Краткие теоретические сведения по работе

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I»

Кафедра «Электрическая связь»

Лабораторная работа №24.

«Исследование дифференциального усилителя»

Выполнила:Иванова К.В.

АТ-15

Санкт- Петербург

Содержание

1.Цель работы……………………………………………………………..

2. Краткие теоретические сведения по работе………………………..

3. Схемы, используемые в работе………………………………………

4. Расчеты……………………………………………………………….…

5. Вывод……………………………………………………………………

Цель работы: целью работы является исследование дифференциального усилителя в режиме постоянного и переменного тока.

Краткие теоретические сведения по работе

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 Uвх = 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/₂. В этом режиме потенциал каждого выхода имеет относительно земли синфазный уровень баланса. Это напряжение называется напряжением баланса Uвых₁= Uвых₂= U бал. Режиму баланса соответствует потенциальная диаграмма, показанная на рис.2.

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 ,

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 ,

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 ,

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),

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,

Напряжение на коллекторе транзистора VT1 имеет минимальный уровень

Uвых₁ мин = Е ⁺_К - R _K I э ,

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 (рис. 3).

Генератор стабильного тока

Рисунок 3. Генератор стабильного тока.

Рассмотрим принцип действия схемы. По цепи смещения R1 – VT2 – R2 протекает ток I ₁ , который создает падение напряжения Uбэ2 на переходе база – эмиттер транзистора VT2 в диодном включении и на резисторе R2. Если пренебречь током базы транзистора VT1 и учесть, что базы транзисторов соединены, значение тока I э можно определить из уравнения Uбэ₁ + I эR₃ = Uбэ₂ + I ₁ R₂, откуда

Iэ = (Uбэ2 - Uбэ1 + I ₁ R2) / R3,

При идентичных параметрах транзисторов VT1 и VT2

Uбэ₂ ≈ Uбэ₁

Тогда из формулы (6) следует, что ток Iэ зависит от соотношения номиналов R₂ и R₃

Iэ = I ₁ R₂ / R₃.

Таким образом, при постоянном токе I₁ можно выбором номинала изменять силу тока Iэ.

В дифференциальных усилителях источник сигнала Eg (рис.5) может иметь симметричный выход, например, в виде обмотки трансформатора с заземленной средней точкой. Возможно также несимметричное подключение, когда сигнал подается относительно земли к одному из входов Uвх1 или Uвх2, причем неиспользуемый вход заземляется.

Выход ДУ также может быть симметричным, если выходной сигнал Uвых снимают между коллекторами транзисторов, или несимметричным, когда выходной сигнал снимается относительно земли только с одного из коллекторов Uвых1 или Uвых2 (рис. 4).

Основным параметром ДУ является коэффициент усиления по напряжению Кu.

При симметричном входе и симметричным выходе ДУ имеет максимальный Кu, равный:

Ku = Uвых/Uвх1 +Uвх2,

При симметричном входе и несимметричном выходе:

Ku = Uвых1/Uвх1 +Uвх2 или Ku = Uвых2/Uвх1 +Uвх2,

При несимметричном входе и симметричном выходе:

Ku = Uвых/Uвх1 или Ku = Uвых/ Uвх2,

При несимметричном входе и несимметричном выходе Ku минимальный:

Ku = Uвых2/Uвх1 или Ku = Uвых1/Uвх2

Схемы, используемые в работе

Рис.1. Схема исследуемого усилителя в режиме усиления постоянного тока.

Рис.2. Схема исследуемого усилителя в режиме усиления переменного тока.

Расчеты

Таблицы с результатами измерений и вычислений.

Табл. 1. Исследование усилителя в режиме усиления постоянного тока.

U_бал = Е⁺_К - (I_э /2) R_К=12-(27,6)*200/1000=6,48 B.

Табл. 2. Определение коэффициента усиления K_u.

При симметричном входе и симметричном выходе: К_u = U_вых/ U_вх1 + U_вх2,

При симметричном входе и несимметричном выходе: К_u = U_вых1/ U_вх1 + U_вх2 или К_u = U_вых2/ U_вх1 + U_вх2,

При несимметричном входе и симметричном выходе: К_u = U_вых/ U_вх1 + U_вх2 или К_u = U_вых/ U_вх2,

При несимметричном входе и несимметричном выходе К_u минимальный:

К_u = U_вых2/ U_вх1 или К_u = U_вых1/ U_вх2.

Табл. 3. Определение частотных свойств ДУ.

Осциллограммы выходных напряжений U_вых1 и U_вых2.

Ось абсцисс – время, цена деления 0,1 мсек,

Ось абсцисс - напряжение, цена деления – 200мВ.

Рис.5. Осциллограммы выходных напряжений U_вых1 и U_вых2.

Выводы по работе

Мы собрали и исследовали схему дифференциального усилителя в режиме усиления переменного тока. Определили коэффициент усиления Ku.

При симметричном входе и симметричным выходе ДУ имеет минимальный Кu. При несимметричном входе и несимметричном выходе Ku максимальный. Построили по результатам таблицы 3 частотную характеристику Кu = f (Fс). При Fс = 10^5, , U_вых= 407,4, Кu = 8,148

Поиск по сайту: