspäTransfer Func
på att använ
Rita kurvor
alen till dess
ice använder
en så att
VDD= 3 V.
änning ction) i
da en
för V(G)
att
r vid
MO Du
a.
b.
c.
d.
e.
OS-uppgift 3
skall analyse
Gör ett likspänningsstörst. Obtvungen asom är in
Bestäm mM2 liggerär det att
Välj lämpkarakterisTransfer FResultate
Gör en smberäkna usimuleradLedning: signaler. Emed i signströmgenfinnas mekoppling mässiga b
Undersökförstärkar100 kΩ k
Ger koppatt transis
Rita signaoch härle
ut
in
UU
samt
Verifiera
3 An
era följande
kspänningssvsförstärkningbservera att datt simulera m
ntressant.
med simulerinr i mättade oanvända den
plig DC-nivåstiken där förFunction därt finns i utfil
måsignalmodur denna småde värden. Ta bara medEn transistornalmodellen
neratorn ur traed om det finfinns det ing
belastningen
k om kopplinre om en resi
kopplas enlig
plingen en vilstorn arbetar
alschema förd uttryck för
t beräkna vär
med simuler
alys av ett
förstärkare
vep och simugen från nod du, på grund med väldigt s
ng gränsernaområdet (satunna förstärka
å på inspännirstärkningenr du bestämmlen efter simu
dell av förstäåsignalförstär
d de delar avr som har sig. Är det inte ansistorns signns signalströgen yttre belakommer att
ngen ovan kaistor Rf med
gt figuren. C
lopunkt som i mättade om
r den föreslagr småsignalfö
rdet på förstä
ring.
CS-steg m
ulera överförIn till nod Uav att överfösmå steg och
a i överföringurated). Hur sare som den ä
ingen så att sn är maximalmer småsignauleringen.
ärkaren som ärkning samt
v transistorerngnalspänning
någon signagnalmodell. öm i transistoastningsresisbestämmas a
an användas sresistansvär antas vara s
garanterar mrådet?
gna förstärkaörstärkningen
ärkningen.
med aktiv la
ringskarakterUt i den punköringsfunktioh begränsa si
gskarakteriststort är dettaär?
steget arbetar. Gör en simalförstärknin
är giltig giltiin- och utres
nas signalmog på gate har alspänning påUtresistanseorn eller signstans anslutenav transistor
som det tor.
aren n
100 μA
M1
ast
ristiken för fökt på kurvan donen är så bramuleringen t
iken där tranområde i vo
r längs den dulering av Bg samt in- oc
g i den vilopsistans. Jämfö
odeller som ä transkondukå gate försvinn i transistor
nalspänning pn till transistoernas utresis
+
-Uin
C
förstärkaren. där förstärkn
rant, kan varatill den del a
nsistorerna Molt? Hur anvä
del av överföBias point mech utresistan
punkt du valtför med mots
är relevanta fktans och utrnner spänninrmodellen skpå drain. I de
tor M1 så denstans.
VDD
Rf
15(46)
Bestäm ningen är a av kurvan
M1 och ändbart
rings-ed s.
t i c och svarande
för resistans ngsstyrda kall enna n signal-
+
-
Uut
M2
M3
16(46)
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 LM3046 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 0-5,5 MHz (videofrekvens). Spolar 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.
Som utgångspunkt kan du använda följande koppling:
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.
PB23
VCC
CA3046
Q11
0
VCC5Vdc
R21k
R7
1k
CA3046
Q24
R9
1k
PC30
VEE
5VdcC41u
CA3046
Q14
CA3046
Q15
PB30
PB24
PE24In
CA3046
Q13
RC1
1k
PC21 PC22
VCC
VCC
VEE
C21n
R5
82
R8
1k
R4
1k
C11u
R3
1k
R1
1k
CA3046
Q21
C31n
CA3046
Q23
C5 1p
PE30
RC2
1k
PE23
VEE
Ut
0
QBC557BQ30
RE3
1.0k
CA3046
Q22
0
Ovamed
Kra Spä
Inre
För
DC
Önsinst Z0 äspänkarabelastär Gen För
Möngenveriatt eförb Anv Täntillg Någ
Löd Anvmenresi
anstående schd PSpice.
avspecifikat
änningsförstä
esistans
rstärkaren ska
-offset mind
skvärt är att ötabil, men he
är anslutningnnings- och akteristiska iastningsimperkaren belast
nomförande
rberedelse
nsterkort (senomförande nifierad med sendast mätreberedelserna
vänd checkli
nk på att vi hgängligt.
gra praktisk
dning av tran
vänd helst den de 1%-iga istansen inn
hema kan du
tion
ärkning 22
50
all klara spän
dre än ±50 mV
övre gränsfreelst större än
gskablarnas kströmvåg påimpedans bliedansen är anas med 75 Ω
e
e bilaga 6) konedan skall vsimulering nesultat behöv
får du inte b
ista enligt bil
ar E12-serien
ka anvisning
nsistorarrayer
e metallfilmsmotstånden an du löder f
u ladda ned fr
2,3 dB (obela
0 Ω
nningssvinge
V på utgånge
ekvensen ska10 MHz.
karakteristisk kabeln. Omir det inga refnpassad till kΩ.
ommer att finvara klarade fär du kommeer komplette
börja löda.
laga 7.
n (se bilaga 2
gar
rna på mönst
smotstånd vi har en turkosfast kompone
från kursweb
astad) Ma
Ut
et 1 Vtt (topp
en, dvs. |UUT
all vara så hö
ka impedans,m kablarna av
flektioner avkabeln. Obse
nnas tillgängföre lab så ater till lab. Skeras till rappo
2) av resistor
terkortet sker
har med 1%sblå bakgrunenten!
ben som utg
atningsspänn
tresistans
p-till-topp) i 7
T| < 50 mV d
ög som möjli
dvs. den imvslutas med ev spänningsververa att förs
gligt till lab. Ptt du har en kkriv den deleorten vid lab
rer i labsalen
r i labsalen e
% tolerans. Dendsfärg med
ångspunkt fö
ning ± 5
75
75 Ω last på
då UIN= 0V.
igt utan att fö
pedans som en last som ärågen på kabestärkningen h
Punkterna 1 okonstruktion n av rapportetillfället. Har
n. Dessutom
enligt lärares
et kan vara lisvårtolkad fä
ör dina simu
5 V
Ω
utgången.
örstärkaren b
gäller mellanr lika med kaeln, man säghalveras när
och 2 under vars funktio
ten färdig förr du inte gjor
finns 50Ω o
s anvisning.
ite blandat i färgkod. Kon
17(46)
leringar
blir
n abelns
ger att för-
rubriken on är re lab så rt
ch 75Ω
lådorna ntrollmät
18(46)
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 kopp-lingen för hand innan du börjar simulera.
a. Ett lämpligt utgångsvärde på R1 kan vara 50 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 0,1 till 2,0 mA. Det kan också vara lämplig nivå på viloström i förstärkartransistorerna Q21, Q22 och Q30. 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 (UBE 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 UBE 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 Q30 kan du utelämna R5.
c. Se till att signaltransistorerna har vettiga likspänningsnivåer med tanke på önskad utstyrning, dvs. transistorns UCE måste klara spänningssvinget runt vilovärdet utan risk för bottning (UCE=0).
d. Försök att med beräkningar uppskatta förstärkarens råförstärkning vid låga frekvenser.
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 inte ändras. Jämför resultatet med vad förstärkningen borde vara enligt beräknade 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 bestämma stabilitetsmarginalerna och stabilisera kopplingen. 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.
19(46)
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 TV-monitor till utgången och granska bildkvalitén.
6 Om du sammanställt dina dimensioneringar, beräkningar och simuleringar på ett över-skådligt 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 ICQ ger lägre inresistan rπ, lägre utresistans ro och högre transkonduktans gm
Om förstärkning beror av faktorn CQ RCm c c
T T
I Ug R RV V
= = kommer förstärkningen att bestämmas
av likspänningen över RC. 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 Rc på diffsteget som verkar begränsande tillsammans med transistorns interna kapacitans CBC. (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 Rc 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. darlingtonkopplad)
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 antag-ligen 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
20(46)
1k
R7
Ut0
R5923
CA3046
Q12
0
R8
12k
BetaV3
4.476mVdc
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 Rc/RE. RE är en synlig resistor men vad är RC? Totala signalbelastningen vid kollektorn på Q30 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 8.12. 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 Q12 .
2. 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.
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 0 V. När motkopplingen sluts kommer motkopplingen att tvinga spänningen på utgången till 0 V (eller nära 0 V) eftersom vi har 0 V in.
Med uppbruten slinga enligt ovan har du följande ekvivalenta nät:
Slingförstärkningen= ( )
( )V Beta
V In
Slut på konstruktionsuppgift 3
Rg
Ug Rin
R5= R7//R8
R8
R7
återkopplingsnätetsbelastning på ing.
Råförstärkning AvoQ11,Q12, ...,Q21 Återkoppling β
Beta
Insignal-källa
In
21(46)
Bilaga 1 Förberedelseuppgifter på TDA2030 Studera datablad för kretsen TDA2030 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 TDA2030. 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. R5 och C8 är inte monterade på förstärkarkortet.
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?
22(46)
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 12 10 . Här följer några av de vanligaste sifferserierna för resistorer: E12: 10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82 Vanligen märks resistorerna med en färgkod som är uppbyggd enligt följande princip.
Figur 1 Färgkodning av resistorer 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.
Figur 2 Potentiometer som variabel resistans och variabel spänningsdelare
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!
1:a och 2:a siffran
0 svart1 brun2 röd3 orange4 gul5 grön6 blå7 violett8 grå9 vit
antal nollor
0 svart1 brun2 röd3 orange4 gul5 grön6 blå7 violett
tolerans
1% brun 2 % röd 5 % guld10 % silver20% omärkt
+U-
+kU-
Variabelresistans
Variabelspännings-delare 0<k<1
23(46)
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.
Figur 3 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.
Figur 4 Hopkoppling av nollpunkt på spänningsaggregat Jordning 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.
Figur 5 Returströmmar kan orsaka varierande jordpotential
0 V
+30 V
-15 V
+15 VEnkel-matning
Dubbel-matning
Spänningar relativt systemjord
+15V
-
+15V
-
0V
-15V
+15V
Signal-källa För-
förstärkareHögtalareEffekt-
förstärkare
E+
R= Ledningsresistans
R R R R
Stor signal-returström
i jordledning
Varierande potentialpå grund av lednings-
resistans
24(46)
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, TL074) så kan du ange vilken krets du använder (A,B,C,D).
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 TL074 lite snabbare OP, pinkompatibel med LM324
Du klarar dig bra med μA741 eller LM324 till konstruktionsuppgift 1 men kan behöva använda TL074 i konstruktionsuppgift 2.
Resistorer 10 ohm till 1 Megaohm i E12-serien (10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82)
Kondensatorer 10 pF till 820 pF i E12-serien 1 nF till 680 nF i E6-serien (10 15 22 33 47 68) 1 µF 2,2 µF 3,3 µF 4,7 µF 10 µF 22 µF 33 µF 47 µF 100 µF
V+
V-
Utgång
Icke inverterandeingångInverterande
ingång2
3
4
67 1
2
34
Offset null
Icke inv ingång
Inv ingång
DIL-kapsel
741
V-
V+
UtgångOffset null
NC
NC= No Connection (anslutningen används inte)
56
7
8
741
a) b)
25(46)
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:
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 kom-ponenter 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 AC-kopplar när du trycker på gröna knappen (AUTOSET), DC-koppla om du vill mäta hela spänningen!
Kontakt hela radenlämpligt för
matningsspänning
Kontaktkolumnvis
26(46)
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 AC-analys 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, TL074) 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)
• Transientanalys (tidssvep)
Vi kommer att rita vidstående schema i detta exempel.
R1100k
V215Vdc
E-
E-
0
E+
0
U3
uA741
3
2
74
6
1
5+
-
V+V
-
OUT
OS1
OS2
R3
10k
0
C1
1uE+
V11Vac0Vdc
R2
1k
0
C2
1u
In_OP
V315Vdc
In
Ut
Star Välj Angallakon Norscheintepå sproj
Fördu a
Gör
Pla
ochPSp
Kor
AB
Ana
Bre
Eva
Sou
Spe
För kreten efärd
ObsPSp
rta Orcad
lj File / N
ge namn på da filer som sknstruktion för
rmalt när du emasida i Ca
e öppnas autoschemasidanjekthantering
rsta gången dange vilka bi
r
ce / Part
h markera alpice.
rtfattad beskr
M An
alog ana
eakout Sym
al här
urce här
ecial sym
r halvledarkotsbeskrivningegen textfil (diga simulerb
servera att dpice utan är e
Capture.
New / Project
den konstrukkapas samt ser OP_ex.
börjar ett nyapture. Öppnomatiskt. Du
ns namn, i detgsfönstret.
du använder Pibliotek du v
lla bibliotek
rivning av bi
nalog Behavi
aloga grundk
mboler för h
r finns ett urv
r finns olika
mboler som i
omponenter ogar som besk( vanlig filtypbara symbole
det finns anenbart schem
Capture
t…
ktion du vill se till att Anal
ytt projekt så nar du ett befu kan då öppntta fall PAGE
PSpice måstill använda.
k i katalogen
iblioteken
oral Modelin
komponenter
halvledarkom
val halvledar
typer av gen
inte passat in
och operationkriver modelp är .LIB) ocer.
dra symbolbmasymboler a
e är schemar
simulera, anglog or Mixe
öppnas en bfintligt projekna genom attE1, i
te
n
ng, matemati
r som R, L, C
mponenter, m
rkomponente
neratorer för
n någon anna
nsförstärkarellen som anvch måste kop
bibliotek i aavsedda för a
ritningsprogr
ge sökväg tild A/D är ma
blank kt brukar sidt dubbelklick
iskt beskrivn
C, beroende g
modeller måst
er med färdig
att generera
anstans
e måste det fiänds vid simplas till sym
andra katalogatt rita mönst
rammet
ll den katalogarkerad. Jag v
an ka
na överföring
generatorer,
te läggas till
ga modeller
insignaler
innas givna pmuleringen. D
bolen. I detta
ger. Dessa äterkortlayout
g du vill anvväljer att kal
gsfunktioner
...
parametervärDessa modella exempel an
är inte simuter.
27(46)
vända för la min
rden eller ler finns i nvänds
ulerbara i
28(4
Vi b
Kor
Pla
Pla
Pla
Döpanse
Övrskal
Pla
DetJordtvunsour
1Va0Vd
46)
börjar nu me
rtfattad beskr
ce / Part
ce / Ground
ce / Power
p om till E+ es de hopbun
riga ledningall visas efter
ce / Net Alia
t måste finndsymbolen mngen att läggrce.olb i map
0
C
V1acdc
In
ed att rita sch
rivning av vi
R, C
UA741
VDC, VA
d 0
VCC_CI
respektive Endna och du
ar kan du ge simuleringe
as In, Ut res
na en nod med namnetga till ett bibppen PSpice
R10
0
C1
1uIn
hemat
ilka komman
L
L
AC L
L
IRCLE L
E-, enligt schslipper dra le
ett lämpligtn
spektive In_O
som har na0 kan vara
bliotek. Efter.
R100k
U3
uA741
3
2
+
-
0
R2
1k
C2
1u
_OP
ndon du anvä
Library: ANA
Library: EVA
Library: SOU
Library: SOU
Library: CAP
hemat ovan. edningarna f
t namn så är
OP
amnet 0, soa lite svår ar Place / Gr
E-
E+
74
6
1
5
V+
V-
OUT
OS1
OS2
R3
10k
änder när du
ALOG
AL
URCE
URCE
SYM
Om två nodför matnings
det lättare a
om definieratt hitta. Om
round gör du
Ut
ritar schema
der i ett schespänning rak
att hitta för v
ar referens m du inte hitu Add Librar
V15Vdc
E-
E+
V15Vdc
at
ema har sammkt in i schem
vilken nod sp
för alla spttar den kanry och mark
V2
0V3
ma namn at.
pänningar
änningar. n du vara erar filen
När
PSp
Det
Tim
DC
AC
Bia
Sim
I deAnajäm
Starsche
Näratt d
Tra
r schemat är
pice / New S
t finns några
me domain (
sweep
sweep / Noi
as point
mulering me
etta fall önskalysis / Setu
mnt fördelade
rta simuleriemaritningsp
r simuleringedu ska kunna
ace / Add Tr
färdigritat är
Simulation P
olika typer a
Transient)
ise
d AC-analy
kar vi rita föup... väljer v i en logaritm
ngen! PSpiprogrammet.
en är klar, oca rita kurvor
race
r det dags att
Profile
av simulering
ger kurvekvationkommer
ger en spänning
ger ett slinjär mo
beräknar
s
rstärkning i vi ett bestämmisk frekven
ice / Run
ch om den gåoch studera
t skapa en sim
g att välja m
vor som funner, så olinjär att påverka
likspänninggsområde.
svep över ett odell kring l
ar likspänning
dB och ha lmt antal punnsskala.
alternativt
år igenom utsimuleringsr
muleringspro
ellan:
nktion av tidära egenskap
kurvorna.
g som svep
frekvensomikspänningsp
gar och likstr
logaritmisk fkter per dek
tryck på P
tan fel, öppnresultatet.
ofil.
den. Här anver hos komp
per med an
råde, linjärt punkten anvä
römmar i nät
frekvensskalakad. Beräkni
Play-knappen
nas ett fönster
vänds kompponenten kar
ngivet steg
eller logaritmänds.
tet.
a. I AC Sweingspunktern
n på knapp
er (Probe win
29(46)
ponentens akteristik
över ett
miskt. En
eep under na blir då
menyn i
ndow) för
30(4
Denhjälströ
DB
P()
Ang
Närförs
Stanefte100mitt
Om
så k
46)
n spänning (elp av funktioömmar från n
() beräkna
beräkna
ger man bara
r diagrammestärkning i de
ndardinställnersom det ge0 Hz ges såleten av dekad
m du ändrar g
kan du få ett
10-40
-20
0
20
40
-
-
eller ström, eonerna i högrnätet som sim
ar dB av belo
ar fas, Ex: P(
a V(UT)/V(IN
et skall ritaseciBel.
ningen för hr en graderinedes en prickden)
graderingen p
diagram med
00mHz 1.0HzDB(V(UT)/V(IN)
0
0
0
0
0
100mHz 1.0HDB(V(UT)/V(IN
40
20
0
20
40
effekt) som sra delen kan mulerats.
oppet, samma
(V(UT)/V(IN
N) ritas belop
s använder v
hur diagram ng i logaritmkad linje vid
på x-axeln un
d följande gr
z 10Hz))
Hz 10HzN))
skall visas kadu bygga up
a som 20*LO
N))
oppet, samma
vi funktionen
m med logarimisk skala md 30 Hz (log
nder Plot/Ax
radering, vilk
Freque
100Hz
Freque
100Hz
an du välja i pp ett uttryck
OG10() Ex: D
a som M(V(U
n DB(V(Ut)
itmiska axlamitt emellan j
3 = 0,48, dä
xis Settings i
ket torde se l
ncy
1.0KHz 1
ncy
1.0KHz 1
vänstra delenk eller funktio
DB(V(UT)/V
UT)/ V(IN))
)/V(In)) för
ar ritas är i ämna tiopotärför hamnar
fliken X gri
ite bättre ut.
10KHz 100K
0KHz 100KHz
n av fönstreton av spänni
V(IN))
att beräkna
mitt tycke
tenser. Mellar strecket str
id till följand
Hz 1.0MHz
z 1.0MHz
t och med ingar och
a och rita
inte bra an 10 och rax under
de
31(46)
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))
eller i olika diagram
Plot / Add Plot to Window och Trace / Add Trace P(V(UT)/V(IN))
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 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=0.1V är inspänning för AC-analys. Generatorn VSIN kan alltså användas även för AC-analys.
Frequency
100mHz 1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz1 DB(V(UT)/V(IN)) 2 P(V(UT)/V(IN))
-40
-20
0
20
401
-200d
-100d
0d
100d2
>>
Frequency
100mHz 1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHzP(V(UT)/V(IN))
-190d
0d
180dDB(V(UT)/V(IN))
-40
0
40
SEL>>
V4
FREQ = 1000HzVAMPL = 0.1VVOFF = 0V
AC = 0.1V
32(4
SätManalte
MinDeftäta
Kör
Som
NärLev
Finn
Kur
-2
-1
1
2
46)
tt upp en nyn kan ha fle
ernativa simu
nska Maximufaultvärdet, oare än step siz
r en simuleri
m synes är ut
r du vill rita uvel marker i s
ns på PSpice
rvan ritas me
0sV(UT) V(I
2.0V
1.0V
0V
1.0V
2.0V
y simulerinera simulerinuleringar som
um step sizeom man inteze, men värd
ng:
tspänningen
upp en spännschemat, så r
e / Markers
ed samma fär
2msIN)
ngsprofil. ngsprofiler s
m du behöver
om det är föe anger Maxden på strömm
förstärkt och
ning i en nodritas kurvan u
– menyn elle
rg som mark
Ti
4ms
så att du intr växla mella
ör glest mellximum step mar och spän
h i fas med in
d eller ström upp direkt ef
er direkt med
kören har i sc
ime
6ms
te behöver äan.
an ritpunktersize, är 1/50
nningar i nät
nspänningen.
i en anslutnifter simulerin
d en av knap
chemat.
8ms
ändra hela ti
rna så att kur0 av sluttidetet sparas me
.
ing kan du läng.
pparna.
10ms
iden när du
urvan inte seren. Beräknined angivet tid
ägga upp en
har flera
r jämn ut. ngen sker dssteg.
Voltage /
Slu
Detden
Proj
Låt en l
MarÄnd
MarSch
Mar
Proj
Du kopönskscheMakatt srot-
Näralla
tligen några
t är ganska vn gamla. Istäl
jektfönstret s
oss döpa omlikadant sche
rkera SCHEdra namnet ti
rkera .\ophematic. Nam
rkera sedan E
jektfönstret s
kan nu marpiera och klikade ändringemat aktiverke Root. (Dspara konstru-katalog)
r du skapar sa inställninga
a tips om att
vanligt att mllet för att sk
ser nu ut på f
m nuvarande ema som hete
EMATIC1, ill Ex1.
p_ex.dsn, hmnge det till E
Ex2, högerkl
ser nu ut så h
rkera hela kstra in den igar. För att ras. Markera
Du kan eventuktionen inn
simuleringsprar från det tid
t hantera fle
man vill göra apa nya proj
följande sätt.
schema till er Ex2.
högerklicka
högerklicka Ex2.
licka och Ne
här.
kretsen i schi schemat i Ekunna köra Ex2, högerk
tuellt få ett pnan det går a
rofiler för dedigare schem
era variante
några modiekt kan man
.
Ex1 och ska
och renam
och Ne
ew page.
hemat för ExEx2 samt göEx2 måste dklicka och vpåpekande o
att göra den t
et nya schemmats profiler.
er av samma
fieringar i scn hantera fler
apa
me.
ew
x1, öra det
välj om till
mat är det enk
a konstruktio
chemat och sa scheman i
kelt att låta p
ion.
samtidigt vilsamma proje
profilen ärva
33(46)
ll behålla ekt.
a (inherit)
34(4
C_
--
ER
Van
(hitt
Att på r
En k
C_C
Cna
För
Avbring
Nod
46)
_C1
------------
RROR -- unkn
nliga fel som
ttar du andra;
ett m
det är ett meraden som de
komponenttr
C1
amn no
rsta bokstave
brott, nätlistagen och fixa
d som ”häng
IN IN_OP 1
------------
nown paramet
m kan inträf
; vänligen do
mellanslag me
ellanrum tolkefinierar kom
rad för, i det
IN IN_
od1 nod2
en anger typ a
a kan inte sktill anslutnin
er i luften”
1 u
--$
ter
ffa
okumentera d
ellan värde o
Det kdettasymbsimuhärrö
kas som att dmponenten.
här fallet, en
_OP 1u
2 värde
av komponen
kapas. Grönangen!
C_C3 **** .END ERRORERROR
det så kan jag
och enhet/pre
kan tyckas a. Anledningbol omvandlulatorn. Formör från tidiga
det kommer n
n kondensato
nt (C= konde
a ringen mar
UT
RESUMING o
R -- Less tR -- Node N
g ta med det
efix ger följan
konstigt at gen är att allas till textra
matet på dena versioner av
något mer, so
or ser up på f
ensator), sed
rkerar var fel
T N06944 1
op_ex-ex1-f
than 2 connN06944 is f
i nästa versi
nde felmedd
programmetla propertiesader i den f
n filen är ett v SPICE reda
om i det här
följande sätt
an anges nod
let finns i sc
1n
frekvenssve
nections atfloating
ion)
delande
t inte fixar s för en komfil som är int standardforan på 70-tale
fallet inte ka
der och värd
chemat. Rade
ep.sim.cir
t node N069
att tolka mponent-ndata till rmat som et.
an tolkas,
e.
era gröna
****
944
Bil I deeditStar Väljatt a
Väljläggkata
laga 4
enna introduktion. Denna vrta schemarit
lj File / Newanvända för
lj Place / Parga till PSpicealogen för PS
Simuler
ktion till simversion är betningsprogra
w Project ochditt projekt o
rt från scheme-biliotek genSpice.
ring av M
mulering av Megränsad till sammet Captu
h kryssa för ”och ge projek
maritningsfönnom att välja
MOS med
MOS med PSsimuleringarure.
”Analog or Mktet ett namn
nstret. Den föa ”Add Libra
d PSpice
Spice användr med max 64
Mixed A/D”n
första gångenary” och välj
s OrCad PSp4 noder och
. Bläddra till
n du startar dea alla symbo
pice ver 9.2 lmax 10 trans
l den katalog
detta kan du bolbibliotek so
35(46)
lite sistorer.
g du avser
behöva om finns
36(4
Vi k
Anv Pla Pla
Pla Pla Pla Pla
Nu
Nu tran
46)
kommer nu a
vänd dessa k
ce / Part
ce / Ground
ce / Part
ce / Power
ce / Wire
ce / Net Alia
borde schem
behöver vi ensistorn.
att rita och si
kommandon f
Mbre(Mbre
d 0
VDC VSIN
VCC_
koppl
as namnnamn(VDD
mat se ut ung
en SPICE-mo
imulera följa
för att rita sc
akN NeakP är
LbiSP
LN
_CIRCLE
la ihop komp
nge ledningarn kopplas ihoD).
efär så här:
odell för tran
ande enkla ko
chemat i Cap
NMOS-transir motsvarand
Library Sourciblioteket förPICE måste
Library Sourc
Library CA
ponenterna m
r så är det lätop utan att led
nsistorn skall
oppling:
pture
stor, Libraryde PMOS-tra
ce, du måste r att hitta jordet finnas en
ce
APSYM
med ledninga
ttare att hitta dningen mås
l kunna kopp
y BREAKOUansistor)
eventuellt lädsymbolen mn nod med na
ar
signaler. Lete vara drage
pla den till de
UT
ägga till det hmed namnet amnet 0 som
edningar meden hela väge
en aktuella
här 0, i
m referens
d samma n
MO
Komnammod Kop(enk Ska PSp Und
Mo Gå Mbr Änd
Mb
OS_modellen
mmentarrademn på MOS-mdelleras.
piera modellklast) eller an
apa en simule
pice / New S
der fliken Lib
dellfilen MO
tillbaka till sreakN till mo
dra
* P*$ .m+ *$.m+ *$
M1
breakN
n skrivs med
er inleds medmodellerna. N
filen, till exennan valfri k
eringsprofil m
Simulation P
braries, bläd
OS_models.li
schemat. DubosN i ditt sch
PSpice CMO
model mosNVTO=0.8 K
model mosPVTO=-0.8
en texteditor
d * och fortsäNMOS och P
empel MOS_katalog.
med valfritt n
Profile
dra till mode
ib finns nu ti
bbelklicka påhema för NM
OS-modelle
N NMOS LeKP=180u L
P PMOS LeKP=60u L
r i en ren tex
ättningsraderPMOS talar
_models.lib,
namn, I detta
ellfilen och lä
illgänglig. M
å MbreakN oMOS-transist
till
er Analog
evel=1 LAMBDA=0.
evel=1 LAMBDA=0.
xtfil och kan
r inleds med om vilken ty
till den katal
a fall har jag
ägg till den t
Modellnamnet
och ändra atttorn.
elektron
.006 GAMM
.010 GAMM
M1
mosN
se ut så här
+. mosN ochyp av kompo
log där du sp
valt ”DC-sv
till din design
t för NMOS-
tributet Imple
ik IE1202
MA=0.5 PH
MA=0.45 P
h mosP är egonent som
parar ditt proj
vep”
n.
-transistorn ä
ementation f
HI=0.6
PHI=0.6
37(46)
gna
jekt
är mosN.
från
38(4
Du Edi
Här Tranen ktranhög
Väljlika
46)
kan testa att it / PSpice M
r kan du om d
nsistorns arekonstruktion nsistorn, högegerklicka någ
lj attributet Ladant med W
programmetModel
du vill ändra
ea, kanalbredkan tänkas v
erklicka och gonstans i pro
L och klicka pW. W och L sk
t hittar mode
a parametrarn
dd W och kanvälja olika brvälj ”Edit Pr
operty editor
på Display…kall nu synas
ellen genom
na i modellen
nallängd L, äredder och läroperties…”r och välja pi
… och ändra Ds i schemat:
att markera t
n.
är inte specifängder gör vi”. Ser ut så häivot för att få
Display Prop
transistorn, h
ficerat i modei detta i scheär (du kan tänå allt i en ver
perties till Na
högerklicka o
ellen. Eftersoemat. Markeränkas behövartikal kolumn
ame and Val
och välja
om vi i ra a n):
ue. Gör
Nu
Följ
Nu ett l PSp
kan vi snygg
jande ändrin
• Namnet psynliga. Doch FREQlikspännin
• Namnet V
• Värden h
kan det varalikspännings
pice / Edit S
ga till schem
ngar har gjort
på inspänningDenna insignQ används vingsnivå. Äve
VCC_CIRCL
ar angetts fö
a dags att spesvep på V_G
imulation P
mat, ändra lite
ts i schemat:
gskällan har nalkälla kan aid transientanen lämpliga v
LE har bytts
r matningssp
ecificera värdGS från 0 V t
Profile
e namn och a
ändrats till Vanvändas förnalys, AC vivärden har a
till VDD.
pänning sam
den på simultill 3.3 V.
ange några vä
V_GS och der alla typer avid AC-analys
angett för insp
mt transistorns
eringen som
ärden.
ess attribut Av simulerings och DC defpänningskäll
s bredd W oc
skall köras.
AC och DC hg. VOFF, VAfinierar lan.
ch längd L.
Antag att vi
39(46)
har gjorts AMPL
vill göra
40(4
Nu scheGöroch
Skapoin
Kör
46)
kan du köra emaritningspr Trace / Add
h klistra bilde
apa en ny simnt informatio
r en simuleri
0VID(M
0A
1.0mA
2.0mA
3.0mA
en simulerinprogrammet.d Trace... ochen över till W
muleringprofion” i utfilen.
ng.
0.5VM1)
ng PSpice / R Efter simuleh välj att visa
Word.
il med namn
1.0V
Run alternateringen öppna ID(M1). W
net Vilopunkt
V V G
1.5V
ivt trycka pånas ett nytt fö
Window / Cop
t och marker
GS
2.0V
å Play-knappönster för att py to Clipboa
ra att du vill h
2.5V
en i knappmt presentera rard... låter di
ha ”detailed
3.0V 3.
menyn på resultatet. ig klippa
bias
.5V
41(46)
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-04 Likström drain VGS 1.50E+00 Likspänning mellan gate och source VDS 3.30E+00 Likspänning mellan drain och source VBS 0.00E+00 VTH 8.00E-01 Tröskelspänning VDSAT 7.00E-01 Lin0/Sat1 -1.00E+00 if -1.00E+00 ir -1.00E+00 TAU -1.00E+00 Signalparametrar GM 6.42E-04 Transkonduktans gm GDS 1.32E-06 Utkonduktans gds=go GMB 2.07E-04 Transkonduktans från bulk gmb CBD 0.00E+00 CBS 0.00E+00 Alla kapacitansvärden är noll CGSOV 0.00E+00 eftersom de inte specificerats CGDOV 0.00E+00 i MOS-modellen. Area för drain CGBOV 0.00E+00 och source är inte heller specificerat CGS 0.00E+00 vilket påverkar kapacitansen CGD 0.00E+00 CGB 0.00E+00
42(4
Bil
Ma Änd Uts
In
TEST P
1
GND.
TEST P
1
46)
laga 5
atningsspän
dra förstärk
signal efter
R11
1.5k
In
VCC
TEST POINT
1
GND
TEST POINT
1
VEE
TEST POINT
1
POINT
POINT
C11u
C21u
Filter oc
nning VE
VC
GN
kning med G
respektive f
0
0
C111n
C12
1n
R13470
VCC
VEE
1u
2u
ch förstä
EE= ‐8 V
CC = +8 V
ND = 0V
Gain1 och G
förstärkare
R30
10k
0
C30
3.3n
VEE
VCC
R1239k
U1A
TL07OUT
1
+3
-2
V+4
V-11
ärkare 40
Gain2
UT1, UT2,
R32
100k
SET = 1
VEE
VCC
OUT
+10
-9
V+4
V-11
R31
10k
0
Ut1
74_
1
Ut1TEST PO
1
0 kHz, mö
UT3, UT4
5
6
R21
10k
0
U1C
TL074_
8C4
3.3
Ut3TEST POIN
1
Ut3
OINT
önsterko
VCC
VEE
U1B
TL074_
OUT7
+
-
V+4
V-11
k
R22
100k
R41
10k
12
13
0
R40
10k
0
40
3n
NT
ort
Ut2
R42
100kSET = 1
k
VCCU1D
TL074_
OUT14
+2
-3
V+4
V-11
VEE
_
Ut4
Ut2TEST POINT
1
Ut4TEST POINT
1
Bil Mö
Und
Mat
StorVär
Betlöda
PVC
PGN
PVE
PBk
PCk
PEk
laga 6
önsterkort
dersidan av k
tningsspänni
rleksordningrdena är dock
eckningar påa in anslutnin
CCx ans
NDx ans
EEx ans
kt ans
kt ans
kt ans
Mönster
kortet är huv
ingar koppla
g på avkopplik inte kritisk
å komponentngstrådar är
slutningar til
slutningar til
slutningar til
slutning till b
slutning till k
slutning till e
rkort till
udsakligen jo
s till VCC (+
ingskondensa.
terna stämmemarkerade p
l positiv mat
l referens 0 V
l negativ ma
basen på tran
kollektorn på
emittern på tr
videoför
ordplan.
+5 V), VEE (
atorer är µF
er med schempå följande sä
tningsspänni
V (jord)
atningsspänn
nsistor t i kap
å transistor t
ransistor t i k
rstärkare
(-5 V) och G
parallellt me
mat nedan. Aätt:
ing
ing
psel k
i kapsel k
kapsel k
en
GND (0 V).
ed nF, t.ex. 1
Anslutningspu
1 µF och 10 n
unkter där du
43(46)
nF.
u kan
44(4
Layför
På k
Bet
Qkt
Q11
Q12till isol
Tran
46)
youten på koratt komplette
kortet finns d
eckningar på
t transisto
1, Q12, Q13,
2 och Q25 ansubstratet oclera transisto
nsistorarray
CA3046
Q14
VCC
In
0R2
1k
R1
1k
rtet stämmerera koppling
det markerat
å transistorer
or t i kapsel k
, Q14, Q15 l
nvänds inte. ch måste läggrerna från va
LM3046 elle
RC1
1k
CA30
Q13
P
R3
1k
PC21
CA3046
Q21
R4
1k
r överens megen.
anslutningar
rna i schemat
k, den vänstr
igger alltså i
Dock är emigas på lägsta arandra leder
er CA3046 (
046
PC22
CA3046
Q22
RC2
1k
VEE
PB30
C5 1p
ed nedanståen
r PC21, PC2
t är
ra kapseln är
i vänstra kap
ittern på Q25a potential förr ström.
(övrig inform
PB
CA3046
Q11
CA
PC30
RE3
1.0k
QBC557BQ30
R5
82
PE30
nde schema.
22, PB30, etc
r kapsel 1 (u1
seln och Q21
5 ansluten tillr att undvika
mation, se da
CA3046
B23
A3046
Q23
PB24
CA3046
R7
1k
PE24
PE23
R8
1k
0
Du löder sjä
. där du kan
1 i layouten)
1, Q23, Q24
l VEE eftersoa att PN-över
atablad för öv
Q15
C41u
R9
1k
Q24
C11u
VCC
älv kopplings
löda kopplin
i den högra.
om den är korgångar som
vrig informa
VC
4
VEE
1
C31n
Ut
C21n
strådar
ngstråd.
opplad skall
tion)
CC
VEE
5Vdc0
VCC5Vdc
45(46)
Bilaga 7 Checklista Lab 3 Videoförstärkare Studentens namn ................................................................................ Studentens egenkontroll Signatur
Svårighetgrad 1 och 2
Beräkningar för hand klara ( )
Likspänningsnivåer verifierade med simulering ( )
Sving i utspänning verifierat med transientanalys ( )
Bandbredden verifierad med AC-analys ( )
Svårighetgrad 2 Stabilitetsmarginaler undersökta med simulering ( )
Fasmarginal > 45° ( )
Lärarens kontroll vid start Utskrifter av ovanstående uppvisat ( )
Studentens egenkontroll under laborationen
Lödning avsynad under lupp/förstoringsglas ( )
Likspänningar uppmätta ( )
Förstärkning, gränsfrekvens och utstyrning uppmätt ( )
Stabilitet testad ( )
Förstärkaren testad med videosignal från kamera ( )
Lärarens godkännande Laborationen godkänd ( )
Rapport godkänd ( )
46(46)
Bilaga 8 Labkvitto IE1202 Analog elektronik Studentens namn ..................................................................................................................... Inlämningsuppgift RC-filter ---------------------------------------------------- Lab 1 --------------------------------------- Lab 2 --------------------------------------- X1 ------------------------------------------------------------------------------------- Inlämningsuppgift MOS --------------------------------------------------------- Lab 3 ---------------------------------------
Godkänd
Godkänd Förberedelse
Godkänd Förberedelse
Godkänd Förberedelse
Godkänd
Godkänd