Моделирование и анализ работы дифференциального усилителя

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Владимирский Государственный Университет

Кафедра КТРЭС

Лабораторная работа №2

По дисциплине «Схемотехника ЭС»

«Моделирование и анализ работы дифференциального усилителя»

Выполнил:

студент группы Р-106

Проверил:

Владимир 2008

Анализ работы схемы на модели.

Модель составлена в программе Multisim 10.

Подадим на базы транзисторов противофазный сигнал при рассчитанных значениях элементов. Посмотрим на значения токов, напряжений и сигналов на осциллографе, которые получаются в результате моделирования.  

Рисунок 1. Работа ДУ при нормальных условиях и дифференциальном сигнале.

Рисунок 2. Показания входного осциллографа

Рисунок 3. Показания выходного осциллографа

Как видно из рис.1, все значения токов и напряжений практически соответствуют рассчитанным теоретическим. Коэффициент усиления, определенный экспериментально, оказался намного больше теоретического значения К _удиф =  200 >> 91. Это значение можно объяснять погрешностью модели, так как в этой программе могут не учитываться некоторые особенности транзисторов (например, так и не было обнаружено как в ней реализуется зависимость параметров транзистора от температуры).

Теперь посмотрим результаты моделирования при подаче синфазного сигнала.

Рис. 4. ДУ при нормальных условиях и синфазном сигнале.

Рис. 5 Характеристики источника сигнала

Рис.6 Показания выходного вольтметра

При синфазном сигнале, как мы знаем из теории, должно идти ослабление синфазного сигнала, пусть и не большое в моем случае. В результате моделирования же было получено, что синфазный сигнал не ослабляется, а наоборот усиливается в К _усинф =  раза. Это можно объяснить погрешностью работы модели, так как кроме тех недостатков, которые были указаны выше, существенную роль играет и тот момент, что используется в моделировании не транзистор КТ315А, а его зарубежный аналог 2N2712, который не особо аналогичен.

Посмотрим с помощью моделирования как влияет величина R_э на коэффициенты усиления каскада. Сначала увеличим его значение сопротивления.

Рис. 7. ДУ при увеличении R_э и дифференциальном сигнале.

Рис. 8. Показания входного осциллографа

Рис.9. Показания выходного осциллографа

Из рисунка видно, что при увеличении сопротивления R_э, коэффициент усиления дифференциального сигнала уменьшается К _удиф = 160, что соответствует теоретическим данным. Это происходит вследствие того, что уменьшается ток, протекающий через этот резистор, а,  следовательно,  и уменьшаются токи эмиттеров транзисторов VT1 и VT2 и соответственно токи коллекторов. Отсюда следует, что падение напряжения на коллекторно-эмиттерных переходах уменьшается, вместе с этим и уменьшается коэффициент усиления дифференциального сигнала.

Теперь проанализируем, что будет происходить с работой дифференциального каскада при уменьшении R_э  .

Рис. 10. ДУ при уменьшении R_э и дифференциальном сигнале.

Рис. 11. Показания входного осциллографа

Рис. 12. Показания выходного осциллографа

Из рисунка видно, что при уменьшении сопротивления R_э до 310 Ом, коэффициент усиления дифференциального сигнала увеличивается К _удиф = 215. Здесь происходят процессы обратные процессам в предыдущем случае.

Теперь рассмотрим, что будет происходить с синфазным сигналом при изменении сопротивления R_э. Увеличим его сопротивление.

Рис. 13. ДУ при увеличении R_э и синфазном сигнале.

Рис. 14. Показания входного осциллографа

Рис. 15. Показания выходного осциллографа

В результате этого получается, что коэффициент ослабления остается примерно таким же К _усинф = 1,8. Хотя, в соответствии с теорией, он должен уменьшаться. Это видно из формулы: К_uсинф , при увеличении  происходит уменьшение усиления синфазного сигнала. А вследствие этого, исходя из формулы К_ОСС= К_uдиф/К_uсинф, происходит увеличение ослабления синфазного сигнала.  

При уменьшении R_э до 300 Ом синфазная помеха начинает ослабляться гораздо слабее, что также соответствует теоретическим сведениям. К _усинф =  2. Здесь так же происходят процессы, обратные процессам, происходящим в предыдущем случае.

Рис. 16. ДУ при уменьшении R_э и синфазном сигнале.

Рис. 17. Показания входного осциллографа

Рис. 18. Показания выходного осциллографа

Вывод:

В ходе проделанной лабораторной работы был рассчитан дифференциальный усилитель с R_э в цепи эмиттера и исследована его работа на его модели. В результате этого можно сопоставить между собой 3 схемы: ДУ с резистором  R_э  в цепи эмиттера, ДУ с токовым зеркалом в цепи эмиттера и ДУ с ГСТ в цепи эмиттера. В результате проделанной работы,  можно заключить, что схема с R_э  не очень хороша для использования ДУ в режиме ослабления синфазного сигнала, так как она ослабляет его очень плохо, а в моём случае даже усиливает. Но для того, чтобы его можно было использовать в этом режиме, необходимо увеличивать сопротивление R_э. Но этого делать нельзя, так как при его увеличении уменьшается коэффициент усиления дифференциального сигнала (при заданном напряжении питания), а для обеспечения необходимого коэффициента усиления необходимо увеличивать напряжение питания, в результате чего увеличивается мощность, рассеиваемая на этом резисторе. В результате этого изготовление таких каскадов становится технически  нецелесообразно.   Вследствие этого используют каскады с токовым зеркалом или ГСТ в цепи эмиттера, в котором транзисторы с цепях эмиттеров играют роль «идеальных» источников тока, а, следовательно, их сопротивления можно считать очень большими, в результате чего будет обеспечиваться заданный коэффициент ослабления синфазного сигнала без увеличения напряжения питания.

Для того, чтобы выровнять  потенциалы баз транзисторов в режиме покоя необходимо будет включить подстроечный резистор R_э’, который облегчит настройку ДУ.