Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учебно-методическое пособие
.pdf
Основные достоинства ДУ:
низкая чувствительность к изменениям напряжения питания и
температуры;
возможность использования глубокой ООС для повышения ста-
бильности режима по постоянному току без уменьшения усиления полезного сигнала;
наличие двух входов и двух выходов, что позволяет строить ин-
вертирующие, неинвертирующие усилители и другие схемы аналоговой обработки сигналов;
низкая чувствительность к одинаковым постоянным входным
напряжениям, что облегчает решение проблемы межкаскадных связей
в усилителях постоянного тока (УПТ).
АА
Пусть на вход ДУ, который симметричен относительно оси
(рис. 6.2), поступают синфазные сигналы (СС), т. е. сигналы, амплитуды и фазы которых совпадают.
E
А
R
к
u
2
1VT
R
к
2VT
п
[–]
(+) (+)
i
э2
[+]
i
u
1
(–)
э1
А
(–)
[+]
u
1
[–]
Рис. 6.2. Упрощенная схема дифференциального усилителя
Так как в отсутствие входных сигналов каскад сбалансирован
(симметричен), то на коллекторах обоих транзисторов устанавливают-
ся одинаковые напряжения
ние
u .
2
UEIR
выходное напряже-
кпкк
41
При подаче синфазных сигналов, например положительной поляр-
R
R
ности (как на рис. 6.2), коллекторные токи обоих транзисторов возрастут на одну и ту же величину, что вызовет одинаковое уменьшение
коллекторных напряжений, т. е.
uuUiR
к1 к2 ккк
и выходное напряжение
2 к1 к2
.
0uu u
Если на входы поступают дифференциальные сигналы (ДС), т. е.
сигналы, равные по амплитуде, но противоположные по фазе (полярности), то (при данной полярности этих сигналов)
к1 ккк к2 ккк 2 к1 к2 кк
, , 2u U iR u U iR u u u iR .
Таким образом, идеально симметричный ДУ усиливает только ДС и
не реагирует на СС. Так как к синфазным компонентам можно отнести,
например, изменение температуры окружающей среды, изменение
напряжения питания, внешнюю помеху, поступающую одновременно на
оба входа ДУ, то такой каскад будет обладать идеальной температурной
стабильностью, не будет реагировать на изменение напряжения
питания
и будет иметь повышенное отношение сигнал/помеха. Кроме того, он не
будет чувствителен к одинаковым постоянным напряжениям на обоих
входах, что облегчает осуществление межкаскадных связей.
Если же ДУ несимметричен, то в отсутствие входных сигналов на
выходе появляется конечное напряжение, которое изменяется во времени из-за воздействия на ДУ различных
ров. Это изменение называется
дрейфом нуля выходного напряжения.
дестабилизирующих факто-
Величину этого напряжения и его дрейф можно уменьшить введением
ООС для синфазных составляющих (рис. 6.3). При действии СС оди-
наково увеличиваются эмиттерные токи
нии
возникает напряжение ОС
0
i , э2i и на сопротивле-
э1
ос 0 э1 э2
()uRii, которое через
источники сигналов воздействует на оба входа, вызывая уменьшение
напряжения
бэ 10э1 э2
тельная ООС по току (аналогичная создаваемой сопротивлением
()uuRii , т. е. в схеме возникает последова-
в
э
резисторном каскаде), которая уменьшает коэффициент усиления для
i
СС. Если же на входы поступают ДС, то токи
э1
i
и
протекают
э2
42
через
R
R
R
R
R
ОС
в противоположных направлениях (рис. 6.3) и напряжение
0
ос 0 э1 э2
()0uRii
, т. е. для полезного (ДС) сигнала ОС практи-
чески будет отсутствовать.
Замечание. Токи
i
i
э1
и
это переменные составляющие со-
э2
ответствующих полных токов. Если при подаче сигнала ток в цепи
увеличивается, то направления переменной и постоянной составляющих совпадают, если же уменьшается, то эти токи направлены противоположно.
/2E
п
к
2VT
[+]
(+)
0
i
э2
/2E
п
(–)
u
1
[–]
[–]
[+]
к
u
2
1VT
(+)
u
1
i
э1
(–)
Рис. 6.3. Дифференциальный усилитель с обратной связью
До сих пор мы рассматривали работу ДУ при симметричном выходе, однако довольно часто выходное напряжение снимается с коллектора одного из транзисторов относительно общего провода (земли),
0R
т. е. используется несимметричный выход. В этом случае при
0
ДУ теряет свойства подавлять СС (СС и ДС будут усиливаться одинаково!).
Чтобы сохранить достоинства ДУ и при несимметричном
выходе, необходима глубокая ООС, т. е. в этом случае наличие резистора
принципиально необходимо.
0
Если глубина ОС 80 дБ, то можно считать, что СС практически
отсутствует. Для получения такой глубины ОС при
43
50g
мСм
21
и при
R
R
R
RкR
R
0R
сопротивление
Г
100R
0
кОм. Если
э1 э2 э
1III
мА,
то падение постоянного напряжения на этом сопротивлении будет
равно
Хорошие результаты дает использование в качестве
2200UIR
0 э 0
В, т. е. обычный резистор здесь непригоден.
генерато-
0
ров стабильного тока (ГСТ) (см. разд. 6.12 в [1]), которые имеют сопротивление изменяющемуся (переменному) току, значительно большее, чем постоянному. Поэтому при падении на ГСТ постоянного
напряжения порядка 1,5…2 В удается получить сопротивление пере-
менному току
сотни килоом, т. е. обеспечить глубокую ООС для
0
СС и уменьшить величину дрейфа.
Вы, наверное, обратили внимание, что в схеме на рис. 6.3 в отличие
от схемы рис. 6.2 используются два источника питания. Это объясняется тем, что ДУ – это усилитель постоянного тока (УПТ), т. е. устройство, предназначенное для усиления медленно
изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты (постоянной составляющей). Для усиления таких сигналов используется непосредственная (гальваническая)
связь между каскадами, а также между источником сигнала и входом
УПТ (ДУ).
/2E
п
к
u
1VT
Г
1
2
2VT
2
i
э1
e
г
u
1
()
I
0
i
э2
3
0
/2E
п
Рис. 6.4. Дифференциальный усилитель с несимметричным
входом
44
Если ДУ имеет однополярное питание, то на его входах присут-
R
R
R
R
E
ствует некоторый постоянный потенциал, что не позволяет подключать низкоомный источник сигнала между входом ДУ и общим проводом (землей). Применение же двухполярного питания снимает эту
проблему, так как в этом случае обеспечиваются нулевые потенциалы
баз транзисторов VT1 и VT2 относительно общего провода
.
В этих условиях баланс схемы (установка нуля) не зависит от сопротивлений внешней цепи, подключенной к входу ДУ, т. е. от сопротивления источника сигнала. В частности, можно заземлять один из
входных зажимов ДУ, не нарушая баланса схемы (рис. 6.4).
Как работает эта схема? Напряжение
u фактически приложено
1
между базами транзисторов VT1 и VT2 и вызывает появление напряжений
u этих транзисторов, равных по величине и противополож-
бэ
ных по знаку, что в свою очередь приводит к протеканию равных по
величине и противоположных по направлению эмиттерных токов
, ii, и к нейтрализации ОС за счет
э1 э2
. Если напряжение
0
u сни-
2
мать с коллектора транзистора VT1 относительно общего провода
(несимметричный выход), то получим инвертирующий усилитель,
а если с коллектора VT2 – то неинвертирующий.
6.3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
ИССЛЕДОВАНИЕ КАСКАДА НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ
Внимание! При проведении измерений (кроме пункта 4) переклю-
чатель SA2 должен находиться в положении
«выкл.».
1. Определить значения токов ГСТ, соответствующих двум поло-
жениям переключателя SA3
(, )II
ГСТ1 ГСТ2
. Определение величины
тока ГСТ проводится косвенным способом путем измерения падения
напряжения на резисторе
к1
или
к2
.
Зная принцип работы ДУ, можно рекомендовать следующую методику измерения тока ГСТ. Подключить вольтметр постоянного тока к
гнезду
X3 или X4. Изменяя резистором
уровень дифференциально-
11
го сигнала, подаваемого на ДУ, добиться максимальных показаний
вольтметра. Максимальные показания вольтметра будут соответствовать закрытому состоянию транзистора VT1 или VT2 и будут равны
напряжению питания каскада
. При этом весь ток ГСТ начнет про-
п
текать через другой транзистор, напряжение на коллекторе которого
45
будет иметь минимальное значение
R
R
R
()U
. Соответственно величину
min
тока ГСТ можно определить как
EU
п min
,
I
где
R – сопротивление резистора
ГСТ
к1
R
или
, равное 2,4 кОм.
к2
Полученные значения токов для двух положений переключателя SA3 сообщить преподавателю.
2. Снять и построить амплитудные характеристики ДУ на постоянном токе для дифференциального сигнала при двух значениях тока
ГСТ.
Входное постоянное дифференциальное напряжение изменять ре-
зистором
в пределах 80 мВ с шагом 10 мВ. Входное дифферен-
11
циальное напряжение контролировать на гнезде X1. Выходное напряжение снимать с клемм X3 и X4 относительно общего провода
(несимметричный выход). Результаты измерений свести в таблицу
(табл. 6.1).
Замечание. Для сокращения числа измерений можно изменять
входное напряжение от нулевого уровня влево или вправо до появления
заметного перегиба АХ
.
Таблица 6.1
Амплитудная характеристика
, мВ –80 –70 … –10 0 10 … 70 80
U
вх.дифф
I
X4, В
X3, В
ГСТ1
I
ГСТ2
I
ГСТ1
I
ГСТ2
Пары амплитудных характеристик, измеренных при разных значениях тока ГСТ, построить на разных графиках. По полученным характеристикам определить приближенное значение напряжения смещения
нуля и диапазон входных сигналов, соответствующих линейному режиму ДУ. Напряжению смещения нуля соответствует абсцисса точки
46
пересечения пары АХ, снятых при одинаковом токе ГСТ с клемм X3
и X4.
3. При максимальном токе ГСТ измерить точное значение напряжения смещения нуля. Для этого следует подключить вольтметр постоянного тока к клемме X5 (симметричный выход) и путем изменения
уровня входного дифференциального напряжения резистором R11 добиться нулевых показаний вольтметра на самом чувствительном
пределе (200 мВ). При этом входное дифференциальное напряжение будет
равно напряжению смещения нуля и его следует измерить на клемме X1.
Установку нулевого выходного дифференциального напряжения
следует начинать при наиболее грубом пределе измерения вольтметра
(20 В), последовательно переходя на более чувствительные пределы.
На практике может оказаться сложным добиться нулевых показаний вольтметра. Поэтому измерение напряжения смещения нуля
можно считать корректным, если выходное напряжение укладывается в интервал
20 мВ.
4. Ввести в схему ДУ асимметрию переключателем SA2 и повто-
рить измерение напряжения смещения нуля.
ИССЛЕДОВАНИЕ КАСКАДА НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
5. Измерить коэффициент передачи ДУ по напряжению для дифференциального сигнала на частоте 1 кГц при несимметричном выходе.
Измерения проводить при двух значениях тока ГСТ.
Для проведения измерения необходимо подать с прибора
Handyscope HS3-100 переменный сигнал на дифференциальный вход
ДУ (клемма X1) гармонический сигнал с амплитудой, не превышающей размаха линейного участка амплитудных характеристик ДУ
(см.
пункт 2). Выходное напряжение снимается с клеммы X3 или X4 относительно общего провода. Измерения входных и выходных переменных напряжений проводить с помощью прибора Handyscope HS3-100.
При проведении измерений следует обратить внимание на следу-
:
ющее
схема должна быть симметричной (переключатель SA2 в поло-
жении «выкл.»);
схема ДУ должна быть сбалансирована по постоянному току,
т. е. на вход должно быть подано постоянное напряжение смещения
нуля (устанавливается резистором R11);
47
измерения вольтметром переменного тока можно проводить
только для несимметричного выхода, т. е. подключать его только к
клемме X3 (X4), но не к клемме X5.
6. Измерить коэффициент передачи ДУ по напряжению для синфазного сигнала на частоте 1 кГц. Измерения проводить при двух значениях тока ГСТ.
При проведении измерений входной сигнал с генератора подается
на вход синфазного сигнала (клемма X2). Учитывая, что реакция ДУ
на синфазные сигналы очень слабая, уровень подаваемого сигнала
должен быть не менее 1 В.
ет убедиться в реакции выходного напряжения ДУ
ня входного сигнала.
При наличии реакции измерить входное и выход-
После подачи сигнала такого уровня следу-
на изменение уров-
ное напряжение и рассчитать коэффициент передачи синфазного сигнала. Если реакция выходного напряжения на изменение входного отсутствует, то следует увеличивать уровень входного сигнала до ее появления, но не более 2,5 В.
Перед проведением измерений уровень постоянной составляющей
синфазного сигнала должен быть выставлен
на нуль резистором R6.
7. По полученным в работе данным рассчитать коэффициент
ослабления синфазного сигнала ДУ [см. (6.1)] для двух значений токов
ГСТ. Результаты всех измерений и расчетов свести в табл. 6.2 и предъявить преподавателю.
Таблица 6.2
Экспериментальные данные
Параметр Значение
Ток I
Ток I
Амплитуда входного дифференциального напряжения, соот-
ветствующая линейному режиму ДУ, мВ
Точное значение напряжения смещения нуля:
Коэффициент передачи дифференциального сигнала:
, мА
ГСТ1
, мА
ГСТ2
в симметричной схеме ДУ, мВ
в асимметричной схеме ДУ, мВ
при I
I
ГСТ2
, отн. ед.
ГСТ1
, отн. ед.
48
Окончание табл. 6.2
Параметр Значение
Коэффициент передачи синфазного сигнала:
при I
I
ГСТ2
Коэффициент ослабления синфазного сигнала:
при I
I
ГСТ2
, отн. ед.
ГСТ1
, отн. ед.
, дБ
ГСТ1
, дБ
8. Сделать выводы по работе, включающие в себя объяснение:
хода амплитудной характеристики дифференциального усилите-
ля для дифференциального сигнала;
влияния величины тока ГСТ на параметры дифференциального
усилителя;
причин появления напряжения смещения нуля ДУ;
различия поведения ДУ для синфазных и дифференциальных
сигналов.
6.4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Объясните принцип работы ДУ с симметричным входом и вы-
ходом.
2. Объясните принцип работы ДУ с несимметричным входом и вы-
ходом.
3. Объясните роль ГСТ в составе дифференциального усилителя.
4. По каким схемам строятся генераторы стабильного тока?
5. Каковы основные достоинства и недостатки ДУ по сравнению с
обычным несимметричным усилительным каскадом?
6. Почему
для питания ДУ обычно применяют биполярный источ-
ник питания?
7. Почему ДУ обладает разными коэффициентами передачи для
дифференциального и синфазного сигнала?
8. Каков физический смысл коэффициента ослабления синфазного
сигнала?
9. Что такое амплитудная характеристика усилителя?
49
10. Нарисуйте амплитудную характеристику ДУ для дифференци-
ального сигнала, снятую с симметричного выхода.
11. В чем достоинства и недостатки симметричного и несимметрич-
ного выходов ДУ?
12. Какие требования предъявляются к элементам ДУ?
13. От чего зависит коэффициент передачи дифференциального сиг-
нала ДУ?
14. От чего зависит коэффициент передачи синфазного сигнала ДУ?
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]