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Elettronica applicata - Amplificatori Differenziali e specchi di corrente

elettronica




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III Lezione di laboratorio 

di Elettronica applicata


Amplificatori Differenziali e specchi di corrente


Introduzione agli esperimenti: 


I seguenti esperimenti costituiscono degli esempi pratici, utili per comprendere il funzionamento degli AMPLIFICATORI DIFFERENZIALI, e degli SPECCHI DI CORRENTE.

Gli stadi differenziali, costituiti da coppie di BJT accoppiati di emettitore o da coppie di FET accoppiati di source, sono i sottocircuiti a due transistor più ampiamente usat 151g69b i nei circuiti integrati : l'utilizzo di questo tipo di circuito, deriva dal fatto che cascate di coppie di BJT accoppiati di emettitore o di coppie di FET accoppiati di source, possono essere collegate direttamente senza l'interposizione di condensatori di accoppiamento, dal fatto che le caratteristiche differenziali di ingresso di questi stadi sono richieste da molti circuiti analogici e dal fatto che l'amplificatore differenziale consente di amplificare anche segnali di livello piccolo.

Quest'ultima caratteristica è insita nel funzionamento stesso dello stadio differenziale : il segnale di tensione con ampiezza di qualche mV non è applicato tra la massa e l'ingresso dell'amplificatore, ciò significa che il segnale che arriva realmente all'ingresso dell'amplificatore e che quindi viene effettivamente amplificato è la differenza dei due segnali provenienti dal generatore di ingresso. In questo modo il disturbo ossia il rumore comune ad entrambi i segnali di ingresso e definito segnale di MODO COMUNE (cioè segnale comune ai due ingressi dell'amplificatore) viene notevolmente attenuato ; si ha quindi un effetto di cancellazione del segnale di modo comune .



Proprio perché l'aspetto principale del comportamento di uno stadio differenziale è rappresentato dalla maggiore attenuazione possibile in uscita del segnale di modo comune presente all'ingresso (poiché la risposta al segnale di modo comune è indesiderata e rappresenta un disturbo in uscita) la minimizzazione del guadagno di modo comune è un importante obiettivo nel progetto di un amplificatore differenziale.

Per questo motivo si definisce una quantità che caratterizza in questo senso le proprietà dello stadio differenziale :

Rapporto di reiezione di modo comune :

CMRR = Adm / Acm ;

dove:

Adm = guadagno di modo differenziale ;

Acm = guadagno di modo comune


Particolare importanza rivestono anche gli specchi di corrente. Essi sono generatori di corrente utilizzanti dispositivi attivi e sono ormai diventati di uso comune. L'uso di generatori di corrente utilizzanti dispositivi attivi rientra nel discorso del controllo della stabilità della polarizzazione perché garantisce un'elevata insensibilità delle prestazioni del circuito alle variazioni della sorgente di alimentazione ed alla temperatura. Gli specchi di corrente sono indicati quando la corrente di polarizzazione richiesta è di piccolo valore.

Essi possono essere usati come elementi di carico in amplificatori a transistor, e in questo caso si sfrutta la loro elevata resistenza incrementale per ottenere un elevato guadagno di tensione a basse correnti di polarizzazione, di qui il concetto di CARICO ATTIVO cioè di generatore di corrente utilizzante dispositivi attivi usato come carico in un amplificatore.


In base a quanto detto sono stati condotti i seguenti esperimenti:


Analisi di uno stadio differenziale a BJT con carico passivo e polarizzazione realizzata con resistenza di emettitore, verifica del suo punto di lavoro, misura dei guadagni Adm e Acm, misura del CMRR e confronto con i valori trovati col circuito equivalente di piccolo segnale.

Analisi di uno stadio differenziale a BJT con carico passivo e polarizzazione realizzata con uno specchio di corrente, verifica del suo punto di lavoro, misura dei guadagni Adm e Acm, misura del CMRR e confronto col CMRR del circuito esaminato precedentemente.

Analisi di uno stadio differenziale a BJT con carico attivo e polarizzazione realizzata con uno specchio di corrente, verifica del suo punto di lavoro, calcolo dei guadagni Vout/Vin con Vin=0.

Valutazione della resistenza di uscita dello specchio di Wilson attraverso l'interpolazione lineare di coppie di punti (V,I) ottenute in corrispondenza di diversi valori di R2.




Esperimento N.1


In questo primo esperimento abbiamo studiato il funzionamento di un amplificatore differenziale. Tale schema sta alla base degli stadi di ingresso degli amplificatori operazionali integrati.


Schema del circuito



Per prima cosa bisogna verificare che il circuito stia lavorando correttamente in Z.A.D., e ciò lo abbiamo fatto tramite le seguenti misure sperimentali:



gia il fatto che le correnti dei collettori siano uguali ci assicura che i due BJT stanno funzionando in Z.A.D., inoltre :




quindi:


   i BJT lavorano in Z.A.D.


In un secondo luogo siamo andati a misurare il guadagno di modo comune ( Acm ). Per misurare il guadagno di modo comune si connettono insieme gli ingressi dell'amplificatore e a questi viene poi applicato il segnale comune di ingresso per mezzo del generatore di funzioni. Applicando in queste condizioni un segnale di tensione sinusoidale:


     con ampiezza di 1Vpp e frequenza 1 kHz


si ricava in uscita un segnale di tensione sinusoidale di ampiezza:


invertito di 180° rispetto al segnale di ingresso


Ciò significa che lo stadio ha un comportamento invertente per il modo comune e che attenua il segnale di modo comune :



Per ricavare l'amplificazione di modo differenziale ( Adm ) si pone la base di Q2 a massa e si collega la base di Q1 al generatore di funzioni e si applica un segnale di ingresso di modo differenziale. Quindi considerando un segnale di tensione sinusoidale Vi di ampiezza di 50 mVpp e frequenza di 1 kHz si ha in uscita un segnale di tensione sinusoidale Vopp =3.68Vpp e considerando che:



quindi:



inoltre





Ora verifichiamo l'esattezza delle misure usando le formule ricavate dal circuito equivalente di piccolo segnale:





Esperimento N.2



Per migliorare l'attenuazione del modo comune e quindi aumentare il valore del CMRR dell'amplificatore differenziale si polarizza lo stadio con uno specchio di corrente connesso all'emettitore della coppia differenziale di BJT accoppiati di emettitore come indicato nello schema :


Anche qui per prima cosa bisogna verificare che il circuito stia lavorando correttamente in Z.A.D. e ciò lo abbiamo fatto tramite le seguenti misure sperimentali:



gia il fatto che le correnti dei collettori siano uguali ci assicura che i due BJT stanno funzionando in Z.A.D., inoltre :




quindi:


   i BJT lavorano in Z.A.D

In un secondo luogo siamo andati a misurare il guadagno di modo comune ( Acm ). Per misurare il guadagno di modo comune si connettono insieme gli ingressi dell'amplificatore e a questi viene poi applicato il segnale comune di ingresso per mezzo del generatore di funzioni. Applicando in queste condizioni un segnale di tensione sinusoidale:


     con ampiezza di 2Vpp e frequenza 1 kHz


si ricava in uscita un segnale di tensione sinusoidale di ampiezza:


invertito di 180° rispetto al segnale di ingresso


Ciò significa che lo stadio ha un comportamento invertente per il modo comune e che attenua il segnale di modo comune :




Per ricavare l'amplificazione di modo differenziale Adm si pone la base di Q2 a massa e si collega la base di Q1 al generatore di funzioni e si applica un segnale di ingresso di modo differenziale. Quindi considerando un segnale di tensione sinusoidale Vi di ampiezza di 50 mVpp e frequenza di 1 kHz si ha in uscita un segnale di tensione sinusoidale Vopp =3.42Vpp e considerando che:




quindi:


si ottiene quindi un CMRR notevolmente più alto di quello misurato col circuito senza specchio di corrente ma con la semplice resistenza di emettitore; inoltre:




Esperimento N.3



In questo terzo esperimento abbiamo sostituito nel circuito precedente le resistenze di collettore con un carico attivo PNP migliorandone in questo modo il guadagno.


Schema circuitale






Questo amplificatore differenziale elimina il problema del modo comune e fornisce una singola uscita con una reiezione del segnale di ingresso di modo comune migliore di quella della coppia differenziale caricata resistivamente con uscita derivata da un collettore.

Di tale amplificatore abbiamo voluto calcolare il guadagno A=Vout/Vi1 ponendo Vi2=0 esso però e molto elevato ed è per questo motivo che abbiamo inserito tra il generatore Vi1 e la base del BJT Q1 un partitore resistivo che attenuava l'ingresso do 100 volte.

A questo punto abbiamo collegato il seguente segnale di ingresso:


Vi1=1Vpp con frequenza f=1kHz


dopo il partitore resistivo attenevamo un segnale del valore di


Vi1eff=10mVpp con frequenza f=1kHz


una misura dell'uscita ci ha dato il seguente valore:


Vout=2.40V


E quindi il differenziale aveva fato un'amplificazione di



che è più di tre volte quella ottenuta nello stesso circuito ma senza carico attivo.


Esperimento N.4


Lo SPECCHIO DI WILSON è un generatore di corrente a più transistor il quale consente sia una buona cancellazione della corrente di base sia un'elevata resistenza di uscita .



Si tratta di un circuito reazionato attraverso Q3 che forza Q1 a far crescere la resistenza di uscita ; si ottiene un elevato grado di cancellazione del termine di errore dovuto alla corrente di base realizzando così un legame di precisione tra Iout ed IC2 a partire da Irif .

La differenza tra Irif e IC1 è proprio la corrente di base di Q3 , la quale moltiplicata per ( b + 1 ) fluisce nel transistor collegato a diodo Q2 il quale impone questa corrente a Q1 : si ottiene così un cammino di reazione tale che IC1 sia praticamente uguale a Irif .

Inoltre la IC2 rimane molto simile a I C1 indipendentemente dalla tensione di collettore di Q3 .

La corrente di collettore di Q3 rimane quasi costante dando luogo ad una resistenza di uscita elevata.

Teoricamente ci aspettiamo:








Schema del circuito




I calcoli sperimentali dicono che :


n   

n                          


Quindi una buona cancellazione della corrente di base rende effettivamente Iout molto simile a Irif .


Per la Rout si è ricavato :


  • se allora

          



  • se allora

          



  • se allora

          



  • se allora

          



quindi mettendo in un grafico i risultati :














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