ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

Дифференциальные усилители

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить основные схемы дифференциального каскада на биполярных транзисторах.

ОБОРУДОВАНИЕ

Персональный компьютер IBM PC на базе процессоров Intel Pentium (и выше). Программа моделирования, основанная на использовании SPICE моделей.

ВВЕДЕНИЕ

В усилительных устройствах дифференциальные каскады применяются очень широко. Они практически незаменимы при усилении сигналов постоянного тока. Преимущества дифференциальных каскадов особенно ярко проявляются в ИС, где легче сформировать одинаковые транзисторные структуры. Дифференциальный каскад является основным схемотехническим решением для операционных усилителей, компараторов, стабилизаторов напряжения, аналоговых множителей сигналов.

Дифференциальный усилитель используется 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, такое изменение входного сигнала называется синфазным. Дифференциальный или разностный сигнал называют еще нормальным или полезным.

1. Дифференциальный каскад на биполярных транзисторах.

Рис. 1.

На рис.1 показана основная схема дифференциального каскада. Два идентичных транзистора имеют общий резистор (или источник постоянного тока) в цепи соединенных эмиттеров. Выходное напряжение измеряется на одном из коллекторов относительно потенциала земли.

2. Основные параметры дифференциального каскада на биполярных транзисторах.

1). Коэффициент усиления дифференциального сигнала.

Если на входах присутствует дифференциальный сигнал , то в дифференциальном каскаде изменяется распределение токов: при увеличивается, уменьшается и наоборот, ток что (приращения равны по абсолютному значению). При отсутствии сигнала () и пренебрегая неидентичностью транзисторов, заключающейся в , коллекторные токи обоих транзисторов равны между собой: .

Т. о., = , а по схеме Эберса - Мола: , где =25Ом.

Сопротивление резистора обычно невелико (100 Ом и меньше). Дифференциальное напряжение обычно усиливается в несколько сотен раз.

2). Коэффициент усиления синфазного сигнала.

Если оба входных напряжения изменятся одинаково (синфазный сигнал), токи коллекторов по-прежнему будут равны, т. е. теоретически коэффициент усиления синфазного сигнала равен 0. Практически синфазные составляющие не усиливаются, а ослабляются. Реальные значения коэффициента ослабления синфазных составляющих (КОСС) лежат в пределах 80…110 дБ для схем с идентичными биполярными транзисторами и 40…70 дБ для схем на биполярных транзисторах со случайными параметрами.

Если подадим синфазный сигнал , то , тогда

.

Сопротивлениями и пренебрегаем, т. к. резистор обычно выбирают большим – его сопротивление составляет, по крайней мере, несколько тысяч Ом.

3). Коэффициент ослабления синфазного сигнала.

.

3. Основные схемы дифференциальных усилителей (на рис.3 резистор заменен на источник тока со значительным улучшением характеристик).

Рис. 2 Рис. 3

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Собрать схемы, представленные на рис.2 и рис.3. Значение напряжения питания, тока покоя и коэффициента усиления уточнить у преподавателя.

При малых токах (токах коллектора до 200мА) можно использовать транзисторы npn типа: BC547, BC550, MJE350 и pnp типа: BC557, BC560B, MJE340.

При больших токах (порядка несколько ампер) используют транзисторы npn типа: 2N3055, 2N4063 и pnp типа: MJE4919, MJE4923, 2N4919, 2N5980, 2N6021, 2N6026.

КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

1. Определить для этих двух схем КОСС.

2. Померить входные и выходные сопротивления этих схем для дифференциального и синфазного сигналов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем заключается преимущество дифференциального усилителя с источником тока?

2. Как можно увеличить КОСС?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. // Т.1-2, М.:Мир,1983.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. // Т.1-3, М.:Мир,1993.

3. Жеребцов И.П. Основы электроники. // Л.:Энергоатомиздат,1989.

4. Ленк Дж. Электронные схемы. Практическое руководство. // М.:Мир,1985.

5. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. // М.:Мир,1982.

6. Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчетам схем в электронике. // Т.1-2, М:Энергоатомиздат,1991.

7. Кучумов А.И. Электроника и схемотехника. // М.: Гелиос АРВ, 2002.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Список элементов:

Описание	Название элемента	Название библиотеки
Сопротивление	R	Analog.slb
Транзисторы	NPN PNP	PWRBJT.slb EBIPOLAR.slb
Источник питания	VSRC	Sourse.slb
Источник синусоидального сигнала	Vsin	Sourse.slb
“земля”	AGND	Port.slb
Соединители	Bubble	Port.slb