Студопедия — ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО КАСКАДА УСИЛЕНИЯ
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО КАСКАДА УСИЛЕНИЯ






 

  1. Цель работы

 

Определение основных параметров и характеристик дифференциального каскада усиления.

 

  1. 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, 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 безинерционный усилитель с широкой полосой усиления от нуля до fmax (рис.1).

Рис.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 на 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 рис.2.

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.

Рис.2. Базовая схема дифференциального усилителя

 

Такой способ изготовления гарантирует незначительный разброс параметров обоих плеч каскада, а близкое их расположение на подложке обеспечивает одинаковые температурные условия.

 

2.1. Принцип работы дифференциального каскада

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=DUб2). 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:

(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.2 можно заземлить по переменному току, что и показано на рис.3.

а) схема ДК при усилении дифференциального сигнала

б)схема ДК при усилении синфазного сигнала

Рис.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.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.3б) с удвоенным Rэ.

Каждая половина схемы на рис.3а представляет собой обычный усилительный каскад с ОЭ, коэффициент усиления которого равен:

(2)

 

где Kd- коэффициент усиления дифференциального сигнала,

 

- входной дифференциальный сигнал.

Также каждая половина схемы на рис.3б является усилителем с обратной связью по току, коэффициент усиления которого равен:

(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:

(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 рис.3б) имеем:

 

.

 

Из формулы (2) имеем

,

 

тогда коэффициент подавления синфазного сигнала при дифференциальном выходе будет равен:

 

(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 пояснено на рис.4, где

- сопротивление транзистора переменного тока,

 
 

- сопротивление транзистора постоянного тока.

Рис.4. ВАХ биполярного транзистора в схеме с ОЭ при некотором токе базы Iб

Включение транзистора Т3 в общую эмиттерную цепь (вместо Rэ) двух входных транзисторов Т1 и Т2 показано в схеме лабораторного макета (рис.1). Транзистор Т3 по существу является источником стабильного тока I0 (ИСТ), внутреннее сопротивление которого примерно равно дифференциальному сопротивлению в рабочей точке: Ri»R~» rк (rк – сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОЭ). Стабильность тока I0 осуществляется глубокой обратной отрицательной связью через эмиттерный резистор R6. Включение смещенного в прямом направлении диода в цепь делителя базы транзистора Т3 увеличивает термостабильность коллекторного тока.







Дата добавления: 2015-10-01; просмотров: 3445. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит. Multisim оперирует с двумя категориями...

Композиция из абстрактных геометрических фигур Данная композиция состоит из линий, штриховки, абстрактных геометрических форм...

Важнейшие способы обработки и анализа рядов динамики Не во всех случаях эмпирические данные рядов динамики позволяют определить тенденцию изменения явления во времени...

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА Статика является частью теоретической механики, изучающей условия, при ко­торых тело находится под действием заданной системы сил...

Стресс-лимитирующие факторы Поскольку в каждом реализующем факторе общего адаптацион­ного синдрома при бесконтрольном его развитии заложена потенци­альная опасность появления патогенных преобразований...

ТЕОРИЯ ЗАЩИТНЫХ МЕХАНИЗМОВ ЛИЧНОСТИ В современной психологической литературе встречаются различные термины, касающиеся феноменов защиты...

Этические проблемы проведения экспериментов на человеке и животных В настоящее время четко определены новые подходы и требования к биомедицинским исследованиям...

ТЕХНИКА ПОСЕВА, МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ЧИСТЫХ КУЛЬТУР И КУЛЬТУРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА МИКРООРГАНИЗМОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА БАКТЕРИЙ Цель занятия. Освоить технику посева микроорганизмов на плотные и жидкие питательные среды и методы выделения чис­тых бактериальных культур. Ознакомить студентов с основными культуральными характеристиками микроорганизмов и методами определения...

САНИТАРНО-МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДЫ, ВОЗДУХА И ПОЧВЫ Цель занятия.Ознакомить студентов с основными методами и показателями...

Меры безопасности при обращении с оружием и боеприпасами 64. Получение (сдача) оружия и боеприпасов для проведения стрельб осуществляется в установленном порядке[1]. 65. Безопасность при проведении стрельб обеспечивается...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.012 сек.) русская версия | украинская версия