Мукан Ж.Б. Лабораторные работы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств - файл n9.doc

Мукан Ж.Б. Лабораторные работы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
скачать (3218.9 kb.)
Доступные файлы (10):
n1.doc2775kb.14.10.2011 19:24скачать
n2.doc23kb.19.06.2007 03:30скачать
n3.doc286kb.16.06.2009 17:00скачать
n4.doc2364kb.27.10.2010 14:56скачать
n5.doc4155kb.30.12.2009 14:31скачать
n6.doc273kb.20.02.2010 11:51скачать
n7.doc90kb.08.04.2010 18:20скачать
n8.doc151kb.20.02.2010 11:44скачать
n9.doc1623kb.12.03.2010 13:07скачать
n10.doc2779kb.20.02.2010 11:46скачать

n9.doc


Евразийский национальный университет имени Л.Н.Гумилева



Лабораторная работа №8


Исследование дифференциального каскада усиления

Астана – 2010г.

Составитель: Мукан Ж.Б.

Лабораторная работа №8
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО КАСКАДА УСИЛЕНИЯ


  1. Цель работы.


1. Определение основных параметров и характеристик дифференциального каскада усиления.


  1. Теоретические сведения.


В
о многих случаях требуется обрабатывать сигналы инфранизких частот, для усиления которых обычные схемы усилительных каскадов с разделительными и блокирующими емкостями оказались мало пригодными из-за необходимости использования конденсаторов большой емкости а, следовательно, и больших габаритов. Для усиления медленно меняющихся во времени сигналов применяются усилители постоянного тока (УПТ). В УПТ применяются непосредственная связь между каскадами, так как связь через разделительные конденсаторы и трансформаторы не обеспечивает передачи постоянной составляющей усиливаемого сигнала. Отсутствие разделительных конденсаторов позволяет получить практически безынерционный усилитель с широкой полосой усиления от нуля до fmax (рис.8.1).

Рис.8.1. АЧХ усилителя постоянного тока



Непосредственная (гальваническая) связь между каскадами применяется и в усилителях переменного тока, особенно при выполнении их в виде интегральных схем. В них нежелательно применение переходных конденсаторов, так как они занимают очень большую площадь по сравнению с транзисторами и резисторами. Но принципиальным недостатком УПТ является появление паразитного сигнала на выходе из-за дрейфа нуля- самопроизвольного изменения выходного сигнала при отсутствии входного сигнала. Даже небольшие флуктуации постоянного тока транзистора в первом каскаде УПТ создают приращения напряжения не его выходе, которые затем усиливаются другими каскадами и выделяются на нагрузке как полезный сигнал, т.е. их невозможно отличить от полезных сигналов. Дрейф нуля вызывается изменением напряжения источника питания, температурными изменениями входной характеристики, начального коллекторного тока и параметров транзистора, а также старением элементов. Для устранения этого недостатка используются схемы параллельно-балансных УПТ, называемых дифференциальными усилителями. Дифференциальным каскадом (ДК) усиления называются устройство, усиливающее разность двух напряжений. В идеале выходное напряжение такого усилителя пропорционально только разности напряжений, приложенных к двум его выходам, и не зависит от их абсолютной величины. Базовая схема ДК на биполярных транзисторах показана на рисунке 8.2.

Р
ис.8.2. Базовая схема дифференциального усилителя



Он состоит из двух одинаковых (симметричных) плеч, каждое из которых содержит транзистор и резистор с идентичными параметрами транзисторов (они подбираются) и равенством сопротивлений. В общую эмиттерную цепь включается резистор Rэ, либо источник стабильного тока I0, достоинство которого будет объяснено позже. Главное достоинство этой схемы – уменьшение дрейфа нуля на один-два порядка. Действительно, в отсутствии сигнала токи и коллекторные потенциалы будут одинаковы, а выходное напряжение будет равно нулю (как разность двух одинаковых напряжений). В силу симметрии нулевое значение Uвых сохраняется при одновременном и одинаковом изменении токов в обоих плечах, какими бы причинами такое изменение ни вызывалось. Следовательно, в идеальном ДК дрейф выходного напряжения отсутствует, хотя в каждом из плеч он может быть сравнительно большим. Это преимущество в полной мере проявляется только в интегральном исполнении, при котором транзисторы и резисторы каскада изготовляют на одной подложке единым технологическим процессом. Такой способ изготовления гарантирует незначительный разброс параметров обоих плеч каскада, а близкое их расположение на подложке обеспечивает одинаковые температурные условия.

Рассмотрим принцип работы дифференциального каскада, считая, что входные сигналы подаются на базы транзисторов Т1 и Т2 относительно общей точки (земли), а выходной сигнал снимается между коллекторами. При анализе работы ДК пользуются понятиями синфазного и противофазного (дифференциального) входного сигнала. Если сигналы одинаковы по величине и фазе, то его называют синфазным. Если фазы колебаний отличаются на 1800, то сигнал считается противофазным.

Пусть на оба входа ДК подаются одинаковые (синфазные) сигналы (Uб1=U б2). При одновременном увеличении или уменьшении амплитуд синфазных сигналов на входах усилителя, коллекторные токи обоих транзисторов (которые одинаково подобраны и имеют одинаковые коллекторные сопротивления) и напряжения на них изменятся соответственно на одни и те же величины. Выходное же напряжение Uвых, определяемое разностью коллекторных напряжений транзисторов, будет по-прежнему равно нулю, как и в исходном состоянии. Значит, ДК не усиливает синфазные сигналы (не реагирует на них по выходу), более того подавляет их. Это происходит потому, что приращение эмиттерных токов вызовут на общем эмиттерном сопротивление Rэ двойное приращение напряжение (падение напряжения на нём), которое как и в эмиттерном повторителе явится напряжением обратной отрицательной связью (ООС). Появление ООС приводит к уменьшению изменения потенциалов коллекторов транзисторов по сравнению со случаем, когда Rэ =0, т.е. к подавлению сигнала. Очевидно, что при прочих равных условиях подавление синфазного сигнала будет тем сильнее, чем больше величина сопротивления Rэ. Здесь нужно сказать, что любые паразитные явления, в том числе и внешние помехи приводят к появлению именно синфазных сигналов. Поэтому и возникает необходимость к их большему подавлению: при синфазных сигналах на входе на выходе сигнал тем ближе к нулю, чем больше подавление сигнала, т.е. учитывая флуктуации 1-1 ближе к нулю, чем 100-100.

Теперь подадим на входы дифференциальные (разностные) сигналы равной величины, но противоположных знаков (Uб1 = -U б2).


В этом случае коллекторный ток транзистора Т1 увеличится, а коллекторный ток Т2 уменьшится точно на такую же величину. Соответствующим образом изменятся и потенциалы на коллекторах транзисторов, разность их потенциалов будет отличной от нуля, т.е. появится выходной сигнал:
(8.1)

Т

.е. усиленные сигналы вычитаются. Схема работает как вычитатель сигналов. Изменение напряжения на Rэ при дифференциальном сигнале не произойдет, так как ток, протекающий через этот резистор и равный сумме эмиттерных токов обоих транзисторов не изменится, ибо приращения токов в каждом плече противоположны по направлению и равны по величине. Поэтому точку Э в схеме на рис.8.2. можно заземлить по переменному току, что и показано на рис.8.3.
а) – схема ДК при усилении диф- б) – схема ДК при

ференциального сигнала. усилении синфазного сигнала.

Рис.8.3. Расчетные схемы.
Таким образом, при дифференциальном сигнале возрастание тока одного транзистора сопровождается в идеале равным уменьшением тока другого транзистора, в результате ток через Rэ не меняется. Следовательно, резистор Rэ не играет никакой роли и ДК может быть представлена схемой на рис.8.3а). При подведении ко входу синфазного сигнала на резисторе Rэ появляется переменное напряжение, равное двойному приращению из-за того, что токи в обоих плечах текут в одном направлении и складываются на Rэ. Поэтому анализируя каскад, в этот случае надо пользоваться схемой ДК, показанной на рис.8.3б) с удвоенным Rэ.

Каждая половина схемы на рис.8.3а) представляет собой обычный усилительный каскад с ОЭ, коэффициент усиления которого равен:
(8.2)
где Kd- коэффициент усиления дифференциального сигнала,

Ud=∆Uб1-∆Uб2- входной дифференциальный сигнал.

Также каждая половина схемы на рис. 8.3б) является усилителем с обратной связью по току, коэффициент усиления которого равен:

(8.3)
где Кс- коэффициент усиления синфазного сигнала,
- входной синфазный сигнал.

Следовательно, если выходное напряжение снимать с любого коллектора транзистора (однофазный выход), то коэффициент подавляется синфазного сигнала в рассматриваемом каскаде будет:
(8.4)
Если использовать дифференциальный выход (снимать выходное напряжение между коллекторами), то выходной сигнал увеличивается вдвое, а синфазный сигнал становится близким к нулю, что еще больше увеличивает коэффициент подавления синфазного сигнала. Действительно, для схемы 8.3б) имеем:

.

Из формулы (8.2) имеем , тогда коэффициент подавления синфазного сигнала при дифференциальном выходе будет равен:

(8.5)

При абсолютной симметрии, когда Rк1 = Rк2, коэффициент подавления синфазного сигнала оказывается равным бесконечности, что соответствует идеальному ДК.

Нужно сказать, что если коэффициент усиления дифференциального сигнала близок к 100, то на практике следует подавать на входе разностный сигнал не более одного –двух десятков милливольт, а синфазный сигнал в пределах нескольких вольт.

При отсутствии абсолютной симметрии коэффициент подавления синфазного сигнала как при однофазном, так и при дифференциальном выходах зависит от величины сопротивления резистора Rэ. Чем оно больше, тем лучше работает схема ДК. Однако прямой путь увеличения сопротивления Rэ неприемлем с конструктивной точки зрения, так как это привело бы к необходимости увеличивать напряжение питания схемы, что не желательно. Следует отметить, что сопротивление в цепи эмиттеров должно быть большим не для постоянной составляющей тока, а для его приращений. Поэтому в современных ДК сопротивление Rэ заменено транзистором, сопротивление которого для переменного тока существенно больше сопротивления постоянному току (R~  R=). Это свойство транзистора пояснно на рис.8.4, где - сопротивление транзистора переменного тока, - сопротивление транзистора постоянного тока.

Р
ис.8.4. ВАХ биполярного транзистора в схеме с ОЭ при некотором токе


базы Iб

Частотные характеристики



Частотные характеристики ДК характеризуются амплитудно-частотной и фазо - частотной характеристиками, которые в области средних и высоких частот совпадают с соответствующими характеристиками усилительного каскада с ОЭ (см. лабораторную работу RC усилителя). Напомним, что в области низких частот АЧХ ДК не претерпевает изменений (рис.8.1.), являясь усилителем постоянного тока из-за отсутствия разделительных конденсаторов. Время нарастания переходной характеристики (в области малых времен) ДК почти такое же, что и в простейшем усилителе с ОЭ.

Динамический диапазон



Динамический диапазон усилителя оценивается по Uвхmax и Uвхmin: . Минимальный сигнал ограничивается шумами, а максимальный нелинейными искажениями. Максимально допустимый сигнал можно оценить следующим образом:

(8.6)

Падение напряжения на коллекторном сопротивлении не превышает половины напряжения питания, если использовать критерии отсечки и насыщения транзистора. Отсюда следует, что Uвхmax не должно превышать нескольких десятков милливольт: Uвхmax =Т. Напомним, что Т – тепловой потенциал, равный при комнатной температуре 26 mB. Нужно сказать, что на практике амплитуды входных сигналов должны быть значительно меньше Т: Uвх =0,5 Т. Синфазные сигналы могут иметь гораздо большие значения, чем дифференциальные, поскольку коэффициент усиления синфазных сигналов незначительный, даже меньше единицы.

Входное и выходное сопротивления



Входное и выходное сопротивления ДК для дифференциальной и синфазной составляющих сигнала существенно различны. Для дифференциальной составляющей входное сопротивление равно удвоенному входному сопротивлению каждой половины ДК:


Входное сопротивление можно увеличить используя либо эмиттерные повторители, либо составные транзисторы. Для синфазной составляющей входное сопротивление определяется сопротивлением Rэ или сопротивлением Ri источника стабильного тока: - сотни и тысячи кОм.

Выходное сопротивление ДК как и в схемах усилителей с ОЭ равно примерно Rк.

Вольт- амперная характеристика



При достаточно большом Rэ (в пределе Rэ = ) приращения обоих эмиттерных токов будут iэ1 = -iэ2 (см. рис.8.2), и можно считать, что ответвление части тока i в сопротивление Rэ ничтожно мало. А постоянная составляющая через Rэ будет равна сумме эмиттерных токов:

,

При этом их разность (iэ1 + iэ1) – (iэ1 - iэ2) = - 2iэ1 =2iэ2. Относительное же приращение коллекторного тока будет равно:

(8.7)

Как обычно эмиттерный ток выразим экспоненциальной функцией напряжения база–эмиттер Uбэ: (8.8)


Напряжение база- эмиттер первого транзистора Uбэ1 = Uвх1 –Uэ, а второго транзистора Uбэ2 = Uвх2 – Uэ. При симметрии схемы Uбэ1 =

Uбэ2 =, где Ud =Uвх1 - Uвх2 – дифференциальное напряжение. Представляя эти значения в (8.8) получим эмиттерные токи iэ1 и iэ2. Подставляя их в (8.7), имеем:

(8.9)

При изменении аргумента от -  до +  гиперболический тангенс изменяется от -1 до +1. Поэтому iк1, изменяется от до , где I0- сумма эмиттерных токов.

Из выражения (8.9) следует, что ДК можно использовать в качестве амплитудного ограничителя. Например, при Ud = 4Т  0,1 В; iк1 =0,96 . Следовательно, при амплитуде разностого сигнала, равной примерно 0,1 В, происходит ограничение амплитуды выходного тока.

При Ud  Т th и iк1 . Т.е. при разностных сигналах, меньших 25 mB, имеет место линейная зависимость приращения коллекторного тока от разностного (дифференциального) напряжения. Кроме того, ДК можно использовать в качестве регулируемого каскада, усиление которого изменяется при изменении I0.


    1. Описание лабораторного макета


Резистором R7установить ток истока в пределах 3-5 мА. Обозначения транзисторов модуля ОУ те же, что на рис. 8. Конденсаторы и резисторы – из модуля ТР. В скобках указаны применяемые приборы. Значения R1 – R4 измерьте до сборки схемы.
ВНИМАНИЕ! Входные емкости приборов и кабелей, подключенные непосредственно к высокочастотным транзисторам, вызывают возбуждение схемы. «Развязывающие» резисторы R5-R6 устраняют этот эффект.


Схема дифференциального усилителя приведена на рис. 8.5.




51 Ом

Рис.8.5 Дифференциальный усилитель на согласованных

транзисторах.


    1. Рабочее задание



      1. Подключить дифференциальный каскад ДК1 к источникам питания, соблюдая полярность. Закоротить оба входа на «землю», что соответствует Uвх1=Uвх2=0. Измерить режим по постоянному току (Uбэ1, Uбэ2, Uк1, Uк2, Iк1, Iк2, Iо, Uвых1-2) .

      2. Подать на входы синфазные сигналы, для чего закоротить входы Uвх1 и Uвх2 между собой, подключить многофункциональный генератор-частотометр типа АКТОКОМ АНР 1001 (f=5кГи, Um=1-4В). Определить коэффициент усиления синфазного сигнала Кс .

      3. Подать на ДК1 дифференциальный сигнал, для чего закоротить один из входов на «землю», а другой вход подсоединить к генератору (f=5кГц 10-30 мВ). Снять амплитудные характеристики Uвых1-2=f(Uвх1) и Uвых1=f(Uвх) при Uвх2=0, определить коэффициент усиления дифференциального сигнала Кд, коэффициент подавления синфазного сигнала Кn.

      4. Снять амплитудно-частотную характеристику дифференциального каскада для дифференциальных сигналов, определить полосу пропускания .

      5. Подать на Uвх1 прямоугольный сигнал, Uвх2 закоротить на землю. Зарисовать с соблюдением масштаба по осям координат входной и выходной (Uвых1,Uвых2,Uвых1-2) сигналы.


8.5 . Контрольные вопросы


      1. Дайте определение дифференциального усилителя, объясните принцип действия, приведите принципиальную схему простейшего дифференциального каскада.

      2. Дайте определение синфазного и дифференциального сигнала.

      3. Приведите выражения, определяющие входное сопротивление для синфазного и дифференциального сигнала по отдельности.

      4. Приведите выражения, определяющие коэффициенты усиления для синфазного и дифференциального сигнала.

      5. Объясните почему в схеме ДК дрейф нуля минимален.

      6. От чего зависит увеличение коэффициента подавления синфазного сигнала?

      7. Что понимается под динамическим диапазоном ДК, в каких пределах должна быть амплитуда входного дифференциального и синфазного сигнала?

      8. Приведите выражение и кривую ВАХ ДК.

      9. Какой должна быть АЧХ ДК, сравнить её с экспериментальной кривой.

8.6 Литература


      1. В.И.Манаев. Основы радиоэлектроники, Радио и связь, М., 1990,512 с.

      2. В.Н.Ушаков, О.В.Долженко Электроника: от элементов до устройств, Радио и связь, М., 1993, 352 с.

      3. Основы радиоэлектроники. Под редакцией Г.Д.Петрухина, МАИ, М., 1993, 416 с.

      4. И.П.Степаненко. Основы микроэлектроники. Лаборатория базовых знаний, М., 2000, 488 с.

      5. А.А.Каяцкас Основы радиоэлектроники, Высшая школа, М., 1988, 464 с.

      6. А.л. Булычев, П.М. Лямин, Е.С. Тулинов. Электронные приборы, Лайт ЛТД., М., 2000, 415 с.

      7. В.И. Нефедов. Основы радиоэлектроники. Выс. Шк., М., 2000, 399 с.

    1. В.И.Лачин, Н.С.Савелов. Электроника. Ростов-на-Дону. «Феникс», 2009,703с.





Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации