Изучение дифференциального усилительного каскада на биполярных транзисторах

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра биотехнических систем

отчет

по лабораторной работе №4

по дисциплине «ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА»

Тема: Изучение дифференциального усилительного каскада на биполярных транзисторах

Студент гр. 7501		Исаков А. О.
Преподаватель		Анисимов А. А.

Санкт-Петербург

2020

Цель работы: изучение принципа работы дифференциального усилительного каскада, реализованного на биполярных транзисторах.

Используемое оборудование: работа выполняется в виде компьютерной симуляции с использованием САПР Микрокап.

Основные теоретические сведения

Дифференциальный усилитель — это широко известная схема, используемая для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов, а определяется только их разностью. Когда уровни сигналов на обоих входах изменяются одновременно, то такое изменение входного сигнала называют синфазным. Дифференциальный или разностный входной сигнал называют еще нормальным или полезным. Хороший дифференциальный усилитель обладает высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС), который представляет собой отношение выходного полезного сигнала к выходному синфазному сигналу, при условии, что полезный и синфазный входные сигналы тлеют одинаковую амплитуду.

Дифференциальные усилители используют в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне шумов. Примерами таких сигналов являются цифровые сигналы, передаваемые по длинным кабелям, звуковые сигналы, радиочастотные сигналы, напряжения электрокардиограмм и многие другие.

Дифференциальные каскады широко используют при построении операционных усилителей. На рис. 1 показана основная схема дифференциального усилителя.

Рисунок 1 - Базовая схема дифференциального усилителя

Усиление синфазного сигнала в дифференциальном усилителе можно значительно уменьшить, если резистор R₁ заменить источником тока. При этом действующее значение сопротивления R₁ станет очень большим, а усиление синфазного сигнала ослабится почти до нуля.

Ход выполнения работы

1. Базовая схема дифференциального усилительного каскада

Исходные данные: U_пит = ±18 В и I = 500 мкА.

Расчет схемы: ;

Возьмем

Ток через каждый транзистор 250 мкА

Учитывая падения напряжения на резисторе R₁, R₁≈34 кОм

Рисунок 2 - Базовая схема дифференциального усилительного каскада

Рисунок 3 - Результаты расчета схемы №1 в режиме Dynamic DC

Теоретические расчеты совпадают с Микрокапом.

1. Пусть на вход подается синфазный сигнал: частота 50 Гц и амплитуда 1 В

Рисунок 4 - Анализ ПП в режиме Transient

Из рис. 4 видно, что входной синфазный сигнал ослабился в 2 раза, что соответствует теоретическим расчетам.

2. Пусть на вход подается дифференциальный сигнал

Рисунок 5 - Результаты DC Analysis

По рис. 5 видно, что на выходе мы получаем 1,576 В, значит К_дифф≈15,8, что практически соответствует теоретическим расчетам.

3. 

2. Схема дифференциального усилительного каскада с простым токовым зеркалом

Исходные данные: U_пит = ±18 В и I = 500 мкА.

Расчет схемы: ;

Возьмем

Ток через каждый транзистор 250 мкА

Учитывая падения напряжения на резисторе R₁, R₁≈34 кОм

– в Микрокапе подобрали наиболее точное значение, при котором U_вых=9,02 В, R₄=39 кОм

Рисунок 6 – Схема дифференциального усилительного каскада с простым токовым зеркалом

Рисунок 7 - Результаты расчета схемы №2 в режиме Dynamic DC

Расчет в режиме Dynamic DC примерно соответствует теоретическим расчётам.

1. Пусть на вход подается синфазный сигнал: частота 50 Гц и амплитуда 1 В

Рисунок 8 - Результаты анализа ПП в режиме Transient для синфазного сигнала

Из рис. 8 видно, сигнал ослабился в 13 раз.

2. Пусть на вход подается дифференциальный сигнал: частота 50 Гц и амплитуда 100 мВ

Рисунок 9 - Результаты анализа ПП в режиме Transient для дифференциального сигнала

По рисунку 9 видно, что К_дифф=16.

3. 

3. Схема дифференциального усилительного каскада с токовым зеркалом Уилсона

Исходные данные: ;

Возьмем

Ток через каждый транзистор 250 мкА

Учитывая падения напряжения на резисторе R₁, R₁≈34 кОм

– в Микрокапе подобрали наиболее точное значение, при котором U_вых=9,02 В, R₄=39 кОм

Расчет схемы по постоянному току в режиме покоя:

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

6. – в Микрокапе подобрали для точности R₄=63 кОм

Рисунок 10 – Схема дифференциального усилительного каскада с токовым зеркалом Уилсона

Рисунок 11 - Результаты расчета схемы №2 в режиме Dynamic DC

Расчет в режиме Dynamic DC примерно соответствует теоретическим расчётам.

7. Пусть на вход подается синфазный сигнал: частота 50 Гц и амплитуда 1 В

Рисунок 12 - Результаты анализа ПП в режиме Transient для синфазного сигнала

Из рис. 12 видно, что входной синфазный сигнал ослабился в 2 раза, значит К_синф≈0,5.

8. Пусть на вход подается дифференциальный сигнал: частота 50 Гц и амплитуда 100 мВ из-за переусиления сигнала

Рисунок 13 - Результаты анализа ПП в режиме Transient для дифференциального сигнала

По рисунку видно, что сигнал усиливается в 16раз.

9. 

Вывод

В ходе лабораторной работы с помощью симуляции в Микрокапе было доказано, что дифференциальные усилительные каскады с разными видами нагрузок усиливают разностный (дифференциальный) сигнал и ослабляют синфазный.