ЭиМТ_ЛР4_9502_Камышанова_Изланова_Позняк
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра БТС
ОТЧЕТ по лабораторной работе №4
по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника» Тема: «Дифференциальные усилители»
|
|
|
Изланова А.Е. |
|
|
|
Камышанова О.А. |
Студентки гр. 9502 |
|
Позняк В.Ю. |
|
Преподаватель |
|
|
Корнеева И.П. |
Санкт-Петербург
2021
Основные теоретические положения:
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.
Дифференциальные усилители используют в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне значительных шумов. Классическим примеров подобных сигналов являются биопотенциалы – энергетическая характеристика взаимодействия зарядов, находящихся в исследуемой живой ткани, например, в
различных областях мозга, в клетках и других структурах. При этом измеряется не абсолютный потенциал, а разность потенциалов между двумя точками ткани
(другими словами, разностный или дифференциальный сигнал), отражающая её биоэлектрическую активность, для получения информации о состоянии и функционировании различных органов. Так, активность мозга отражает сигнал электроэнцефалограммы (ЭЭГ), сердца – электрокардиограмма (ЭЭГ), мышечную активность – электромиограмма (ЭМГ). При этом амплитуда биопотенциалов,
регистрируемых с поверхности тела человека, крайне мала – для сигналов ЭЭГ она может составлять десятки микровольт, при этом на полезный сигнал накладывается большое количество различных помех, в первую очередь от сети питания (сетевая помеха с частотой 50 Гц). Помехи представляют собой синфазный сигнал, то есть сигнал с одинаковой амплитудой и фазой, одновременно присутствующий на обоих входах дифференциального усилителя.
Поэтому основной задачей дифференциального усилителя становится усиление полезного (дифференциального сигнала) и по возможности максимальное ослабление синфазных сигналов (всевозможные помехи).
Также дифференциальные каскады широко используют при построении операционных усилителей, которые мы рассмотрим в дальнейшем. Они играют важную роль при разработке усилителей постоянного тока (которые усиливают частоты вплоть до постоянного тока, т.е. не используют для межкаскадной связи
конденсаторы): их симметричная схема по сути своей приспособлена для компенсации температурного дрейфа.
Рис. 1. Базовая схема дифференциального усилителя
В этой схеме эмиттеры транзисторов Q1 и Q2 соединены между собой,
образуя дифференциальную пару. Если плечи схемы симметричны и входные напряжения одинаковы (например, оба входа заземлены, как на рис. 1), ток от источника напряжения V6 делится поровну между двумя транзисторами, задавая их коллекторный ток ( К1 = К2 = К). При равенстве входных напряжений напряжение на выходе будет равно:
1 = 6 − К ∙ К ∙
Подобное схемное решение позволяет сохранять постоянный суммарный ток этой пары транзисторов благодаря тому, что на их базы подается противофазный сигнал. При увеличении тока эмиттера транзистора Q1, ток транзистора Q2
уменьшается на точно такую же величину. Благодаря постоянному току через резистор R1, падение напряжения на нём тоже оказывается постоянным и поэтому можно считать, что точка соединения эмиттеров транзисторов дифференциального усилителя по переменному току эквивалентна нулевому потенциалу.
Коэффициент усиления дифференциального усилителя можно определить как и в случае усилителя на одном транзисторе (по сути, это схема включения транзистора с общим эмиттером, при этом схема симметрична и имеет два
одинаковых плеча), если заметить, что входной сигнал оказывается дважды приложенным к переходу база-эмиттер любого из транзисторов:
КДИФ = |
вых |
= |
К |
||
|
− |
2 ∙ ( |
+ ) |
||
|
1 |
2 |
|
Э |
Э |
Сопротивление резистора Rэ обычно невелико по сравнению с коллекторным сопротивлением (порядка нескольких кОм), зачастую этот резистор вообще отсутствует. Дифференциальное напряжение обычно усиливается в несколько сотен раз.
усиление синфазного сигнала дифференциальным усилителем можно определить следующим образом:
КСИНФ |
= |
|
К |
|
||||
2 ∙ 1 + Э + Э |
||||||||
|
|
|
||||||
Коэффициент ослабления синфазного сигнала можно определить |
||||||||
следующим образом: |
|
|
|
|
|
|
|
|
К = КДИФ |
≈ |
1 |
||||||
ОСС |
|
КСИНФ |
|
Э + Э |
|
|||
|
|
|
||||||
Обработка результатов эксперимента:
Рис. 2 Дифференциальный усилитель
|
|
|
|
|
24 |
|
||
Расчет коэффициента усиления: |
Кдиф = |
|
= |
|
= |
⁄ |
=12 |
|
2 (э+ э) |
2э |
|||||||
|
|
|
|
2 1 |
|
|||
Рис. 3 Коэффициент усиления дифференциального сигнала
Рис.4 Усиление дифференциального сигнала
Коэффициент усиления по анализу: Кдиф = 1001.04 = 10.4
Синфазной сигнал:
Рис.5 Усиление синфазного сигнала
Ксинф= 2 1 + э + э = 0.55
Кдиф Кос = Ксинф = 21.8
Дифференциальный усилитель с токовым зеркалом:
Рис. 6 Дифференциальный усилитель с классическим токовым зеркалом
Рис.7
Рис.8
Кдиф=10.7
Ксинф=0.052
Кос=205.77
Рис. 9 Дифференциальный усилитель с токовым зеркалом Уилсона
Рис. 10
Кдиф=10.72
Рис.11
Ксинф=453.3
Кос=23 648.8
Дифференциальный усилитель:
Рис. 12 Схема собранная на установке
Рис.13 Дифференциальный сигнал
Рис.14 Синфазный сигнал
2.Дифференциальный усилитель с классическим токовым зеркалом
Рис.15 Схема собранная на установке
Рис.16 Дифференциальный сигнал
Рис.17 Синфазный сигнал
3.Дифференциальный усилитель с токовым зеркалом Уилсона
Рис. 18 Схема собранная на установке
Рис.19 Дифференциальный сигнал