Исследование дифференциального усилителя: Методические указания к выполнению лабораторной работы № 24 по курсу "Прикладные вопросы электроники"

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Кафедра «Радиотехника»

ПРИКЛАДНЫЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2005г.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Лабораторная работа № 24

Методическое указание предназначено для выполнения лабораторной работы на ПК при помощи пакета программ Workbench 5.0.

1.  Цели  работы.

Исследование дифференциального усилителя в режиме:

- усиления постоянного тока;

- усиления переменного тока.

2.  Краткие сведения из теории.

2.1. Дифференциальные усилители (ДУ) предназначены для усиления   постоянного и переменного токов.

Схема ДУ представляет собой электрический мост. Коллекторные резисторы R _K1  и  R _{K 2}  внутренние сопротивления транзисторов VT1 и VT2 образуют четыре плеча моста. К одной диагонали моста между цепями коллектор – эмиттер подключается напряжение питания, а в другую (между коллекторами) – нагрузочный резистор R _Н (рис.1).

Рисунок 1 - Схема дифференциального усилителя.

ДУ имеет два входа Uвх₁ и Uвх₂. Входные напряжения подаются на базы транзисторов VT1 и VT2. Выходные напряжения Uвых₁ и Uвых₂ снимаются относительно земли с одного из коллекторов транзисторов. Эти напряжения называются несимметричными.   Если выходное напряжение     U вых, снимается с  коллекторов транзисторов, то это напряжение называется симметричным.

Рассмотрим принцип действия ДУ в статическом режиме, т.е. при отсутствии нагрузочных резисторов Rн.

Входное напряжение прикладывается к базам обоих транзисторов. При  R _K1 = R _{K 2}  и строго идентичных параметрах транзисторов VT1 и VT2 - плечи моста симметричны. При этом условии, если входной сигнал отсутствует U _ВХ = 0, усилитель сбалансирован и напряжение между его выходами  Uвых₁  -   Uвых₂ = 0.

В режиме баланса эмиттерный ток I э делится поровну между двумя транзисторами I к₁ и  I к₂.  Если пренебречь базовыми токами, можно считать, что коллекторные токи транзисторов одинаковы I к1 =  I к2 и равны  I э/_2В. В этом режиме потенциал каждого выхода имеет относительно земли синфазный уровень баланса.   Это напряжение называется напряжением баланса U вых1 =  Uвых2 = U бал. Режиму баланса соответствует потенциальная диаграмма,  показанная на рис.2.

           Uвых₁, Uвых₂

               Ек ⁺

                                                   Uвых₂                                            

    Uбал                              

                                      Uвых₁                                     

                                                                                                   Uвх₁

Рисунок 2 -  Потенциальная диаграмма.

Уровень баланса можно подсчитать, зная напряжение питания усилителя Е ⁺_К   и величину тока  I э/₂, протекающего через каждый коллекторный резистор R _K.

U бал = Е ⁺_К   - (I э/₂) R _K ,                     (1)

При подаче на базы напряжений противоположных знаков (дифференциальных сигналов) – положительная полярность на базе VT1, транзистор получает больший ток смещения и его коллекторный ток Iк₁ увеличится. Поскольку на оба транзистора эмиттерные токи поступают от генератора стабильного тока (ГСТ), то, при условии постоянства тока эмиттера, общего для транзисторов, сумма коллекторных токов должна оставаться постоянной. Поэтому ток Iк₂  транзистора VT2  уменьшится. Условие

Iк₁+ Iк₂≈ I э

выполняется для любых  входных напряжений.

На потенциальной диаграмме  рис.2 показано, что с увеличением входного сигнала U _ВХ  выходное напряжение U вых₁   уменьшается (т.е. приращение сигнала инвертировано по фазе):

U вых₁   = Е ⁺_К   -  Iк₁R _K1  ,           (2)

Этот выход ДУ называется инвертирующим. На другом выходе  напряжение Uвых2 увеличивается (приращение сигнала неинвертировано по фазе относительно входного сигнала):

                           U вых2  = Е ⁺_К   - I к2 R _K2  ,           (3)

Этот выход дифференциального усилителя называется неинвертирующим.

В результате возрастает полный дифференциальный выходной сигнал между выходами дифференциального усилителя

U вых  =  Uвых₂ -  Uвых₁ = R _K  (I к1 - I к2),         (4)

Изменение выходных сигналов дифференциального усилителя прекращается,  когда весь ток I э начинает течь по транзистору VT1. Транзистор VT2 переходит в режим отсечки, так как его эмиттерный ток равен нулю. В этом режиме усилитель становится неуправляемым.

Максимальная разность потенциалов между выходами   

U вых макс  =  Uвых₂ -  Uвых₁= R _K I э,            (5)

Напряжение на коллекторе транзистора VT1 имеет минимальный уровень

                     Uвых₁ мин = Е ⁺_К   -  R _K I э ,           (6)

2.2. Необходимо подчеркнуть такое важное свойство ДУ, как его способность подавлять паразитные синфазные сигналы, вызываемые, например, наводками, нестабильностью напряжения источников питания, при изменении температуры окружающей среды и т.д. Эти сигналы одновременно и с равными амплитудами появляются на входах транзисторов и не будут воздействовать на выходное напряжение U вых.

Для обеспечения стабильности тока I э, который не должен меняться в процессе работы ДУ, используется генератор стабильного тока