Laborator - ADALM2000: Perechea diferențială MOS

Obiectiv

Figura 1. Atenuator/filtru 11:1.

Obiectivul acestei activități este de a examina un amplificator diferențial simplu folosind tranzistori NMOS în regim cu strat îmbogățit.

Notele referitoare la problemele de limitare hardware prezentate în articolul StudentZone din iunie 2021 sunt valabile și pentru această activitate. Raportul semnal-zgomot poate fi îmbunătățit prin creșterea nivelului semnalului și apoi prin plasarea unui atenuator și a unui filtru (a se vedea figura 1) între ieșirile generatorului și intrările circuitului. Materialele necesare pentru această activitate sunt:

Două rezistoare de 100 Ω
Două rezistoare de 1 kΩ
Două condensatoare de 1 μF (marcate104)

Acest atenuator și filtru va fi utilizat în toate etapele acestui laborator.

Figura 2. Perechea diferențială NMOS cu rezistor de degenerare.

Materiale

Figura 3. Perechea diferențială NMOS pe placa de circuit.

Figura 4. Diagrama XY a perechii diferențiale NMOS.

• ADALM2000 Active Learning Module (Modul de învățare activă)
n.red.: Modulul de învățare activă ADALM2000 (M2K) este un instrument accesibil, “definit de software”, alimentat prin USB și, care extinde capabilitățile modulului de învățare activă ADALM1000 (M1K) la nivelul următor. Cu ADC-uri și DAC-uri pe 12-biți care rulează la 100 MSPS, M2K pune la îndemâna oricui puterea unui echipament de laborator de înaltă performanță, permițând studenților în inginerie electrică și pasionaților să exploreze semnale și sisteme de zeci de MHz fără costurile asociate cu echipamentul de laborator tradițional. M2K funcționează cu software-ul de aplicație grafică „Scopy” de la Analog Devices, care rulează pe un computer, oferind utilizatorului numeroase opțiuni de instrumentație de înaltă performanță. Kitul de componente, ADALP2000, pentru construirea de circuite este disponibil împreună cu M2K.
Caracteristici
– Portabil
– Osciloscop USB cu 2 canale
– Generator de funcții cu 2 canale
– Analizor logic digital cu 16 canale
– Generator de modele cu 16 canale
– I/O digital virtual cu 16 canale
– Voltmetru cu un singur canal (AC, DC, ±20 V)
– Analizor de rețea: Bode, Nyquist, Nichols
– Analizor de spectru
– Interfețe de analiză a magistralei digitale: SPI, I²C, UART, paralelă
– Două surse de alimentare programabile (0…+5 V, 0…-5 V)
(https://wiki.analog.com/university/tools/m2k/scopy/oscilloscope#using_built-in_signal_measurement_features)

• Placă de conexiuni (fără lipire)
• Fire de legătură
• Două rezistoare de 10 kΩ
• Un rezistor de 15 kΩ (folosiți un 10 kΩ în serie cu un 4.7 kΩ)
• Două tranzistoare NMOS de semnal mic (CD4007 sau ZVN2110A)

Indicații

Conexiunile la hardware-ul de laborator sunt cele indicate în figura 2. M1 și M2 trebuie să fie selectate dintre dispozitivele disponibile cu cea mai bună potrivire a tensiunii Vth. Sursele lui M1 și M2 împart o conexiune comună cu un capăt al lui R3. Celălalt capăt al lui R3 este conectat la Vn (-5 V) și furnizează curentul cu degenerare rezistivă. Baza lui M1 este conectată la ieșirea primului generator de forme de undă arbitrare, iar baza lui M2 este conectată la ieșirea celui de-al doilea generator de forme de undă arbitrare. Cele două rezistoare de sarcină R1 și R2 se conectează între colectorii lui M1 și, respectiv, M2 și alimentarea pozitivă Vp (+5 V). Intrările 2+/2- ale osciloscopului diferențial sunt utilizate pentru a măsura ieșirea diferențială, așa cum se vede pe cele două rezistoare de sarcină de 10 kΩ.

Configurare hardware

Figura 5. Perechea diferențială cu sursă de curent cu degenerare rezistivă.

Primul generator de forme de undă trebuie configurat pentru o undă triunghiulară de 200 Hz cu o amplitudine de 4 V vârf la vârf și un offset de 0 V. Al doilea generator trebuie, de asemenea, să fie configurat pentru o undă triunghiulară de 200 Hz cu o amplitudine de 4 V vârf la vârf și un decalaj de 0 V, dar cu o fază de 180°. Canalul 1 al osciloscopului trebuie să fie conectat cu 1+ la ieșirea primului generator, W1, iar 1- trebuie conectat la W2. Canalul 2 trebuie conectat la afișajul 2+ și 2- și setat la 1 V pe diviziune.

Procedură

Figura 6. Perechea diferențială cu sursă de curent cu degenerare rezistivă pe placa de circuit.

Trebuie luate următoarele date: axa x reprezintă ieșirea generatorului de forme de undă arbitrare, iar axa y reprezintă canalul 2 al osciloscopului folosind ambele intrări 2+ și 2-. Prin modificarea valorii lui R3, utilizatorul poate explora efectele nivelului curentului cu degenerare rezistivă asupra câștigului circuitului (așa cum se vede în panta liniei la trecerea prin origine) și a domeniului de intrare liniară și a formei curbei neliniare de scădere a câștigului, pe măsură ce circuitul se saturează.

Utilizarea unei surse de curent cu degenerare rezistivă

Figura 7. Diagrama XY a perechii diferențiale cu sursă de curent cu degenerare rezistivă.

Utilizarea unui simplu rezistor de degenerare are limitări. Studentul trebuie să exploreze modalități de a construi o sursă de curent pentru a polariza perechea diferențială. Acestea ar putea fi realizate cu câteva tranzistoare și rezistoare suplimentare, ca în cazul sursei de curent stabilizate din activitățile anterioare ale ADALM2000.

Materiale suplimentare

Două tranzistoare NMOS de semnal mic (CD4007 sau ZVN2110A pentru M3 și M4).

Configurare hardware

Primul generator de forme de undă trebuie configurat pentru o undă triunghiulară de 200 Hz cu o amplitudine de 4 V vârf la vârf și un offset de 0 V. Al doilea generator trebuie, de asemenea, să fie configurat pentru o undă triunghiulară de 200 Hz cu o amplitudine de 4 V vârf la vârf și un offset de 0 V, dar cu o fază de 180°. Divizoarele rezistive vor reduce amplitudinea semnalului detectat la bazele lui Q1 și Q2 la puțin sub 200 mV. Canalul 1 al osciloscopului trebuie conectat cu 1+ la ieșirea primului generator, W1, și 1- conectat la W2. Canalul 2 ar trebui conectat la 2+ și 2- și setat la 1 V pe diviziune.

Procedură

Configurați osciloscopul pentru a capta mai multe perioade ale celor două semnale măsurate. Un exemplu de grafic XY este prezentat în figura 7.

Măsurarea câștigului de mod comun

Figura 8. Măsurarea câștigului de mod comun.

Rejecția de mod comun (CMR) este un aspect esențial al amplificatorului diferențial. CMR poate fi măsurată prin conectarea bazei ambelor tranzistoare M1 și M2 la aceeași sursă de intrare. Figura 10 prezintă ieșirea diferențială atât pentru perechea diferențială polarizată rezistiv, cât și pentru cea polarizată prin sursă de curent, în timp ce tensiunea de mod comun de la W1 este balansată de la +3 V la -3 V în jurul masei.

Figura 9. Dispunerea pe placă a circuitului de câștig de mod comun.

Câștigul va fi afectat cel mai mult pe măsură ce tranzistoarele trec din regiunea de saturație în regiunea de triodă (rezistivă) pe măsură ce tensiunea pozitivă de pe porți se apropie de tensiunea de drenă. Acest lucru poate fi monitorizat prin observarea tensiunii de drenă, cu intrarea 2- la masă. Amplitudinea generatorului trebuie reglată până când semnalul văzut la ieșire începe să se plieze.

Configurare hardware

Generatorul de forme de undă trebuie configurat pentru o undă sinusoidală de 100 Hz cu o amplitudine de 6 V vârf la vârf și un offset de 0 V. Canalul 1 al osciloscopului trebuie conectat cu 1+ la ieșirea primului generator, W1, și 1- la masă. Canalul 2 trebuie conectat la 2+ și 2- și setat la 1 V pe diviziune.

Procedură

Figura 10. Forma de undă a câștigului de mod comun.

Configurați osciloscopul pentru a capta mai multe perioade ale celor două semnale care se măsoară. Un exemplu de grafic folosind LTspice® este prezentat în figura 10.

Întrebări:

Ați caracteriza amplificatorul cu tranzistoare din figura 8 ca fiind inversor sau neinversor la ieșirile 2+ și 2-, terminalul din baza tranzistorului M1 fiind considerat intrare? Explicați-vă răspunsul.
Descrieți ce se întâmplă cu fiecare dintre tensiunile de ieșire (2+ și 2-) pe măsură ce tensiunea de intrare (W1) crește sau scade. Puteți găsi răspunsurile pe blogul: StudentZone

Despre autori

Doug Mercer a primit diploma de licență în domeniul electronicii de la Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) în 1977. De când s-a alăturat companiei Analog Devices în 1977, a contribuit direct sau indirect la peste 30 de convertoare de date și deține 13 brevete. A primit titlul de ADI Fellow în 1995. În 2009, a renunțat la munca cu normă întreagă și a continuat să ofere consultanță la ADI în calitate de Fellow Emeritus, contribuind la Programul de învățare activă. În 2016 a fost numit inginer rezident în cadrul departamentului ECSE de la RPI. Poate fi contactat la adresa: doug.mercer@analog.com.

Antoniu Miclăuș este inginer de aplicații de sistem la Analog Devices, unde lucrează la programele academice ADI, precum și la software embedded pentru Circuits from the Lab®, automatizare QA și managementul proceselor. A început să lucreze la Analog Devices în februarie 2017 la Cluj-Napoca, România. În prezent, este student la programul de masterat în inginerie software la Universitatea Babeș-Bolyai și are o diplomă de inginer în electronică și telecomunicații de la Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca. El poate fi contactat la adresa: antoniu.miclaus@analog.com.