FYS1210V15_Lab_Teori..
Transcription
FYS1210V15_Lab_Teori..
FYS1210 - Elektronikk med prosjektoppgaver Vår 2015 Løsningsforslag for teorioppgaver fra Lab 5, 6 og 7 Innhold Lab 5 - BJT: Schottky-diode over Base-Kollektor 1 Lab 6 - Operasjonsforsterker: Enkel DAC 2 Lab 7 - Operasjonforsterker: Integrator 4 Lab 5 - BJT: Schottky-diode over Base-Kollektor Digitale kretser veksler mellom de to logiske tilstandene 0 (LAV) og 1 (HØY). DTL-kretsen (Diode-Transistor-Logic) bruker en Bipolar Junction Transistor som bryter for å veksle mellom LAV og HØY. Kretsen er konstruert slik at ved LAV så er transistoren i metning (saturation), mens for HØY er den av. Ofte er det ønskelig at digitale kretser skifter tilstander veldig fort, og en flaskehals for hvor fort DTL-kretsen kan endre tilstand, er når transistoren går fra metning til av. Når transistoren er i metning vil det være en opphopning av ladning i basen. For at transistoren skal kunne slåes av, må denne ladningen først tømmes og dette tar tid. Ved å kople til en Schottky-diode over Base-Kollektor, vil spenningen VBC låses på et nivå som er lavere enn hva som er nødvendig for at transistoren går i metning. Dette hindrer opphopning av ladning i basen, og dermed er det ingen (mindre) ladning som må tømmes først, med konsekvens at transistoren nå kan veksle mellom LAV og HØY fortere. I tabellen er det målinger for tilstanden LAV på et av kortene med og uten Schottky-diode. VUT VBC Uten 21mV 0.718V Med 466mV 0.211V 1 En annen konsekvens ved bruk av Schottky-diode, er at tilstanden LAV på VUT skifter fra 21mV til 466mV. Siden transistoren ikke lenger er i metning, vil sperresjiktet ikke være på et minimum og da må det også legge seg mer spenning over VCE enn når den er i metning. Ved å måle VBC , så kan en også se at denne synker fra rundt 0.7V til 0.2V. I læreboken og forelesningsnotat BJT1 brukes to dioder for å beskrive operasjonsområdene til en BJT. Område Av Aktiv Metning Base-Emitter Sperreretning Lederetning Lederetning Base-Kollektor Sperreretning Sperreretning Lederetning For metning skal altså BC-dioden være koplet i lederetning, og målingen på VBC = 0.718V samsvarer med dette (VD = 0.7 for en diode som leder). Når målingen gjøres med Schottky-dioden, så er VBC = 0.211V som også samsvarer med en diode i lederetning, og da er den ifølge tabellen i metning (Når VBC skifter fortegn er den koplet i sperreretning). Samtidig så er ikke 0.2V nok til at BC-diodeekvivalenten er på, så transistoren kan sies å være i en tilstand som ligger på grensen mellom aktiv og metning. Dermed skifter nå transistoren mellom dette grenseområdet og av. Ytterlige målinger på tre kort for tilstand LAV gav 0.457V, 0.454V og 0.469V, som viser at spenningene på VUT er stabile selv om VCE nå er høyere enn når transistoren er i metning. For mer infomasjon: Søk ’Baker clamp’ på internett. Lab 6 - Operasjonsforsterker: Enkel DAC En DAC konverterer binære verdier til desimale verdier (pensum i MATINF1100). En 3-bits DAC må altså konvertere binærverdiene slik som i tabellen under. 22 0 0 0 0 1 1 1 1 21 0 0 1 1 0 0 1 1 20 0 1 0 1 0 1 0 1 Desimal 0 1 2 3 4 5 6 7 2 En kan da bruke en operasjonsforsterker med negativ tilbakekopling og flere motstander koplet i parallell til inverterende inngang (en summer - se bilde fra PSpice lengre ut i teksten hvis du ikke vet hvordan denne ser ut). Ved å skalere motstandene med 2n , kan operasjonsforsterkeren konvertere fra binær til desimal. Bruker at strømmen som går inn på inverterende inngang er så liten at den kan settes til null, og fra KCL blir da i0 + i1 + i2 = i f V0 V V V + 1 + 2 = − UT R0 R1 R2 Rf V0 V V V + 1 + 2 = − UT 4R2 2R2 R2 Rf Rf (V0 + 2V1 + 4V2 ), VUT = − 4R2 Vil da ha at Rf 4R2 skal være lik 1 5 siden at logisk HØY (1) er 5V. Rf 1 4 = → R f = R2 4R2 5 5 Ved å sette R f inn i likning for VUT , blir 1 VUT = − (V0 + 2V1 + 4V2 ) 5 Sjekker for 5V på inngangene i tabellen under 4V2 0 0 0 0 1 1 1 1 2V1 0 0 1 1 0 0 1 1 V0 0 1 0 1 0 1 0 1 sum: 4V2 + 2V1 + V0 4 · 0V+ 2 · 0V+ 1 · 0V= 0V 4 · 0V+ 2 · 0V+ 1 · 5V= 5V 4 · 0V+ 2 · 5V+ 1 · 0V= 10V 4 · 0V+ 2 · 5V+ 1 · 5V= 15V 4 · 5V+ 2 · 0V+ 1 · 0V= 20V 4 · 5V+ 2 · 0V+ 1 · 5V= 25V 4 · 5V+ 2 · 5V+ 1 · 0V= 30V 4 · 5V+ 2 · 5V+ 1 · 5V= 35V sum · 15 0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V, som ser ut til å stemme. Implementerer forslaget i PSpice med R2 = 1kΩ (som gir R f = 0.8kΩ), og simulerer for 3 og 6. 3 Figur 2: DAC simulert i PSpice for konvertering av 3 og 6. Det ser ut som om DAC konverterer riktig. En slik DAC som konstruert her, blir vanligvis kun brukt som eksempel og ikke i praksis. Det finnes andre måter å konstruere en DAC ved bruk av operasjonsforsterker, men disse er ikke like enkle. DAC på kortet brukt i Lab 7 bruker f.eks. et R-2R nettverk på inverterende inngang. Lab 7 - Operasjonforsterker: Integrator Regnes som en vanskelig oppgave. Lar seg best vise hva de to motstandene gjør ved bruk av eksempel. Uten motstand i parallell med kondensator R f (og motstand koplet mellom ikke-inverterende inngang og jord), ser kretsen ut som i bildet under. 4 Simulering gir følgende resultat. Ut Rfra simuleringen kan en se at det blir integrert en konstant verdi ( a dt = at) inntil forsyningsspenningen blir nådd (±12V). Dette kommer av at opampen i praksis har input offset voltage og input bias current. Med kun kondenstator i tilbakekoplingen, vil det ikke være negativ tilbakekopling for DC spenning og kretsen vil ikke være stabil (tilbakekopling stabiliserer, se bl.a. forelesningsnotat om feedback). Ved å sette en motstand ( R f ) på 1.6MΩ (står merket 1MΩ på kortet, men 5 motstanden er 1.6MΩ) i parallell med kondensatoren, vil det være negativ tilbakekopling også for DC. Nå ser kretsen slik ut med simulering som gir følgende resultat. Nå ser integratoren ut til å stabilisere seg med en DC offset-spenning på utgangen som er litt mindre enn −90mV (skulle vært null for en ideell 6 integrator) istedenfor at VUT øker inntil den når forsyningsspenningen. Når en da kopler til en en motstand mellom ikke-inverterende inngang og jord slik som på bildet under, hva skjer da? Nå er offset-spenningen redusert til rundt −15mA, som er en betydelig forbedring. Verdien på 20kΩ er valgt for at DC-spenning skal ’se’ samme motstandsverdi på inngangene til operasjonsforsterkeren ( R3 = R1 + R2 ). 7