No Image

Расчет дифференциального каскада на биполярных транзисторах

0 просмотров
21 января 2020

Значительно улучшает схему использование в паре двух одинаковых транзисторов, соединенных эмиттерами, – так называемого дифференциального каскада (см. рис. 6.9). Дифференциальные каскады в силу их удобства широко применяли еще в эпоху недоступности микросхем (в том числе даже и в ламповые времена), но теперь их отдельно почти не используют, кроме некоторых областей вроде звукотехники. Они являются основой операционных усилителей, которые имеет смысл рассматривать, как единое целое. Тем не менее, понимание принципов работы дифференциального каскада необходимо, и мы рассмотрим его вкратце, а потом (в главе 8 ) построим на его основе простейший звуковой усилитель.

Рис. 6.9. Дифференциальный каскад на биполярных транзисторах

Дифференциальный каскад, как он показан на рис. 6.9, предполагает два раздельных одинаковых питания (плюс и минус) относительно «земли», но для самого каскада это не более, чем условность, – питание всего каскада можно рассматривать, как однополярное (и равное в данном случае 10 + 10 = 20 В), просто входной сигнал должен находиться где‑то посередине между питаниями. Ради удобства проектирования схем источник входного напряжения всегда привязывают к «земле», потенциал которой находится посередине между потенциалами источников питания самого каскада, т. е. общее питание рассматривают, как разделенное на два: положительное и отрицательное. Относительно этой же «земли» мы будем также отсчитывать выходные напряжения Uвых1 и Uвых2 .

С учетом того, что база и эмиттер транзистора всегда привязаны друг к другу, в этой схеме обе базы в рабочем режиме всегда будут иметь одинаковый потенциал. Поэтому, если на них подавать один и тот же сигнал (базовые резисторы на рис. 6.9 не показаны), то ничего происходить не будет – току течь некуда, т. к. все под одним и тем же напряжением. Вся конструкция из двух транзисторов будет смещаться относительно «земли» в соответствии с поданным сигналом, а на выходах ничего и не шелохнется – это легко проверить. Такой сигнал называют синфазным .

Иное дело, если сигналы на входах различаются – их разность будет усиливаться. Такой сигнал называют дифференциальным . Это основное свойство дифференциального усилителя, которое позволяет выделять небольшой сигнал на фоне довольно большой помехи. Помеха одинаково – синфазно – действует на оба входа, а полезный сигнал усиливается.

Мы не будем здесь подробно разбирать работу этой схемы (рекомендую [4, 5]), только укажем некоторые ее особенности:

□ входное сопротивление дифференциального каскада равно входному сопротивлению каскада с общим коллектором;

□ усиление по напряжению (дифференциальному) составляет 100 и более раз.

Если вы хотите получить точно определенный коэффициент усиления, в каждый из эмиттеров нужно ввести по одинаковому резистору – тогда Кус будет определяться, как для каскада на рис. 6.7. Но обычно в таком режиме дифференциальный усилитель не применяют – их используют в системах с общей обратной связью, которая и задает необходимый коэффициент усиления (см. главу 8 );

□ выходы строго симметричны;

□ резистор Rк1 , если не используется Uвых1 , вообще можно исключить (или наоборот) – смотря, какой выход (прямой или инверсный) использовать.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЬНОГО

Исследование основных параметров и характеристик дифференциальных усилительных каскадов на биполярных транзисторах.

5.1. Теоретические сведения.

Простейшие усилительные каскады на БТ с ОЭ и ОК имеют ряд

Читайте также:  Почему человек стреляет током

недостатков, которые ограничивают их применение на практике.

Во-первых, стабилизация режима покоя с помощью ООС приводит к

уменьшению коэффициента усиления. Во-вторых, при связи каскадов

друг с другом коэффициент усиления уменьшается за счет потерь на резистивных элементах. В-третьих, в этих усилителях имеется дрейф нуля. Эти серьезные недостатки частично или полностью исключены в дифференциальном каскаде, который поэтому находит чрезвычайно широкое применение особенно при создании операционных усилителей. Простейшая схема дифференциального каскада приведена на рис. 5.1.

Транзисторы VI, V2 и резисторы Rк1 и Rк2 образуют мост, в одну диагональ которого включаются источники питания +Un и -Un, а в другую — нагрузка. Дифференциальный каскад нередко называют также параллельно-балансным каскадом. Высокие показатели каскада могут быть достигнуты только при высокой симметрии моста. В симметричном каскаде Rк1 = Rк2 транзисторы должны быть идентичны по своим параметрам.

В режиме покоя (Uвх = 0) при полной симметрии схемы потенциалы коллекторов транзисторов VI и V2 одинаковы и выходное напряжение равно нулю:

Uк1 = Uк2; Uвых = Uк1 — Uк2 = 0.

Высокая стабильность схемы объясняется тем, что при изменении напряжения источника питания или при одинаковых изменениях параметров транзисторов в следствии их нагрева потенциалы обоих коллекторов получают равные приращения, т.е.

Uвых = DUк1 — DUк2 = 0.

Входной сигнал к этой схеме может подаваться либо между двумя базами либо на одну из баз при фиксированном потенциале второй базы.

Если источник сигнала включен между двумя базами, то это приводит к тому, что при одинаковых входных сопротивлениях транзисторов на обеих базах появляются сигналы, равные Uвх/2 и противоположные по знаку. Это приводит к снижению тока коллектора одного транзистора и увеличению коллекторного тока другого транзистора.

Изменение коллекторных токов вызовет, в свою очередь, противоположные по знаку изменения потенциалов обоих коллекторов. При полной симметрии схемы

Обращает на себя внимание, что при Uвх1 = — Uвх2,

т.e. сигнал OOC DUэ = 0 и падение напряжения на Рэ не оказывает сияния на коэффициент усиления. А наличие общего эмиттерного сопротивления повышает стабильность схемы. Стабилизирующее действие резистора Rэ тем больше, чем больше сопротивление этого резистора.

Если входной сигнал подается на базу VI, то при фиксированном потенциале второй базы (обычно uвх2 = 0) выходное напряжение по модулю будет таким же, как и в предыдущем случае благодаря стабилизации тока Iэ1 + Iэ2 = const. Аналогично можно рассмотреть подачу сигнала на вход V2. При подаче сигнала на вход V1 полярность выходного сигнала совпадает с полярностью входного (вход V1 называется прямым входом), при подаче на вход V2 полярность Uвых и Uвх противоположны (вход V2 — инвертирующий). При этом нужно отметить, что схема дифференциального каскада симметрична знак Uвых зависит только от того, какое направление Uвых принят положительным.

Коэффициент усиления ненагруженного каскада можно определить из выражения:

Кu = Uвых/(Uвх1 — Uвх2) = (DUк1 — DUк2)/(Uвх1 — Uвх2) = h21Э*Rк/h11Э,

где h21Э и h11Э — h параметры транзисторов.

Входное и выходное сопротивления дифференциального каскад соответственно равны:

Rвх = (Uвх1 — Uвх2)/DIвх = 2 h11Э,

Для нагруженного каскада

Кuн = Кu*Rн/(Rвых + Rн).

При изготовлении интегральных схем высокоомный резистор Rэ заменяют на источник тока. Схема такого каскада приведена на рис. 5.2.

Читайте также:  Ручки для ванной комнаты для инвалидов

Источник тока выполнен на транзисторе V3. Небольшое по вели

чине сопротивление Rэ` и диод V4 служат для стабилизации коллекторного тока V3.

Недостатком дифференциального каскада является отсутствие

общей точки между источниками сигнала и нагрузкой.

5.2. Подготовка к работе.

5.2.1. Изучить принцип работы схем дифференциальных усилительных каскадов на БТ.

5.2.2. Изучить порядок расчета схем дифференциальных усилительных каскадов БТ.

5.2.3. Рассчитать значения основных параметров для названных схем усилителей Кu, Rвх и Rвых, работающих в области средних

5.2.4. Нарисовать схемы исследуемых дифференциальных усилительных каскадов.

5.2.5. Ознакомиться с порядком сборки схем на стенде.

5.3.1. Собрать схемы двух источников питания и генератора

синусоидальных колебаний (см. паспорт к стенду). Выставить заданное преподавателем напряжение питания усилительных каскадов.

5.3.2. Собрать схему дифференциального усилителя, представ-

ленную на рис. 5.3. Приложение 1, установив рассчитанное значение резистора R23.

5.3.3. Подать на вход усилителя от генератора ГС1 синусоидальный сигнал частотой f = 1кГц и амплитудой Uвхm = 0,05В. Замерить с помощью осциллографа амплитуду выходного сигнала Uвыхm и зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжения.

Рассчитать коэффициент усиления каскада по напряжению.

5.3.4. Установить амплитуду входного сигнала Uвхm = 0,05В.

Изменяя частоту входного сигнала от 0 до 100кГц снять амплитудно-частотную характеристику усилителя и построить ее.

5.3.5. Подать на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой f = 1кГц. Изменяя амплитуду входного сигнала Uвхm от 0 до 0,5В (порядка 10 значений) построить амплитудную характеристику усилителя. Для каждого значения Uвхm зарисовать осциллограмму выходного напряжения. Определить Uвых max в момент появления существенных нелинейных искажений.

5.3.6. Собрать схему дифференциального усилителя с источником тока в цепи эмиттера, представленную на рис. 5.4. Приложение 1.

5.3.7. При исследовании данной схемы выполнить п.п. 5.3.3 — 5.3.5.

5.3.8. Сравнить результаты теоретических расчетов и практических исследований, сформулировать выводы по каждому пункту рабочего задания.

5.4. Контрольные вопросы.

5.4.1. Сравните усилители с ОЭ и дифференциальные по коэффициентам усиления Кi, Кu, Кp.

5.4.2. Чем обусловлена высокая термостабильность дифференциального каскада?

5.4.3. Назовите основные достоинства дифференциального каскада.

5.4.4. Сравните усилители с ОЭ и дифференциального по значениям Rвх и Rвых. Чем обусловлено их различие?

5.4.5. Объясните назначения отдельных компонентов схем дифференциальных усилителей.

5.4.6. Как зависит Rвх, Rвых, Ku усилителей от значений электрических параметров отдельных компонентов схемы?

5.4.7. Когда следует применять дифференциальные усилительные каскады.

5.4.8. Назовите способы задания режима работы транзисторов в дифференциальных усилительных каскадах?

6. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N6

Дата добавления: 2015-03-29 ; Просмотров: 982 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

В электронной технике часто требуются усилители сигналов, скорость изменения которых очень низка, например с датчиков медленно изменяющихся сигналов, таких как термопара. Такие усилители называют усилителями постоянного тока. Наиболее распространенной схемой, на базе которой они создаются, является дифференциальный каскад (рис. 2.8, а).

В дифференциальной схеме два входа, два выхода и два источника питания. Предположим, что параметры левого и правого плеч схемы одинаковы. Положительный потенциал источника питания Есм, поступающий через корпус и цепи входных сигналов на базы обоих транзисторов, открывает их в равной степени. Рабочие точки р на рис. 2.8, б транзисторов VT1 и VT2 совпадают. Поэтому при отсутствии входных сигналов под действием источника питания Ек по резисторам R> и R2 протекают одинаковые коллекторные токи Ц = 12 = Так как R> = R2, то эти токи создают на них одинаковые падения напряжения, а значит, потенциалы точек а и b одинаковы. Если нагрузочное сопротивление включить между точками а и /;, то выходное напряжение на нем равно нулю. Так можно выполнить требования усилителей постоянного тока о равенстве нулю f/BbIX при отсутствии сигнала UBX. Такое состояние схемы называют режимом покоя.

Читайте также:  Простой рецепт тирамису с творогом

Рис. 2.8. Дифференциальный усилительный каскад (а) и передаточная динамическая характеристика транзисторов (б)

Если пренебречь базовыми токами, то по резистору R3 протекает сумма токов /j + /2, создающая на нем падение напряжения. Напряжение, задающее исходные рабочие точки транзисторов, будет определяться разностью Есм и напряжения на /?3:

Такое включение R3 создает последовательную отрицательную обратную связь по току, стабилизируя исходные рабочие точки транзисторов. Любые одновременные изменения, например, увеличение токов 1Х и /2, возникающие под действием изменений напряжения источника питания, температуры и т.д., вызовут увеличение падения напряжения на R3 и, следовательно, такое уменьшение [/БЭ, которое стремится вернуть (снизить) коллекторные токи к исходному значению, т.е. стабилизировать их суммарное значение:

Таким же образом дифференциальный каскад реагирует на синфазные сигнал и помеху, т.е. входные сигналы, которые одновременно (без сдвига фаз) и одинаково (f/Bxl = t/BX2) действуют на оба входа, стремясь одновременно изменить 1Х и /2. Обратная связь тем выше, чем больше R3.

Совершенно по-иному реагирует дифференциальный каскад, если сигналы на входах каскада противофазные (например, [/вх1 = +f/BX, a t/Bx2 = = -t/BX). В этом случае (см. рис. 2.8, б) ток 1Х возрастет на А/, а /2 уменьшится на А/, но их сумма останется неизменной.

Поэтому обратная связь не стремится уменьшить изменения токов и каждое плечо ведет себя как обычная схема ОЭ, т.е. потенциал точки а и ?/вых1 понизятся, а потенциал точки b и UBblx2 повысятся. Каскад реагирует только на разность входных сигналов, почему и называется дифференциальным.

Рассмотрим еще один случай, когда напряжение UBX действует только на один из входов, например f/Bxl > 0, a UBx2 = 0. В первый момент ток 1Х возрастает, допустим, на +Д/, а /2 остается неизменным, при этом возрастет и сумма токов (1Х + Д/) + /2, но вступившая в действие обратная связь приведет к тому, что ток первого транзистора станет равным 1< + Д//2, а ток второго: /2 — Д//2. И в этом случае потенциал точки а понизится, а точки b повысится, но изменения f/BbIX будут в 2 раза меньше, чем в предыдущем случае.

Обычно усилители постоянного тока имеют несколько каскадов, причем дифференциальный каскад является первым и у него используется только один выход. Если принять, что используется выход 2, то подача положительного сигнала на вход 1 приводит к увеличению выходного сигнала, а подача положительного сигнала на вход 2 — к уменьшению. Поэтому вход 1 называют прямым, или неинвертирующим, а вход 2 — обратным, или инвертирующим.

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
Adblock detector