Лабораторная работа № 7

Дифференциальный усилитель на транзисторах

1. Балансный дифференциальный усилитель

Основная трудность при проектировании УПТ состоит в ослаблении дрейфа нуля. В связи с изменением температуры окружающей среды изменяется режим работы транзисторов, например, в усилителе, рассмотренной в работе. На дрейф нуля влияет также изменение напряжения источника питания и старение транзисторов.

Для уменьшения дрейфа начального напряжения в УПТ применяют специальные балансные или разностные схемы каскадов, а иногда электрическую изоляцию каскадов друг от друга с помощью оптопар, которая позволяет получить изолирующие каскады.

На рис.1а приведена схема простого дифференциального каскада (ДУ) на биполярных транзисторах с питанием от однополярного источника.

а) б)

Рис.1. а) схема дифференциального каскада на биполярных транзисторах с питанием от однополярного источника; б) эквивалентная схема половины ДУ для случая u_вх.диф

Незначительные различия параметров транзисторов или резисторов нарушают симметрию ДУ и изменяют его балансовые свойства. В связи с этим, простые схемы ДУ на практике встречаются редко. Компенсация дрейфа в ДУ происходит за счет встречного направления дрейфа двух усилительных транзисторов, работающих на общую нагрузку R_н. Изменение тока в нагрузке, вызванные дрейфом параметров транзистора VT1:

I_др1=DI_VT1K₁R_к1/(R_к1+R_н+R_к2) (1)

При дрейфе параметров транзистора VT2:

I_др2=DI_VT2K₂R_к2/(R_к2+R_н+R_к1) (2)

Для дифференциального сигнала, подаваемого симметрично на вход ДУ (как показано пунктиром на рис.1), ДУ, представляет два каскада с ОЭ, объединенных общим резистором R_э. Так как при подаче сигнала на VT1 и VT2 токи транзисторов меняются в противоположном направлении, через резистор R_э протекает постоянный по значению ток:

I_Rэ=I_к1+DI_к1+I_к2-DI_к1=2I_к, при DI_к1=DI_к2 (3)

Следовательно, резистор R_э не влияет на усиление дифференциального сигнала.

Эквивалентная схема половины ДУ для случая U_вх.диф изображена на рис.1б. Здесь на вход подается половина выходного напряжения. Из эквивалентной схемы можно получить коэффициент усиления одного плеча дифференциального сигнала:

, (4)

где - эквивалентная нагрузка транзистора,

а R_вх.пл=h₁₁+R_э(h₂₁+1) - входное сопротивление половины ДУ.

Для синфазного сигнала коэффициент усиления равен:

(5)

где DR_э, Dh_21, DR_г, DR_к, DR_вых - возможный разбаланс параметров схемы ДУ. В целом для двух плеч ДУ коэффициент подавления синфазной составляющей равен:

(6)

Для перехода от симметричного сигнала к несимметричной нагрузке используется несимметричный выход ДУ. На рис.1а нагрузочное сопротивление показано пунктиром. При этом выходное напряжение снимается с одного из коллекторов транзисторов относительно земли. Легко видеть, что выходное напряжение при несимметричном выходе от дифференциального сигнала, уменьшается в 2 раза по сравнению с его значением при симметричном выходе. Недостатком несимметричного входа является достаточно большое выходное напряжение возникающее при подаче синфазного сигнала.

Эквивалентная схема одного плеча при подаче синфазного сигнала и несимметричном выходе показана на рис.2.

Рис.2 Эквивалентная схема одного плеча при подаче синфазного сигнала.

Входное сопротивление можно найти из соотношения:

u_вх=i_бh₁₁-i_э2R_э=i_бh_11э+i_б(h₂₁+1)R_э. (7)

Тогда: R_вх=h_11э+(h_21э+1)2R_э.

Коэффициент передачи синфазного сигнала при этом определяется по формуле:

. (8)

Зная коэффициенты усиления для разностного и синфазного сигналов можно найти коэффициент ослабления синфазного сигнала К_ос.сф:

(9)

Значит коэффициент ослабления синфазной составляющей зависит от R_э. Для увеличения R_э по переменному току вместо R_э включают генератор стабильного тока (ГСТ).

2. Дифференциальный усилитель с ГСТ

Стабильный, не зависящий от параметров цепи ток может обеспечить только идеальный генератор тока с бесконечно большим динамическим выходным сопротивлением, ВАХ которого параллельна оси напряжения. ВАХ неидеального генератора тока, например ГСТ, несколько отличается от идеальной, а его динамическое выходное сопротивление хотя и очень большое (десятки и сотни мегаОм), но не равно бесконечности.

Выходная характеристика ВАХ n-p-n транзистора, включенного по схеме с общей базой, имеет большое сходство с ВАХ ГСТ. Следовательно, транзистор, включенный по схеме с ОБ может выполнять функцию ГСТ.

На рис.3а приведена схема включения транзистора, а на рис.3б его эквивалентная схема при использовании транзистора в качестве резистора R_э.

а)

б)

Рис.3 а) схема включения транзистора, б) его эквивалентная схема, при использовании транзистора в качестве резистора R_э.

Уравнения Кирхгофа по переменному току для схемы на рис.3б:

u_к=u_кэ + (i_к+I_б)R_э,

i_к =h_21э i_б+h₂₂ u_кэ

i_б(R_б+h_11эR_э)+i_к R_э=0 (10)

Исключая u_кэ и i_б получаем:

(11)

Так как R_э<<1/h₂₂ и пренебрегая первым членом получим:

(12)

Схема ДУ с несимметричным выходом с ГСТ и питанием от однополярного источника приведена на рис.4.

Рис.4. Схема ДУ с несимметричным выходом с ГСТ и питанием от однополярного источника

3. Расчет дифференциального усилителя

Выбор транзисторов для работы в ДУ, в первую очередь, следует производить исходя из необходимости обеспечения идентичности их параметров. Рекомендуют использовать специально выпускаемые для работы в ДУ транзисторные пары, такие как 1НТ591.

Расчет ДУ по схеме рис.1а заключается в выборе R_э и R_б1, R_б2 по заданным Е_к, сопротивлению нагрузки R_н и по заданным значениям изменения DU_вх и DU_вых для одного плеча (левого или правого).

1. По заданному значению источника питания Е_к выбирается транзисторы с напряжением ½U_{кэ max}½>Е_к.

2. На выходных характеристиках транзистора выбирают точку покоя как в лабораторной работе № 1 согласно условиям:

½U_кэ½£0,5Е_к, I_к £ 0,51_kmax, ½U_кэ½³ 0,5DU_вых + ½U_{к нас}½,

где U_{к нас} - напряжение насыщения, а I_к ³ DI_к + I_ко.

Изменение коллекторного тока равно DI_k = 0,5DU_вых/R^¢_н.

Эквивалентное сопротивление нагрузки равно .

Сопротивление R_к определяется по формуле:

,

где U_Rэ можно принять равным 0,3 E_к.

3. Далее необходимо проверить положение точки покоя на соответствие допустимой мощности:

I_кэпU_кэп£ P_доп..

4. Определяется сопротивление резистора в цепи эмиттера:

Выбираем R_э^¢ = 0,05R_э

5. Задавшись током делителя I_дел ³ (5-10)I_б определяются резисторы смещения R_б1 и R_б2.

6. Вычисляется коэффициент усиления по приближенной формуле:

и сравнивается с заданным значением коэффициента усиления по напряжению. В случае несоответствия необходим перерасчет транзисторного каскада.

4. Расчет ДУ с ГСТ

1. По заданному напряжению источника питания (Е_к = 15 В) выбирается тип транзисторов. Выбираем для транзисторов VT1 и VT2 рабочую точку. Через выбранную рабочую точку и точку U_кэ=Е_к-½U_кэ3½ проводится нагрузочная прямая. Значение резистора R_к проводится по формуле:

2. Для нахождения рабочей точки транзистора VT3 необходимо задаться падением напряжения на R_э порядка 1-5 В. Большие значения U_кэ обеспечивают лучшую стабильность работы ГСТ, меньшие позволяют работать при небольших ЭДС источника питания. Сопротивление резистора R_э находится как:

,

где I_к - ток коллектора VT1 или VT2. Ток базы VT3 равен

Задавшись током базового делителя I_дел =(10-30)I_б находят значение резисторов R₃, R₄.

Задание к работе:

1. Рассчитайте ДУ, приведенный на рис.1а, по заданным ВАХ транзисторов и соберите его на макетной плате.

2. Измерьте коэффициент подавления синфазной составляющей при симметричном и несимметричном выходе. Объяснить полученные результаты.

3. Заземлите вход 2 через конденсатор большой емкости. Подайте сигнал на u_вх1. Измерьте переменное напряжение между землей и коллектором для транзисторов VT1 и VT2. Объяснить результат.

4. Рассчитайте и соберите ДУ с ГСТ на макетной плате.

5. Определите коэффициент подавления синфазной составляющей. Объяснить полученные результаты.

Контрольные вопросы:

1. Приведите схему ДУ на транзисторах и объясните принцип его работы.

2. Что означает симметричный и несимметричный входы для дифференциального усилителя?

3. Объясните подавление синфазной составляющей сигнала при симметричном и несимметричном выходах. Ответ обоснуйте.

4. Приведите эквивалентные схемы для одного плеча ДУ в случае дифференциального и синфазного сигналов и выведите формулу для коэффициента усиления.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: