L_9 (1075845)
Текст из файла
1Лекция № 9.ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ (ДУ)НА БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХПлан1.Введение2.Принцип действия, технические характеристики ДУ на биполярныхтранзисторах.3.Особенности дифференциального и синфазного режимов в ДУ. ООСв ДУ.4.Принцип действия, технические характеристики ДУ на полевыхМОП-транзисторах.5.ДУ в интегральной схемотехнике.6.Теоретическое обобщение по теме.1. ВведениеДифференциальный усилитель (ДУ) относится к разряду усилителей постоянного тока (УПТ). УПТ служат для усиления медленно меняющихся сигналов или сигналов, значение которых после изменения остается сколь угодно долго.
Нижняя рабочая частота усилителя f н = 0, а верхняя определяетсяназначением усилителя и условиями его работы.УПТ широко применяются в измерительных устройствах, в системах автоматического регулирования, в различных стабилизаторах.Особенностью УПТ является непосредственная (гальваническая ) связьмежду каскадами, Это объясняется тем, что ни конденсатор, ни трансформатор не пропускают постоянную составляющую тока.Недостатком УПТ является «дрейф нуля» − наличие сигнала на выходепри его отсутствии на входе. Любые медленные процессы, связанные с колебаниями температуры, напряжения питания, изменениями параметров всехактивных и пассивных элементов схемы усилителя создают низкочастотныефлуктуации практически на всех элементах схемы, в результате которых на2выходе и появляется какой-то уровень напряжения и его, в дальнейшем,трудно отличить от полезного сигнала.
Самым эффективным методом борьбы с «дрейфом нуля» является использование дифференциального усилителя,структурная схема которого приведена на рис.9.1, а электрическая принципиальная ─ на рис.9.2.Один из входов ДУ снабжён символом «О» (на рис.9.1 это U вх1 ), это означает, что вход инвертирующий, то есть фаза входного сигнала на выходеизменяется на противоположную. Второй вход (U вх2 ) неинвертирующий (безсимвола): фаза сигнала на выходе совпадает с фазой входного сигнала.Uвх1ДУUвхUвых.Uвх2Uвых2Uвых1.Рис.9.1.Сигнал, который на рис.9.1 обозначен как «U вх », называется дифференциальным.
Следовательно, дифференциальный сигнал ─ это сигнал, которыйдействует на входе ДУ и который равен разности сигналов, поступающихна входыUвх= U вх1 − U вх 2 .2. Принцип действия, технические характеристики ДУ на биполярных транзисторах.В основе ДУ лежит схема балансного усилителя, в которую заложенпринцип сбалансированного моста (рис.9.2).ДУ усиливает разницу между двумя сигналами, поступающими на базытранзисторов VT1 и VT2. Фактически ДУ представляет собой два совмещён-3ных каскада усиления. Выходное напряжение снимается между коллекторами VT1 и VT2.Схема, представленная на рис.9.2, называется симметричным ДУ: схемаусиливает разницу сигналов U вх1 и U вх2 , а на выходе снимается разница напряжений U вых1 и U вых2 . Если на входы ДУ поступают сигналы, совпадающиепо фазе, то токи, протекающие через VT1 и VT2, в идеально симметричнойсхеме одинаковы и равныII= I к2 = 0к12+ЕкIк1Rк1aIк2UвыхRк2bUвых1Uвых2VT1VT2Uвх2Uвх1Iэ1Iэ2I0RЭРис.9.2Схема ДУ на рис.9.2 напоминает схему переключателя тока (ПТ), но вПТ транзисторы открывались поочерёдно, а в схеме ДУ транзисторы, работаяв активном режиме, открыты всё время.Ток в цепи резистора R э должен быть строго постоянным.
В дальнейшеманализ работы ДУ покажет, что в цепи эмиттеров целесообразнее использовать не резистор, а генератор стабильного тока (ГСТ), у которого оченьбольшое внутреннее сопротивление.4При отсутствии входного сигнала потенциалы коллекторов будут одинаковы, и выходное напряжение будет равно нулю.Если токи будут изменяться одинаково и одновременно в обеих ветвяхсхемы, то и в этом случае, если ДУ идеально симметричен, выходное напряжение будет равно нулю.В зависимости от характера входного сигнала будет формироваться выходное напряжение.
Различают два разных вида входных сигналов:1. Синфазный сигнал − на базах обоих транзисторов действуют два напряжения, одинаковые по величине и совпадающие по фазе. Потенциалы базтранзисторов меняются одинаково, что вызовет одинаковые по величине изменения потенциалов коллекторов. Если схема ДУ абсолютно симметрична(R к1 = R к2 ), то напряжение на выходе ДУ будет равно нулю («дрейф нуля» отсутствует).
В реальном ДУ любые изменения температуры, напряжения питания, появление помех, старение элементов приводят к появлению синфазного сигнала. Только при идеально симметричной схеме ДУ не произойдётизменения напряжения на выходе в режиме дифференциального сигнала приналичии синфазного сигнала, и «дрейф нуля» на выходе полностью будет отсутствовать.2. Дифференциальный сигнал − на базы VT1 и VT2 подаются два одинаковых по величине, но противоположных по фазе сигнала:едиф;U=вх12едиф.U=−вх 22Возрастание потенциала базы одного транзистора сопровождается одновременным уменьшением базы другого.Таким образом, под воздействием входного дифференциального сигналабазовые токи транзисторов получают приращения ±∆i б : приращения тока i б1будет положительным, а i б2 ─ отрицательным. Следовательно, происходятприращения токов коллектора и эмиттера (±∆i к , ±∆i э ).
В результате происходит одновременное возрастание потенциала коллектора одного транзистора(VT 2 ) и уменьшение потенциала коллектора другого транзистора (VT 1 ).В этом случае:Uвых1= Е к − ( I к1 + ∆I к1) R к1 = Е к − (0,5 I 0 + ∆I к1) R к1;5Uвых 2= Е к − ( I к 2 − ∆I к 2) R к 2 = Е к − (0,5 I 0 − ∆ I к 2) Rк 2 . .Выходное напряжение ДУ является разностью потенциалов между коллекторами транзисторов (U вых2 ─ U вых1 ), поэтому, при таком характере сигналов на входе, на выходе сигнал оказывается равным 2∆U к |.Таким образом, сигналы, действующие на входах, можно представитькак сумму двух сигналов ─ дифференциального и синфазного.Uвх1= U синф +Uдиф;2Uвх 2= U синф −Uдиф.2Рабочим режимом для ДУ является режим дифференциального сигнала,и из уравнений, приведённых выше, имеем:для дифференциального сигналаU=−(9.1)диф U вх 2 U вх1для синфазного сигналаU1.синф=U вх1 + U вх 22(9.2)Важными параметрами для ДУ являются:Коэффициент усиления дифференциального сигналаКдиф=U вых.U дифСхема замещения входных цепей ДУ для дифференциального сигналапоказана на рис.9.3.Напряжения, действующие на входах:едиф;U=вх12едиф.U=−вх 22В соответствии с первым законом Кирхгофа имеемIэ1+ I э2 = I 0 .В случае полной симметрии схемы ДУ токи эмиттеров VT 1 и VT 2 будутеравны I = − I э2 = диф , где r э ─ сопротивление эмиттерного перехода.э1rэТок эмиттера и ток коллектора связаны статическим коэффициентом передачи «α».
Напряжения на выходе каждого плеча схемы:6Uвых1= − I к1 R к1 = − αI э1 R к1 = −αедиф2rэ1R к1, гдеeдиф.I =э2rэUвых 2= I к 2 R к 2 = αI э2 R к 2 = αедиф2rэ2R к2.Напряжение на выходе ДУ (в точках»аб» на рис.9.2).VT1iб1К резистору Rк1К резистору Rк2К резистору Rк1VT2VT1iб2iб1Iэ2Iэ1есинфI00,5едифК резистору Rк20,5едифRэVT2iб2Iэ2Iэ1I0есинфRэРис.9.3.Рис.9.4.И, окончательно, коэффициент усиления дифференциального сигнала всхеме ДУ будет равенUКдиф=Uвыхдиф=αRк.rэЧем меньше сопротивление эмиттерного перехода, тем больше коэффициентусиления дифференциального сигнала.2. Коэффициент усиления синфазного сигнала7Ксинф=U вых.UсинфСхема замещения входных цепей ДУ для синфазного сигнала дана нарис.9.4.Для левой и правой ветви схемы будет справедливо уравнениее синфе синфI =≈.э r э + 2R э2R эСопротивлением эмиттерного перехода мы пренебрегли, так как посравнению с сопротивлением резистора R э оно мало.В режиме синфазного сигнала при полной симметрии схемы выходныенапряжения U вых1 и U вых2 будут равныUвых1= U вых 2 = −αRкесинф .2R эИ, окончательно, коэффициент усиления синфазного сигнала в схеме ДУбудет равенUКсинф1= К синф2 =вых= −αесинфRк.2R эИз этого уравнения ясно, что чем больше сопротивление резистора R э ,тем меньше коэффициент усиления синфазного сигнала.3.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала. Пожалуй, это главныйпараметр ДУ, потому что синфазный сигнал ─ это сигнал помех.Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает во сколько разкоэффициент усиления дифференциального сигнала больше коэффициентасинфазного сигналаККослосл==К дифК синфК дифК синф=.Rэ.rэВ случае идеального симметричного усилителя уровень синфазного сигнала на выходе равен нулю. Но в реальных схемах ДУ «дрейф нуля» всегдаимеет место, так как добиться полной симметрии плеч невозможно.
Диффе-8ренциальные усилители, схемы которых можно отнести к усилителям самоговысокого качества, имеют коэффициент подавления синфазного сигналаоколо 104…105. Коэффициент подавления синфазного сигнала выражаютобычно в децибелах.4. Входное сопротивление ДУ в режиме дифференциального сигналаравняется удвоенному входному сопротивлению каждого плечаr= 2[( β + 1)r э + r бвх.дифЕсли β = 50, r б = 150 Ом; r э = 30 Ом.Тогда r вх = 3,36 кОм.Сопротивление r э обратно пропорционально току покоя I эп , поэтому,для увеличения входного сопротивления целесообразно использовать ДУ врежиме малых токов ─ в микрорежиме. Кроме того, целесообразно использовать транзисторы с высоким «β» (например, составные транзисторы,рис.9.5).ЭVT1КVT1.1.VT1.2БРис.9.5.Коэффициент передачи тока базы такой схемы равен произведению коэффициентов трёх транзисторов β общ = β 1 β 2 β 3Например:ϕI э = 50 мкА, β =1500, r б = 150 Ом; rэ = t = 0,5 кОмIэТогда, r вх ≈ 1,5 МомПрименение составного транзистора, кроме увеличения входного сопротивления, вызывает уменьшение входного тока, что немаловажно при использовании схемы ДУ в интегральном исполнении.95.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
