Diagnostika a testování elektronických systémů Úloha A2: 1 Operační zesilovač Jméno: Datum: Obsah úlohy: Diagnostika chyb v dvoustupňovém operačním zesilovači Úkoly: 1) Nalezněte poruchy v operačním zesilovači (OZ) zapojeném jako sledovač 2) Nalezněte poruchy v zapojení OZ v invertujícím zapojení Nutné vstupní znalosti: - zapojení bipolárního tranzistoru jako SE, SC, - diferenční pár, - zapojení OZ (invertující, neinvertující, sledovač). Obr. 1: Zapojení DPS
Diagnostika a testování elektronických systémů 2 Úkoly: 1) Zapojte pomocí jumperů obvod s OZ jako sledovač vstupního napětí (vyznačen na obr. 1 červeně zapojeny jsou jumpery J 3, J 6, J 8. Ostatní jsou rozpojeny). Vstupní signál bude přiváděn z generátoru na U IN+. Napájení DPS je U NAP+ = 6 V, U NAP- = -6 V. Ověřte správnou funkci, nalezněte případné chyby v obvodu. Obr. 2: Zapojení OZ pro měření Obr. 3: Vnitřní zapojení OZ Sledujte výstupní AC průběh a pohyb pracovního bodu tranzistoru když: - je zkratován rezistor R Z1, - je zkratován rezistor R Z2, - je zkratován přechod B-C T5, - je rozpojen kondenzátor C comp, - je rozpojen rezistor R E, - je zkratován přechod B-E T6, - je zkratován přechod B-E T6 a rozpojen R E.
Diagnostika a testování elektronických systémů 3 2) Zapojte pomocí jumperů invertující zapojení OZ (vyznačen na obr. 1 modře zapojeny jsou jumpery J 1, J 2, J 4, J 5, J 7. Ostatní jsou rozpojeny). Vstupní signál bude přiváděn z generátoru na U IN-. Napájení DPS je U NAP+ = 6 V, U NAP- = -6 V. Ověřte správnou funkci, nalezněte případné chyby v obvodu. Sledujte výstupní AC průběh a pohyb pracovního bodu tranzistoru když: - je rozpojen rezistor R 2, - je zkratován rezistor R 2, - je zkratován přechod B-C T5, - je rozpojen kondenzátor C comp, - je rozpojen rezistor R E, - je zkratován přechod B-E T6 Nastavte si na napájecím zdroji proudové omezení 100 ma a v případě aktivní proudové ochrany okamžitě odpojte zdroj napájení od DPS!
Diagnostika a testování elektronických systémů 4 Shrnutí základních požadovaných znalostí Struktura OZ Obr. 4: Popis vnitřní struktury OZ Na obr. 3 je rozdělení vnitřní struktury OZ. Ten se skládá z proudového zrcadla, diferenčního páru, tranzistorového zesilovače a tranzistorového sledovače. Proudové zrcadlo V integrovaných obvodech mají velký význam zapojení zdrojů proudu řízeným proudem, u kterých se referenční proud, tekoucí v jedné větvi obvodu reprodukuje (zrcadlí) v jeho druhé větvi. Tato zapojení jsou označována jako proudová zrcadla (Current Mirror). Proudová zrcadla se stala významným stavebním prvkem analogových obvodů. Jednoduché proudové zrcadlo je složeno pouze ze dvou tranzistorů stejného typu (obr. 4). Tranzistor T 1 je zapojen v diodovém zapojení a měří vstupní, referenční, proud. Měření referenčního proudu (proud tekoucí tranzistorem T 1 ) určuje napětí U BE1. Toto napětí zároveň nastavuje pracovní bod tranzistoru T 2. Obr. 5: Jednoduché proudové zrcadlo Z obr. 3 platí: = = = (1)
Diagnostika a testování elektronických systémů 5 kde n je počet paralelně zapojených tranzistorů na výstupní části zrcadla resp. násobek plochy výstupního tranzistoru/tranzistorů v poměru k T 1. V tomto případě jsou oba tranzistory stejné, proto I 1 = I 2. Diferenční pár U NAP+ R Z1 R Z2 U OUT1 U OUT2 T 1 T 2 U IN1 U IN2 I IN U NAP- Obr. 6: Diferenční pár Na obr. 5 je ukázán diferenční pár. Skládá se ze vstupního diferenčního páru, který je tvořen tranzistory T 1 a T 2. Odpory R Z1 a R Z2 tvoří zátěž. Jako proudový zdroj složí výše zmíněné proudové zrcadlo. Hlavní funkcí diferenčního stupně je zesilovat rozdílový vstupní signál, ±U IN, a co nejvíce potlačovat souhlasnou složku vstupního signálu. Příklad výpočtu proudů a napětí v diferenčním páru je na obr. 6. Obr. 7: Příklad výpočtu proudů a napětí v diferenčním páru pro α platí: = 1 + (2)
Diagnostika a testování elektronických systémů 6 Zapojení bipolárního tranzistoru Tab.1: Druhy zapojení bipolárních zesilovačů a jejich vlastnosti Zapojení SE Zapojení SB Zapojení SC Zesílení napěťové velké velké 1 Zesílení proudové velké 1 velké Zesílení výkonové velké střední malé Vstupní odpor střední nízký vysoký Výstupní odpor střední vysoký nízký Fázový posuv výstupního napětí 180 0 0 Fázový posuv proudu 0 0 180