© 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