Surse de curent constant

Surse de curent constant

Se studiaza sursele de curent constant din fig.1. Combinarea pozitiilor celor trei

comutatoare (K1, K2 si K3) permite construirea a doua scheme de surse de curent constant (numele topologiei din etapa de simulare):

1. SC_OO = oglinda de curent, cu rezistenta de sarcina R2 = 2,2 k sau R3 = 5,6 k

2. SC_45 = sursa standard de curent, cu rezistenta de sarcina R2 = 2,2 k sau R3 = 5,6 k

fig.1

In testele efectuate, se va urmari determinarea pozitiei punctului static de functionare al

tranzistorului T2, a factorului de transfer in curent si observarea comportarii sursei la variatia

rezistentei de sarcint. O parte din rezultatele experimentale va fi obtinute direct, prin masurare, alta

parte - prin calcule algebrice simple. Caderile de tensiune vor fi masurate cu un voltmetru digital de c.c., conectat la bornele de masurare precizate in paranteze.

a)    SC_OO_R2 (K1 = 1; K2 = 1; K3 = 1). Se testeaza oglinda de curent cu rezistenta de sarcina

R2 = 2,2 k . Cu un voltmetru de c.c. se vor masura: tensiunea de alimentare a montajului (M1-M4), caderile de tensiune pe rezistorii R1 (M1- M2) si R2 (M1 - M5), tensiunea baza-emitor (M2-M4) si tensiunea colector-emitor (M5 - M4). Indicatiile voltmetrului se noteaza ca VCC, U , U , UBE1 si UCE1. Se verifica daca regimul de functionare al tranzistorului T2 este regimul activ normal : UBE1 0,5 V si UCE1 UBE1. Pentru rezisteta de sarcina R2, curentul de referinta este notat cu I , iar cel de iesire (curentul de colector al tranzistorului T2, IC2,1) - cu IO1

b.     SC_OO_R3 (K1 = 1; K2 = 1; K3 = 2). Se testeaza oglinda de curent cu rezistenta de sarcina

R3 = 5,6 k ; se masoara, din nou, caderile de tensiune pe rezistorii R1 (U ) si R3 (U

tensiunea baza-emitor (UBE2) si tensiunea colector-emitor (UCE2). Se verifica daca regimul de

functionare al tranzistorului T2 este regimul activ normal. Pentru rezistenta de sarcina R3, curentul de referinta este notat cu I , iar cel de iesire - cu IO2

Rezultate experimentale Din datele culese, se calculeaza curentii de referinta, I1,1 si I1,2, si

curentii de iesire ai oglinzii, IO1 si IO2, corespunzatori celor doua rezistente de sarcina:

I =U /R I1,2=U /R ; IO1= IC2,1=U /R ; IO2= IC2,2=U /R

Se calculeaza curentii de baza si de emitor ai tranzistorului T2, pentru ambele rezistente de sarcina, in ipoteza mentinerii valorii factorului static de amplificare in curent ( N1 N2 N

IB2,1=IO1 N; IB2,2=IO2 N; IE2,1=IB2,1+IO1; IE2,2=IB2,2+IO2

Se determina factorii de transfer in curent:

KI =IO1/I ; KI =IO2/I

Se calculeaza rezistenta de iesire a oglinzii de curent constant,

RO = (UCE1-UCE2 IO2-IO1

c.    SC_45_R2 (K1 = 2; K2 = 2; K3 = 1). Se testeaza o sursa standard de curent, cu rezistenta de sarcina R2 = 2,2 k . Se masoara caderile de tensiune pe rezistorii R1 (U ), R2 (U ), R4

(U ) si R5 (U ), tensiunile baza-emitor pentru T1 (UBE1,1) si pentru T2 (UBE2,1), tensiunea caolectoremitor a tranzistorului T2 (UCE2,1) si potentialul colectorului tranzistorului T2 (VC1

Se verifica daca regimul de functionare al tranzistorului T2 este regimul activ normal.

d.     SC_45_R3 (K1 = 2; K2 = 2; K3 = 2). Se testeaza sursa standard de curent, cu rezistenta de sarcina R3 = 5,6 k . Se masoara caderile de tensiune pe rezistorii R1 (U ), R3 (U ), R4

(U ) si R5 (U ), tensiunile baza-emitor pentru T1 (UBE1,2) si pentru T2 (UBE2,2), tensiunea colectoremitor a tranzistorului T2 (UCE2,2) si potentialul colectorului tranzistorului T2 (VC2

Se verifica daca regimul de functionare al tranzistorului T2 este regimul activ normal.

Rezultate experimentale Datele culese se prelucreaza in acelasi mod ca la punctul b.(oglinda de curent). Se calculeaza curentii de referinta, I si I , curentii de iesire ai sursei, IO1 si IO2

si curentii de emitor ai celor doua tranzistoare (IE1,1, IE1,2 - pentru T , si IE2,1, IE2,2 - pentru T2), corespunzatori celor doua rezistente de sarcina:

I =U /R I =U /R IO1=U /R2; IO2=U /R ; IE1,1=U /R

IE1,2=U /R IE2,2=U /R ; IE2,2=U /R

In ipoteza ca factorii statici de amplificare in curent ai celor doua tranzistoare sunt egali ( N=630), curentii de baza ai tranzistorului T2, pentru ambele rezistente de sarcina, vor fi calculati pe doua cai:

1. IB2,1 = IO1 N; IB2,2 = IO2 N

2. IB2,1 = IE2,1-IO1; IB2,2 = IE2,2-IO2

Se determina factorii de transfer in curent:

KI1=IO1/I ; KI2=IO2/I

Se verifica daca sunt adevarate egalitatile: UBE1,1 UBE2,1 UBE1,2 UBE2,2

KI1=KI2 R /R

Se calculeaza rezistenta de iesire a sursei de curent constant,

RO = (VC1-VC2 IO2-IO1

Rezultate obtinute in laborator

a)      Vcc = 11,93V

U = 11,32V

U 3,5V

UBE1 = 0,61V

UCE1 = 8,27V

b)      U = 11,32V

U2,2 = 7,49V

UBE2 = 0,61V

UCE2 = 4,43V

c)      U = 9,88V

U = 2,5V

U = 1,43V

U = 1,43V

UBE1,1 = 0,61V

UBE2,1 = 0,61V

UCE2,1 = 8V

UC1 = 9,42V

d)      U = 9,88V

U = 6,45V

U = 1,43V

UBE1,2 = 0,61V

UBE2,2 = 0,61V

UCE2,2 = 4,04V

UC2 = 5,47V

Schema circuitului : Surse du current constant (Aplicatii ale tranzistoarelor)

Pentru determinarea celor trei parametri (KI, SIO(Vcc) , RO), ca si pentru verificarea conditiilor de

functionare, pot fi folosite mai multe proceduri:

a. masurarea curentilor de referinta (curentul prin rezistorul R1), II, si de iesire, IO, cu ajutorul

multimetrelor

b folosirea analizei punctului static de functionare si a unor calcule simple pentru determinarea

curentilor si a parametrilor de performanta;

c. folosirea analizei in c.c. cu baleiajul domeniului tensiunii continue sau al curentului continuu.

fig.2

a. SC_OO (K1 = 1; K2 =1; K3 = 1). Circuitul oglinzii de curent, cu sarcina R2 = 2,2 k

cu multimetrele atasate, este prezentat, separat, in fig.2.

a1) Se deschid multimetrele si se seteaza : doua - ca ampermetre de c.c., iar doua - ca

voltmetre de c.c. Se simuleaza circuitul si se citesc instrumentele. Indicatiile multimetrelor reprezinta setul de valori ale marimilor I1 , IO1, UCE1, UBE1, pentru VCC1=12V si RL1=R2=2,2 k

a2) Se modifica tensiunea de alimentare, VCC2 = 11V; se simuleaza circuitul si se citeste setul

de valori ale marimilor I , IO2, UCE2, UBE2, pentru aceeasi sarcina, RL1 = R2 = 2,2 k

a3) Se revine la alimentarea cu 12V (VCC1) si se modifica sarcina, RL2=R3=1,5 k . Se

simuleaza circuitul si se citeste setul de valori ale marimilor I , IO3, UCE3, UBE3, pentru VCC1 si RL2=R3=1,5 k

Rezultatele obtinute in urma simularii Multimetrele indica:

a1). I =1,384 mA (XMM1);    IO1=1,515 mA (XMM2);

UCE1=8,665 V (XMM3); UBE1=647,669 mV(XMM4);

a2). I =1,263 mA (XMM1);     IO2=1,37 mA (XMM2);

UCE2=7,982 V (XMM3); UBE2=645,198 mV(XMM4);

a3). I =1,384 mA (XMM1);     IO3=1,535 mA (XMM2);

UCE3=9,701 V (XMM3); UBE3=647,669 mV(XMM4).

Din aceste date, se verifics mentinerea punctului static de functionare al tranzistorului Q1 in

regiunea activa normala si se calculeaza:

- factorii de transfer in curent: KI1=IO1/I =1,515mA/1,384mA=1,0946;

KI2=IO2/I =1,37mA/1,263mA=1,0847;    KI3=IO3/I =1,535mA/1,384mA=1,1091;

- sensibilitatea curentului de iesire, la variatia tensiunii de alimentare,

SIO Vcc) =(IO1-IO2)/IO1/(VCC1-VCC2)/VCC1=(1,515-1,37)mA/1,515mA/(1211)V/12V=1,1484;

- rezistenta de iesire a oglinzii de curent,

RO UCE1-UCE3)/(IO1-IO3)=(8,665-9,701)V/(1,515-1,535)mA=51,8 k

b. Pentru analiza punctului static de functionare (DC Operating Point Analysis), se elimina

multimetrele din circuit si se introduc doua surse de tensiune comandate in curent: o sursa pentru

masurarea curentului de referinta, V , iar cealalta sursa, pentru masurarea curentului de iesire, V

factorii de transfer ai acestor surse comandate (rezistentele de transfer RM1 = RM2) sunt egali cu

1ohm, ceea ce permite citirea directa a curentilor.

b1). Se selecteaza Simulate/ DC Operating Point Analysis si , in fereastra de dialog, se

selecteaza variabilele de iesire Se noteaza rezultatele analizei prezentate in fig. 3 : V =VB1=647,66885 mV;     V =VC1=8,66747 V;

V =RM2 IO1=1,51478 mV;    V = RM1 I =1,38443 mV.

b2). Se modifica tensiunea de alimentare, VCC2=11 V; se repeta analiza punctului static de

functionare pentru aceleasi variabile de iesire si cu aceeasi sarcina, RL1=R2=2,2 k . Se noteaza datele:

V =VB2=645,19793 mV; V =VC2=7,98362 V;

V =RM2 IO3=1,37108 mV;     V = RM1 I =1,26278mV.

b3) Se revine la alimentarea cu 12 V (VCC1) si se modifica sarcina, RL2=R3=1,5 k

Se simuleaza si se citesc rezultatele analizei:

V =VB3=647,67664 mV; V =VC3=10,61864 V;

V =RM2 IO3=1,54879 mV;     V = RM1 I =1,38443 mV.

fig.3

fig.4

c. Analiza in c.c., cu baleiajul unui domeniu de valori ale unei/unor tensiuni continue sau ale

unor curenti continui, permite obtinerea oricarei caracteristici statice de transfer a circuitului. Pentru topologiile de surse de curent constant, studiate in acest cadru, vor fi trasate doua caracteristici statice de transfer: IO=f(I ) si IO=f(VCC

fig.5

fig.6

fig.7

Pentru determinarea factorului de sensibilitate SIO(Vcc), se foloseste caracteristica statica de

transfer IO=f(VCC

Din acest grafic, folosind cursoarele, se determina curentul de iesire, IO=1,5148mA, pentru VCC=12V; pentru o variatie a tensiunii de alimentare, rezulta variatia curentului de iesire

(datele cursoarelor: dx=2,1 V; dy=306,1835 A). Se calculeaza

SIO Vcc) = (VCC/IO (dy/dx) = (12V/1,5148mA) A/2,1V) = 1,155.

fig.8

fig.9

Amplificator de semnal mic

Se studiaza un amplificator de semnal mic, de curent aalternativ, realizat cu un tranzistor bipolar tip BC 109BP, in conexiunea Emitor Comun(EC), cu schema eloctronica din figura 10.

fig.10

a. Se determina pozitia punctului static de functionare al tranzistorului, masurand tensiunea de alimentare (M3 - M6), caderea de tensiune (U3) pe rezistorul R3 (M3 - M4), tensiunea

colector-emitor (M4 - M5) si caderea de tensiune (U4) pe rezistorul R4 (M5 - M6); curentii de

colector, emitor si baza se calculeaza din tensiunile masurate.

b. Se conecteaza generatorul de semnal la borna I1 si se aplica un semnal sinusoidal cu amplitudinea Uim =2 mV si frecventa de 10 kHz.

Se vizualizeaza semnalele de intrare si de iesire, conectand capul de masurare al sondei canalului A la pinul de test M1, iar capul de masurare al sondei canalului B - la pinul de test M7.

Se suprapun cele doua semnale (de intrare si de iesire), observand defazajul de 180grade, si se masoara amplitudinea semnalului amplificat, Uom. Se masoara valoarea efectiva a semnalului de iesire, cu un voltmetru digital de c.a., conectat la bornele de masurare M8 si M6. Se tatoneaza daca frecventa de 10kHz se afla in banda de trecere, prin scaderea, respectiv cresterea frecventei semnalului si urmarind daca amplitudinea semnalului amplificat scade fata de valoarea Uom masurata. Daca Uom reprezinta valoarea maxima a amplitudinii semnalului de iesire, atunci se determina frecventele limita de jos si de sus ale amplificatorului, prin testarea caracteristicii modul-frecventa in cateva puncte. Se scade frecventa si se retine ca frecventa limita de jos acea frecventa la care amplitudinea semnalului de iesire este egala cu 0,707 Uom. Se creste frecventa si se retine ca frecventa limita de sus acea frecventa la care amplitudinea semnalului de iesire este egala cu 0,707 Uom.

c. Se determina domeniul tensiunii de intrare pentru functionare liniara a circuitului, Uim,max.

La o frecventa din banda, amplitudinea tensiunii de intrare este crescuta in mod treptat, observand

atent forma tensiunii de iesire, pe ecranul osciloscopului. Se considera ca fiind Uim,max, amplitudinea tensiunii sinusoidale de intrare de la care apare o deformare usoara a tensiunii de iesire (mici asimetrii ale alternantelor, aplatizari ale varfului sinusoidei etc.).

Rezultatele obtinute in laborator :

a)      Vcc = 11,93V

U = 7,02V

UCE = 3,43V

U = 1,47V

Uim = 5mV

b)      Uim = 5mV

Uoef = 1,3V (valoarea efectiva)

Uom =2V

0,707x2 = 1,414

fj = 109KHz (limita de jos)

fj = 391KHz (limita de sus)

c)    Uimmax = 15mV

Uim = 5mV

Schema electronica a circuitului : Amplificator de semnal mic

fig.11

a. A_EC. Amplificatorul de semnal mic, de c.a., realizat cu un tranzistor bipolar tip BC

109BP, in conexiunea EC, are schema electronica din fig. 11.

Punctul static de func_ionare al tranzistorului

1a) Pentru masurarea curentului de colector si a tensiunilor baza-emitor si colector-emitor cu

instrumente de masura, vor fi atasate trei multimetre: un multimetru, setat ca voltmetru de c.c., intre baza si emitorul tranzistorului; un multimetru, setat ca voltmetru de c.c., intre colectorul si emitorul tranzistorului; un multimetru, setat ca ampermetru de c.c., inseriat cu R (curentul de colector). Masurarea curentilor de baza si de emitor necesita atasarea a doua multimetre suplimentare: un multimetru, setat ca ampermetru de c.c., intre baza tranzistorului si punctul median al divizorului rezistiv R , R (curentul de baza); un multimetru, setat ca ampermetru de c.c., inseriat cu emitorul tranzistorului. Dupa atasarea instrumentelor, se simuleaza circuitul si se citesc valorile curentilor si ale tensiunilor pe ecranele multimetrelor.

1b) Analiza in c.c. (DC Operating Point Analysis) este preferata procedurii precedente,

bazata pe un numar de multimetre, intrucat nu necesita modificarea schemei circuitului.

fig.12

Pentru determinarea punctului static de functionare al tranzistorului, se procedeaza astfel:

- se selecteaza Simulate/Analyses/ DC Operating Point;

- in fereastra de dialog, in tab-ul Output Variables, se selecteaza, ca variabile de iesire pentru

analiza

- se da comanda de simulare.

Rezultatele analizei. Valorile potentialelor celor trei noduri selectate sunt prezentate in

diagrama din fig.12: V = VC = 5,28571 V;

V = VE = 1,44391 V;

V = VB = 2,08685 V.

Cuaceste date, se calculeaza: UBE = V -V1 = 2,08685V - 1,44391V = 0,64294 V;

UCE = V -V = 5,28571V-1,44391V=3,8418 V;

IC = (VCC-V )/R3 = (12-5,28571)V/5,6k = 1,19898 mA;

IE =V /R = 1,44391V/1,2k = 1,20325 mA;

IB = IE-IC = 1,20325mA-1,19898mA = 0,00427 mA.

Relatia dintre valorile tensiunilor baza-emitor si colector-emitor indica regimul activ normal ca regim de functionare al tranzistorului; factorul static de amplificare in curent, corespunzator acestui punct static de functionare, este N = IC/IB

Rezultatele teoretice. Se presupune un regim activ normal de functionare pentru tranzistor:

UBE = 0,65 V si N

Se calculeaza: VBB = R VCC R +R ) = 22k 12V/(100+22)k = 2,16393V;

R =R //R =18 k

IB= (VBB-UBE R N+1)R ] = (2,16393-0,65)V/[18+301 1,18]k = 0,00405mA;

IE N+1)IB = 1,21905 mA;

IC N IB = 1,215 mA;

UCE = VCC-R IC-R IE = 3,7575 V.

Amplificarea in banda si banda de trecere

2a) Se simuleaza circuitul excitat cu un semnal sinusoidal cu amplitudinea de 10 mV,

frecventa 10 kHz si faza initiala nula si se vizualizeaza formele de unda ale tensiunilor la intrarea si iesirea circuitului. Se observa defazajul de 180 grade intre semnalul de iesire si cel de intrare (fig. 13) si caracteristica liniara de transfer (fig. 14). Panta caracteristicii de transfer a circuitului liniar de amplificare este AU0 = (VB2-VB1 VA2-VA1) = -434,1mV/2mV= - 217,05, iar amplificarea de tensiune in banda, AU0

fig.13

fig.14

Pe durata simularii, pe durata pauzei si dupa incheierea procesului de simulare, caracteristicile

de frecventa ale amplificatorului pot fi observate fie pe ecranul plotterului Bode, fie in modulul grafic(View/Show Grapher). Din graficul diagramei modul-frecventa (scara logaritmica sau

semilogaritmica), pot fi determinate amplificarea in banda si frecventele limita de jos si de sus.

Din caracteristica castig-frecventa, furnizata de plotterul Bode (fig. 15), se determina

amplificarea in banda, GU0 = 20lgAU0=46,781 dB, si frecventele limita de jos,

fj = f GU=43,7dB = 95 Hz, si frecventa limita de sus, fs = f GU=43,7dB = 14,5 MHz.

Aceleasi rezultate se obtin si din caracteristica modul-frecventa furnizata de AC Analysis (fig.16).

fig.15

fig.16

3. Se testeaza amplificatorul pentru determinarea domeniului maxim al semnalului de intrare,

Uim,max, pentru care circuitul amplifica liniar semnalele. Se creste, treptat, amplitudinea semnalului de intrare pana cand se observa modificarea usoara a formei semnalului de iesire sau a caracteristicii de transfer a amplificatorului. Astfel, pentru Uim = 2 mV, se observa liniaritatea caracteristicii de transfer (fig. 17 panta caracteristicii este

AU0 = (VB2-VB1 VA2-VA1) = -869,8mV/4mV = -217,45.

Infig. 18 este data caracteristica de transfer pentru Uim = 3 mV; panta caracteristicii este

AU0 = (VB2-VB1 VA2-VA1) = -1,3V/6mV = -216,67.

Incepand de la Uim = 2,5 mV, caracteristica de transfer devine neliniara; in fig. 18, este aratata caracteristica de transfer pentru Uim = 5 mV.

Se considera Uim,max = 2,5 mV.