Принципы радиоизмерений Исследование стабилизированного выпрямителя Исследование усилительных каскадов Расчет трехфазной цепи Исследование нелинейных цепей постоянного тока Исследование электрических фильтров требуется цепь грм

Лабораторные работы по электронике и электротехнике

Лабораторная работа №8

Исследование дифференциального каскада усилителя

Цель работы.

1. Определение основных параметров и характеристик дифференциального каскада усиления.

Теоретические сведения.


Во 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.


Рис.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 (DUб1=DU 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 (DUб1 = -DU 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 приференциального 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.


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

 базы Iб

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).


Исследование выпрямителя однофазного и трехфазного токов