Электроника.Студент КЭ / Лаб работы КЭ / Lab_10_КЭ 2013

5

Лабораторная работа № 10

Расчет и исследование в МСАР схемы дифференциального усилителя

Цель работы: изучение принципа работы, методов расчета и исследования схем дифференциального усилителя

1. Работа схемы дифференциального усилителя (ДУ)

Дифференциальный усилитель - это симметричный усилитель постоянного тока с двумя входами и двумя выходами (рис.1). В общую эмиттерную цепь включен источник стабильного тока, который обеспечивает постоянство суммы эмиттерных токов т.е. I₀ = I_э1 + I_э2. При отсутствии сигнала U_вх1 = U_вх2 = 0 ток I₀ вследствие симметрии равномерно распределяется между обоими транзисторами VТ₁ и VТ₂. Тогда получим I_э1 +I_э2 = 0.5 I₀. Пренебрегая базовыми токами, найдем I_к1 +I_к2 ≈ 0.5 I₀. Эти соотношения не изменятся, если оба входных напряжения получат приращения на одну и ту же величину (синфазный входной сигнал). Так как в этом режиме коллекторные токи остаются равными друг другу, U_вых1 и U_вых2 изменяются на одну и ту же величину и U_вых = U_вых2 - U_вых1 постоянно, т.е. коэффициент усиления синфазного сигнала равен 0. Если U_вх1 U_вх2, то изменяется распределение токов в дифференциальном усилителе: I_к1 увеличивается, а I_к2 уменьшается. Их сумма при этом остается равной I₀. Поэтому I_к1 = - I_к2. Это приведет к изменению падения напряжения на коллекторных сопротивлениях. Т. о. разность входных напряжений в отличие от синфазного управления вызывает изменение выходного напряжения. Говорят, что дифференциальный усилитель усиливает дифференциальный входной сигнал.

Изменение напряжения база-эмиттер, происходящее под воздействием температуры, действует как синфазный сигнал и, следовательно, не влияет на работу схемы. Из-за малого дрейфа ДУ используют также, когда требуется усилить не разность напряжений, а только входное напряжение. В этом случае один из двух входов имеет нулевой потенциал. При этом дифференциальное напряжение U_д = U_вх или U_д = - U_вх в зависимости от того, какой вход используется.

Различают коэффициенты усиления дифференциального и синфазного входного сигнала.

Коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется следующим образом

А_д = dU_вых1 / dU_д = -0.5 S ( R_к r_кэ ) или А_д = dU_вых2 / dU_д = 0.5 S ( R_к r_кэ ).

Входное сопротивление для дифференциального входного сигнала равно r_вхд = 2r_бэ.

Коэффициент усиления синфазного сигнала равен

А_с = dU_вых1 / dU_с = dU_вых2 / dU_с = -R_к / (2r_i),

где U_с - синфазный входной сигнал; r_i - внутреннее сопротивление источника тока I₀.

Входное сопротивление для синфазного входного сигнала равно r_вхд = 2r_I.

Параметром качества ДУ является коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС), который определяется как отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала

G = А_д / А_с Sr_i.

Для управления дифференциальным коэффициентом усиления используется ООС подобно тому, как это делалось в каскаде с ОЭ. Для этого в цепь каждого транзистора включается эмиттерное сопротивление (рис.2). Кроме того, ООС уменьшает разбаланс усилителя от изменения температуры, обусловленный не идентичностью транзисторов.

Дифференциальный коэффициент усиления в этом случае равен

. Если S(R_к r_кэ) намного больше 1, то коэффициент усиления может быть определен по более простой формуле А_д = 0,5(R_к / R_э).

На прохождение синфазного сигнала сопротивления R_э не влияют.

Источник стабильного тока, питающий эмиттерные цепи, может быть реализован с помощью источника питания и сопротивления большой величины R₀. Однако, чтобы добиться значительного уменьшения коэффициента усиления синфазного сигнала источник тока строятна транзисторе (рис 3). При этом внутреннее сопротивление источника тока значительно возрастает и A_c = - R_к / (2r_I) уменьшается.

2. Пример расчета дифференциального усилителя

Исходные данные к расчету:

- ток коллектора транзистора I_к = 100 мкА

- напряжения питания U_п = 15 В

- тип транзистора npn Расчет проведем для схемы, представленной на рис. 3.

Перед расчетом схемы по справочнику необходимо выбрать транзистор исходя из заданного типа, напряжения питания, коллекторного тока и мощности рассеиваемой транзистором. При расчете использовать минимальное значение транзистора. В данном примере величину принимаем равную 200.

1) Для получения максимального динамического диапазона выходного напряжения выберем U_к покоя (U_вх = 0) равным U_к = 0.5 U_п = 15 В / 2 = 7.5 В.

2) Найдем величину R_к.

R_к = (U_п - U_к) / I_к = 7.5 В / 0.1мкА = 75 кОм.

3) Выберем значение R_э. Его величину можно выбрать меньше, чем в схеме с ОЭ, т. к. ДУ меньше подвержен влиянию изменению температуры. Выберем R_э=1 кОм, тогда на R_э , будет падать U_Rэ = R_э I_к = 1 кОм 0.1 мА = 0.1 В.

4) Для обеспечения достаточной глубины ООС для стабилизатора тока на VТ₃ выберем U_эVТ3 = -12 В (т.е. U_R3 = 3 В).

5) R₃ = U_R3 / (2 I_к) = 3 В / 0.2 мА = 15 кОм.

6) Найдем значения сопротивлений R₁ и R₂ делителя напряжения. Напряжение на базе транзистора VТ₃ U_БТ1 = U_эТ3 + U_бэТ3 = -12 В + 0.6 В = - 11.4 В. Выберем ток делителя, он должен быть намного больше тока базы транзистора Т₃ , например I_д = 10 I_б. I_б = 2 I_к / = 0.2 мА / 200 = 0.001 мА. Отсюда I_д = 10 I_б =0.01 мА.

R₂ = U_R2 / I_д = 3.6 В / 0.01 мА = 360 кОм.

R₁ = U_R1 / (I_д + I_б) = 11.4 В / 0.011 мА 1 мОм.

7) Дифференциальный коэффициент усиления схемы равен

А_д = 0.5 R_к / (r_э + R_э) = 0.5 75 кОм / (0.250 кОм + 1 кОм) = 30. Здесь r_э - сопротивление эмиттера транзистора и вычисляется по формуле r_э = U_т / I_к.

8) Входное дифференциальное сопротивление

r_вхд = 2 (r_бэ + R_э) = 2 ( 50 кОм + 200 1 кОм ) = 500 кОм, где

r_бэ = U_т / I_к = 50 кОм.

9) Коэффициент усиления синфазного сигнала равен А_с = - R_к / (2 R_I). R_I - внутреннее сопротивление транзисторного токозадающего каскада на транзисторе Т₃ может быть определено по формуле

R_I = r_кэ ( 1 + R₃ / (r_бэ + R₁ R₂ + R₃)).

r_кэ = U_эрли / I_кТ3 = 100 В / 0.2 мА = 500 кОм.

r_бэ = U_т/ I_кТ3 = 200 25.5 мВ / 0.2 мА = 25 кОм.

R₁ R₂ = 1000 кОм 330 кОм / 1330 кОм = 250 кОм.

R_I = 500 (1 + 20015 / (25 + 250 +15)) = 5675 кОм. Синфазный коэффициент усиления равен А_с = - 75 кОм / (25675 кОм) = 6.6 10^-3.

10) Входное сопротивление синфазного сигнала

r_вхс = 2 r_i = 22005675 кОм = 2.27 10⁶ кОм.

11) Коэффициент ослабления синфазного сигнала

G = А_д / А_с = 30 / 6.610³ 4.5 10³. 3. Задание к расчету дифференциального усилителя

Исходные данные к расчету ДУ взять из таблицы 1. Номер варианта соответствует номеру студента в журнале преподавателя. Согласно заданного типа транзистора, величин коллекторного тока и напряжения питания выбрать по справочнику транзисторы. В отчете привести основные параметры транзистора. В расчете использовать минимальное значение . Выбор тех или иных напряжений и токов при расчете схем необходимо обосновать!

При расчете схемы дифференциального усилителя необходимо:

1) Рассчитать значения всех сопротивлений схемы, приведенной на рис. 3. Величины сопротивлений взять ближайшими к стандартным номиналам 5% ряда.

2) Определить основные параметры дифференциального усилителя: входное и выходное сопротивления, коэффициент усиления по напряжению для дифференциального и синфазного входного сигнала, КОСС.

3) Провести исследование схемы во временной области в системе моделирования МСАР. Результаты моделирования подтвердить распечатками графиков в системе МСАР в режиме Cursor Mode. При моделирования необходимо определить:

- правильно ли установлена рабочая точка схемы. Для этого определить значения напряжения U_k и тока I_k при U_вх1 = U_вх2 = 0 и температуре 27˚С;

- влияние температуры на положение рабочей точки транзисторов. Для этого определить значения напряжения U_k и тока I_k при U_вх1 = U_вх2 = 0 и температуре 60˚С. Вычислите относительное изменение напряжения на коллекторе и тока коллектора по формулам

δU_k = (|U_{k 27˚C} - U_{k 60˚C}| / U_{k 27˚C})·100%, δI_k = (|I_{k 27˚C} - I_{k 60˚C}| / I_{k 27˚C})·100%;

- коэффициент усиления схемы для дифференциального входного сигнала, при этом дифференциальный синусоидальный входной сигнал подать на первый вход, а второй вход заземлить;

- коэффициент усиления схемы для синфазного входного сигнала. Синусоидальный входной сигнал от одного источника сигнала подать на оба входа. Так как коэффициент усиления синфазного сигнала для усилителя с транзисторным источником тока мал, то амплитуда синфазного сигнала должна быть относительно большой - несколько вольт. Следует заметить, что изменение выходного сигнала будет малым. Поэтому чтобы увидеть малое изменение выходного сигнала и определить его размах необходимо правильно задать масштаб вывода графика выходного напряжения.

4) Выполнить пункты 1 - 3 для схемы, в которой источник стабильного тока реализован с помощью сопротивления и источника напряжения рис.2. Сопротивление R₀ выбрать так, чтобы при U_вх1 = U_вх2 = 0 через резистор R₀ протекал ток, равный I₀.

R_к =U_R0 / I₀ = (0 – U_бэ - I_kR_э - (-U_п)) / I₀.

5) По результатам расчета и моделирования заполнить таблицу 2. Ячейки с прчерками не заполняются. Сравните характеристики усилителей с транзисторным и резисторным источником тока. Как влияют характеристики источника тока на свойства дифференциального усилителя? Какой усилитель более устойчив к изменению температуры и почему?

Таблица 2
Параметр	Транзисторный источник тока			Резисторный источник тока
	Расчет	Модель	Расчет		Модель
Uk 27˚C
Ik 27˚C
Uk 60˚C	-		-
Ik 60˚C	-		-
δUk	-		-
δIk	-		-
Ад
Ас
КОСС
Rвх д		-			-
Rвх с		-			-
Rвых		-			-

Варианты заданий Таблица 1
Усил.	Группа А				Группа Б				Группа В
N вар	Uп, В	Iк, мА	тр-р	Uп, В		Iк, мА	тр- р	Uп, В		Iк, мА	тр-р
1	5	0.5	npn	9		1.0	pnp	15		0.6	npn
2	6	0.6	npn	10		1.2	pnp	15		0.7	pnp
3	8	0.8	npn	12		1.4	pnp	15		0.8	npn
4	9	0.9	npn	15		1.6	pnp	15		0.9	pnp
5	10	1.0	npn	18		1.8	pnp	15		1.0	npn
6	12	1.2	npn	9		1.0	pnp	15		1.1	npn
7	15	1.5	npn	10		1.2	pnp	15		1.2	pnp
8	18	1.6	npn	12		1.4	pnp	15		1.3	npn
9	20	1.8	npn	15		1.6	pnp	10		1.4	pnp
10	24	2.0	npn	18		1.8	pnp	10		1.5	npn
11	28	2.5	npn	9		10	pnp	10		1.6	npn
12	30	3	npn	10		1.2	pnp	10		1.7	pnp
13	5	1.0	pnp	12		1.4	pnp	10		1.8	npn
14	6	1.2	pnp	15		1.6	npn	10		1.9	pnp
15	8	1.4	pnp	18		1.8	npn	10		2.0	npn
16	9	1.5	pnp	9		1.0	npn	10		2.1	npn
17	10	1.6	pnp	10		1.2	npn	12		2.2	pnp
18	12	1.8	pnp	12		1.4	npn	12		2.3	npn
19	15	2.0	pnp	15		1.6	npn	12		2.4	pnp
20	18	2.2	pnp	18		1.8	npn	12		2.5	npn
21	20	2.4	pnp	9		1.0	npn	12		2.6	npn
22	24	2.6	pnp	10		1.2	npn	12		2.7	pnp
23	28	2.8	pnp	12		1.4	npn	12		2.8	npn
24	30	3.2	pnp	15		1.6	npn	12		2.9	pnp
25	9	1.0	pnp	18		1.8	npn	12		3.0	npn
26	10	1.2	npn	20		1.0	pnp	18		1.0	npn
27	12	1.4	npn	22		1.2	pnp	18		1.2	npn
28	15	1.6	npn	24		1.4	pnp	18		1.4	npn
29	16	1.8	npn	15		1.6	pnp	18		1.6	npn
30	18	2.0	npn	12		1.8	pnp	18		1.8	npn