ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5.

изучение схемы дифференциального каскада.

Цель работы : исследование схемы дифференциального усилителя. напряжения.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Изучить схему усилителя, использующую схему опорного напряжения Brokaw, исследованную в лабораторных работах №3, 4.

2. Выполнить домашнее задание.

3. Выполнить исследовательскую часть работы.

4. Оформить отчет и сдать работу.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.

Дифференциальный усилительный каскад – это балансная схема, предназначенная для усиления разности входных сигналов. Схемы дифференциальных усилителей (рис 1.)должны быть точно согласованы: обеспечена полная идентичность плеч схемы.

При подаче одинаковых входных напряжений и в отсутствие входного сигнала токи в плечах балансной пары должны быть равны, но в реальной схеме всегда будет наблюдаться рассогласование плеч. В интегральных схемах значительная часть неидеальностей в работе схемы связана с особенностями изготовления и с тепловым дрейфом номиналов элементов. Такие неточности имеют место в обеих частях схемы и проявляются как синфазный сигнал.

R_K

I₄ I₀

R_Б I₂

R_Э

R1 (1) (2)

Рис.1 Схемы дифференциальных усилителей с пассивными (1) и активными (2) нагрузками.

Анализ работы дифференциального каскада при помощи теоремы бисекции дает для коэффициента усиления дифференциального сигнала величину, равную коэффициенту усиления в схеме с ОЭ

A_U = g_fR_н (для половины тока тока смещения), а для коэффициента усиления синфазного сигнала величину, равную коэффициенту усиления в схеме с ОЭ с ненулевым импедансом в эмиттерной цепи A_U = R_H/R₀, где R₀ – выходное сопротивление источника тока смещения (половины тока). Расчеты показывают, что коэффициент усиления синфазного сигнала значительно меньше, чем дифференциального сигнала, т.е. коэффициент подавления синфазного сигнала КООС = A_Uдиф/A_Uсинф >> 1, что и обусловило широкое применение усилительных каскадов с дифференциальноым входом.

В реальном дифференциальном каскаде всегда существует некоторое рассогласование плеч балансной пары за счет небольших отклонений параметров структуры во время технологического процесса изготовления схемы, которое чаще всего учитывается при математической записи характеристик схемы введением напряжения смещения:

при U_см0 = 0, 2U_ = U₁ - U₂ .

В дифференциальных каскадах выделяют следующие основные типы рассогласования:

- напряжение смещения, связанное с разницей падений напряжения на р-п- переходах входных транзисторов при протекающих одинаковых токах;

- разность входных базовых токов при одинаковых эмиттерных токах.

Дополнительными источниками рассогласования могут быть разные эмиттерные сопротивления, эффект модуляции ширины базы, рассогласование нагрузочных элементов. Все эти причины появления напряжения смещения могут быть представлены как варианты разбаланса входных напряжения или входных токов:

U_CM = U_∆ +∆R_ЭI₁+∆R_бI₁/β₁.

Типичные величины напряжения смещения в хорошо спроектированной схеме составляют 0,5 – 5 мВ.

Стабильность формирователей тока для дифференциальных усилителей обеспечивает высокое качество усиления с минимальныими искажениями входного сигнала с минимальным температурным дрейфом падений напряжения на р-п- переходах от ±3 до ±10 мкВ/⁰С.

Теоретические сведения об источниках температуронезависимого опорного напряжения Brokaw представлены в работах №3, 4.

2. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

   1. Домашнее задание.

      1. Провести расчет номиналов сопротивлений в схеме

      2. При выполнении моделирования можно считать, что все однотипные биполярные транзисторы идентичны.

2. Лабораторное задание

Подготовка к работе:

Использовать результаты моделирования схемы формирования опорного напряжения Brokaw, полученные в предыдущей работе.

Работа в лаборатории:

2.2.1. Задание 1. Постоянное усиление, аналоговый режим.

1. Подготовить схему test_ bkw_bgp приведенную на рис.2, включая подсхемы источника опорного напряжения Brokaw (bkw_bgp), приведенную на рис.3, и схему дифференциального усилителя bkw_gaincell (рис.4).

2. Задать напряжение питания Vcc = 3.3 В.

3. Задать значение напряжения постоянного входного уровня V_cm= 0.1…0.15 В.

4. Задать значение амплитуды входного дифференциального сигнала V_in = 5-10 мВ.

5. Выбрать коэффициент масштабирования тока в дифференциальном каскаде, приведенном на рис.3 (bkw_gaincell, в обозначении компонентов помечен подстрочным индексом _gc), по отношению к току в опорном источнике, приведенном на рис.2 (bkw_bgp, в обозначении компонентов помечен подстрочным индексом _bkw), n = I_{R0_gc}/I_{R2_bkw} = 2I_gc/I_{I2_bkw}. Здесь I_{I2_bkw} – ток идеального источника I2.

6. Для схемы дифференциального каскада рассчитать величину резистора и длины эмиттеров транзисторов Q0, Q1 и Q2: , . Ширина эмиттера задается по умолчанию.

7. Рассчитать величины нагрузочных резисторов в дифференциальном каскаде в соответствии с начальным коэффициентом усиления A_U =1 по формуле

,

где M=10 – отношение площадей эмиттеров транзисторов Q2 и Q1 в опорном источнике.

Выполнение работы:

1. Провести DC анализ работы схемы.

2. Провести расчет при изменении номиналов коллекторных сопротивлений на ± 5, 10% .

Рис.2

Рис.3 Рис.4

2.2.2. Задание 2. Постоянный перепад входного напряжения, цифровой режим.

1. Подготовить схему приведенную на рис.5, включая подсхемы, приведенные на рис.3 и рис.6.

2. Задать напряжение питания Vcc = 3.3В.

3. Задать значение напряжения постоянного входного уровня V_cm=0.11V.

4. Задать значение амплитуды входного сигнала V_in=0.11V.

5. Пересчитать величину резистора в опорном источнике, приведенном на рис.6 (bkw_bgp_stab, в обозначении компонентов помечен подстрочным индексом _bkw):

R_{2_bkw}=R_{1_bkw}/2.

6. Рассчитать величину резистора в опорном источнике (bkw_bgp_stab) R_{4_bkw} = 2V_be/ I_{I2_bkw}  1.4V/200mkA = 7K.

7. Выбрать коэффициент масштабирования тока в дифференциальном каскаде, приведенном на рис.2 (bkw_gaincell, в обозначении компонентов помечен подстрочным индексом _gc), по отношению к току в опорном источнике (bkw_bgp_stab),

n = I_R0gc/I_{R1_bkw} = 2I_gc/I_{I2_bkw.}

8. Для схемы дифференциального каскада рассчитать величину резистора и длины эмиттеров транзисторов Q0, Q1 и Q2: , . Ширина эмиттера задается по умолчанию.

9. Рассчитать величины нагрузочных резисторов в дифференциальном каскаде в соответствии с выходным перепадом напряжения V_out=220mV по формуле

.

Выполнение работы:

1. Провести DC анализ работы схемы.

2. Провести расчет схемы при изменении номиналов коллекторных сопротивлений на ± 5, 10% .

Рис.5

Рис.6

2.2.3. Задание 3. Провести частотный анализ работы схемы, построить АЧХ и ФЧХ, определить ширину полосы пропускания дифференциального усилителя.

• По передаточной характеристике U_вых = f(U_вх) (DC- анализ) задать рабочую точку (определить напряжение смещения в середине области переключения, в точке U_cм = U_вых = U_вх);

• Включить последовательно источник смещения и источник переменного напряжения амплитудой 0,05 – 0,2В (АС- анализ);

• Получить зависимость . Определить значения A_U, ω_α, ω_Τ;

• Провести моделирование работы схемы для импульсного сигнала на входе с большой и малой амплитудой. Фронты сигнала менее 1 нс.

2. Оформление отчета

Отчет в тетради должен содержать:

• название работы;

• аналитические расчеты схем;

• распечатки результатов моделирования;

• выводы по работе.

9