Методы к лабам / лаб_раб 24

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Радиотехника»

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Методические указания к выполнению лабораторной работы

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2005г.

Методическое указание предназначено для выполнения лабораторной работы на ПК при помощи пакета программ Workbench 5.0.

1. Цели работы.

Исследование дифференциального усилителя в режиме:

-усиления постоянного тока;

-усиления переменного тока.

2.Краткие сведения из теории.

2.1.Дифференциальные усилители (ДУ) предназначены для усиления постоянного и переменного токов.

Схема ДУ представляет собой электрический мост. Коллекторные

резисторы R K1 и R K 2 внутренние сопротивления транзисторов VT1 и VT2 образуют четыре плеча моста. К одной диагонали моста между цепями коллектор – эмиттер подключается напряжение питания, а в другую (между коллекторами) – нагрузочный резистор R Н (рис.1).

Iэ

Рисунок 1. Схема дифференциального усилителя.

ДУ имеет два входа Uвх1 и Uвх2. Входные напряжения подаются на базы транзисторов VT1 и VT2. Выходные напряжения Uвых1 и Uвых2 снимаются относительно земли с одного из коллекторов транзисторов. Эти напряжения называются несимметричными. Если выходное напряжение U вых, снимается с коллекторов транзисторов, то это напряжение называется симметричным.

Рассмотрим принцип действия ДУ в статическом режиме, т.е. при отсутствии нагрузочных резисторов Rн.

Входное напряжение прикладывается к базам обоих транзисторов. При R K1 = R K 2 и строго идентичных параметрах транзисторов VT1 и VT2 - плечи моста симметричны. При этом условии, если входной сигнал отсутствует Uвх = 0, усилитель сбалансирован и напряжение между его выходами Uвых1 - Uвых2 = 0.

В режиме баланса эмиттерный ток I э делится поровну между двумя транзисторами I к1 и I к2. Если пренебречь базовыми токами, можно считать, что коллекторные токи транзисторов одинаковы I к1 = I к2 и

равны I э/2. В этом режиме потенциал каждого выхода имеет относительно земли синфазный уровень баланса. Это напряжение называется напряжением баланса Uвых1= Uвых2= U бал. Режиму баланса соответствует потенциальная диаграмма, показанная на рис.2.

Uвых1, Uвых2

Ек +

Uвых2

Uбал

Uвых1

Uвх1

Рисунок 2. Потенциальная диаграмма.

Уровень баланса можно подсчитать, зная напряжение питания усилителя Е +К и величину тока I э/2, протекающего через каждый коллекторный резистор R K.

При подаче на базы напряжений противоположных знаков (дифференциальных сигналов) – положительная полярность на базе VT1, транзистор получает больший ток смещения и его коллекторный ток Iк1 увеличится. Поскольку на оба транзистора эмиттерные токи поступают от генератора стабильного тока (ГСТ), то, при условии постоянства тока эмиттера, общего для транзисторов, сумма коллекторных токов должна оставаться постоянной. Поэтому ток Iк2 транзистора VT2 уменьшится. Условие

Этот выход ДУ называется инвертирующим. На другом выходе напряжение Uвых2 увеличивается (приращение сигнала неинвертировано по фазе относительно входного сигнала):

неинвертирующим.

В результате возрастает полный дифференциальный выходной сигнал

Изменение выходных сигналов дифференциального усилителя прекращается, когда весь ток I э начинает течь по транзистору VT1. Транзистор VT2 переходит в режим отсечки, так как его эмиттерный ток равен нулю. В этом режиме усилитель становится неуправляемым.

Максимальная разность потенциалов между выходами

Напряжение на коллекторе транзистора VT1 имеет минимальный уровень

2.2. Необходимо подчеркнуть такое важное свойство ДУ, как его способность подавлять паразитные синфазные сигналы, вызываемые, например, наводками, нестабильностью напряжения источников питания, при изменении температуры окружающей среды и т.д. Эти сигналы одновременно и с равными амплитудами появляются на входах транзисторов и не будут воздействовать на выходное напряжение U вых.

Для обеспечения стабильности тока I э, который не должен меняться в процессе работы ДУ, используется генератор стабильного тока (рис. 3).

Генератор стабильного тока

Iэ

-

Ек

+

Рисунок 3. Генератор стабильного тока.

Рассмотрим принцип действия схемы. По цепи смещения R1 – VT2 – R2 протекает ток I 1 , который создает падение напряжения Uбэ2 на переходе база – эмиттер транзистора VT2 в диодном включении и на резисторе R2. Если пренебречь током базы транзистора VT1 и учесть, что базы транзисторов соединены, значение тока I э можно определить из уравнения Uбэ1 + I эR3 = Uбэ2 + I 1 R2, откуда

При идентичных параметрах транзисторов VT1 и VT2

Uбэ2 ≈ Uбэ1

Тогда из формулы (6) следует, что ток Iэ зависит от соотношения номиналов R2 и R3

Iэ = I 1 R2 / R3.

Таким образом, при постоянном токе I1 можно выбором номинала изменять силу тока Iэ.

2.3. В дифференциальных усилителях источник сигнала Eg (рис.5) может иметь симметричный выход, например, в виде обмотки трансформатора с заземленной средней точкой. Возможно также несимметричное подключение, когда сигнал подается относительно земли к одному из входов Uвх1 или Uвх2, причем неиспользуемый вход заземляется.

Выход ДУ также может быть симметричным, если выходной сигнал Uвых снимают между коллекторами транзисторов, или несимметричным, когда выходной сигнал снимается относительно земли только с одного из коллекторов Uвых1 или Uвых2 (рис. 4).

При симметричном входе и несимметричном выходе:

Ku = Uвых1/Uвх1 +Uвх2 или Ku = Uвых2/Uвх1 +Uвх2, (9)

При несимметричном входе и симметричном выходе:

При несимметричном входе и несимметричном выходе Ku минимальный:

3.Порядок выполнения работы

3.1.Исследование дифференциального усилителя в режиме

усиления постоянного тока.

3.1.2. Для выполнения данного пункта необходимо открыть файл Эл.устр_2.4.ewb, находящийся в каталоге Workbench 5.0 по адресу Lab/Эл.устр/24/Эл.устр_24.1.ewb.

Схема, содержащаяся в данном файле, показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема исследования ДУ в режиме усиления постоянного тока.

В этой схеме Eg – источник постоянного напряжения, формирующий входной сигнал Uвх.

Вольтметр М3 измеряет выходное напряжение Uвых между коллекторами VT1 и VT2. Вольтметр М1 измеряет выходное напряжение Uвых1, с коллектора VT1. Вольтметр М5 измеряет выходное напряжение Uвых2, с коллектора VT2. Амперметры М2 и М4 измеряют соответственно коллекторные токи Iк1 и Iк2 транзисторов VT1 и VT2. Амперметр М6 измеряет ток эмиттера Iэ.

Режимы работы всех приборов – ДС.

3.1.3. Устанавливая значения Uвх, указанные в первой строке

таблицы 1, снимать показания приборов: вольтметра М3 (Uвых), вольтметра М1 (Uвых1), вольтметра М5 (Uвых2), амперметра М2 (Iк1), амперметра М4 (Iк2), амперметра (М6).

Результаты измерений записать в соответствующие строки таблицы 1.

Таблица 1

Uвх, мВ 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Измерить

Uвых, В

Uвых1,В

Uвых2,В

Iэ, мА

Iк1,мА

Iк2,мА

Рассчитать

Uвых,В

Uвых1,В

Uвых2,В

3.2. Исследование дифференциального усилителя в режиме усиления переменного тока.

3.2.1. Для выполнения данного пункта необходимо открыть файл Эл.устр_2.4.ewb, находящийся в каталоге Workbench 5.0 по адресу Lab/Эл.устр/24/Эл.устр_24.2.ewb.

Схема, содержащаяся в данном файле, показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема исследования ДУ в режиме усиления переменного тока.

В этой схеме Eg – источник напряжения, формирующий переменный входной сигнал Uвх.

С помощью ключей 1 и 2 устанавливают симметричный или несимметричный вход ДУ.

Вольтметр М4 измеряет выходное напряжение Uвых на нагрузке Rn между коллекторами VT1 и VT2 (симметричный выход ДУ). Вольтметр М1 измеряет выходное напряжение Uвых1 на нагрузке Rn1 с коллектора VT1 (несимметричный выход ДУ). Вольтметр М5 измеряет выходное напряжение Uвых2 на нагрузке Rn2 с коллектора VT2 (несимметричный выход ДУ).

Режимы работы всех приборов – АС.

3.2.2. Определение коэффициента усиления Ku.

Коэффициент усиления определяется для следующих основных схем дифференциального усилителя:

-симметричный вход, симметричный выход;

-симметричный вход, несимметричный выход;

-несимметричный вход, симметричный выход;

-несимметричный вход, несимметричный выход.

Для всех этих схем измеряется выходное напряжение. При этом напряжения входного сигнала Uвх1 и Uвх2 равны 25 мВ, частота сигнала Fс = 1.0 кГц. Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

3.2.3. Определение частотных свойств ДУ

Для снятия частотной характеристики Uвых = f (Fс) использовать схему включения ДУ симметричный вход – симметричный выход.

Установить напряжение входного сигнала Eg = Uвх = 50мВ. Измерить напряжение выходного напряжения Uвых при различных

частотах входного сигнала, указанных в таблице 3.

Таблица 3

Измерить

Uвых, В

Рассчитать

Кu

Зарисовать осциллограммы выходных напряжений Uвых1 и Uвых2 при

Fc = 1 кГц.

4.Обработка результатов исследования

4.1.Построить по данным таблицы 1 потенциальную диаграмму (см.

рис. 2).

При Uвх = 0; Uбал = Uвых1 = Uвых2, или Uбал рассчитать по формуле (1).

4.2.Рассчитать по формулам (2), (3) и (4) напряжения Uвых, Uвх1 и Uвх2. Результаты расчета записать в соответствующие строки таблицы 1.

4.3.Рассчитать по формулам (8), (9), (10) и (11) коэффициенты усиления Кu при различных схемах включения ДУ. Результаты расчета записать в соответствующие строки таблицы 2.

4.4.Рассчитать коэффициент усиления Кu по формуле Кu = Uвых/ Uвх. Результаты расчета занести в таблицу 3.