Исследование дифференциального усилителя
На биполярных транзисторах
Цель работы
Изучение принципа работы и исследование характеристик дифференциального усилителя на биполярных транзисторах.
Пояснения к работе
Дифференциальный усилитель – это симметричный усилитель постоянного напряжения с двумя входами и двумя выходами. Схема дифференциального усилителя приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Схема дифференциального усилителя
Для построения схемы используется согласованная по параметрам пара транзисторов VT1 и VT2. В эмиттерные цепи этих транзисторов включен источник стабильного тока, выполненный на VT3, который обеспечивает постоянство суммы эмиттерных токов I1э + I2э = Iэ. Если схема выполняется на дискретных транзисторах, то с целью улучшения характеристик в их эмиттерные цепи устанавливают резисторы R`э, имеющие небольшое (не более 100 Ом) сопротивление. Входное и выходное напряжения схемы соответственно равны:
|
Uвых = U1к – U2к .
При отсутствии входных сигналов (режим покоя) U1б = U2б = 0. В этом случае ток Iэ, вследствие симметрии схемы, равномерно распределяется между обоими транзисторами VT1 и VT2:
I1э = I2э = Iэ/2.
Пренебрегая токами базы, можно определить токи коллекторов:
I1к = I2к @ Iэ/2.
При этом коллекторные напряжения соответственно будут равны:
U1к = U2к = +Еп – Rк·Iэ/2
В результате выходное напряжение Uвых согласно (1) будет равно нулю.
Эти соотношения не изменятся, если оба входных напряжения U1б и U2б получат приращения на одну и ту же величину (синфазный сигнал). Так как в силу симметрии схемы коллекторные токи остаются равными друг другу, то останется постоянной и равной нулю разность выходных напряжений, т.е. коэффициент усиления синфазного сигнала Kсф будет равен нулю. На практике, в силу невозможности получения абсолютно симметричной схемы, Ксф отличен от нуля, его типовое значение может составлять 10-3.
Изменение напряжения база-эмиттер, происходящее под воздействием температуры, действует как синфазный сигнал и, следовательно, не влияет на работу схемы. Поэтому дифференциальный усилитель хорошо приспособлен к работе в качестве усилителя постоянного тока в широком диапазоне температур.
Если U1б > U2б (режим дифференциального сигнала), то изменяется распределение токов в дифференциальном усилителе: I1к увеличивается, а I2куменьшается, при этом их сумма остается равной Iэ. В силу симметрии схемы изменения коллекторных токов противоположны по знаку и равны по модулю: ∆I1к = –∆I2к. = ∆Iк. Выходное напряжение при этом будет равно
Uвых = 2·∆Iк·Rк.
Коэффициент усиления схемы для дифференциального сигнала определяется следующим выражением [1]:
Kд = ΔUвых / ΔUвх = Rк / 2(R`э + rэ), (2)
где rэ – собственное сопротивление эмиттера биполярного транзистора, выраженное в Омах, равное соответственно[1]:
rэ = 25 / Iк[мА] (3)
На практике типовое значение коэффициента усиления дифференциального сигнала составляет 50-100.
Параметром качества дифференциального усилителя является отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала. Оно называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала:
Кос.сф = 20∙lg(Ксф / Кд). (4)
При этом коэффициент ослабления синфазного сигнала для хорошо согласованной пары транзисторов может достигать величины от -80 до -100 дБ. Практически в большинстве случаев получается более низкое значение.
Для расчёта схемы необходимо задать диапазон частот входного сигнала fmin…fmax, коэффициент усиления по напряжению для дифференциального сигнала Кд, напряжение питания Еп и сопротивление нагрузки Rн. После задания этих величин можно рассчитать номиналы элементов схемы и выбрать транзисторы.
Рассмотрим пример расчёта дифференциального усилителя.
Исходные данные: fmin = 20 Гц, fmax = 20 кГц, Кд = 100, Eп = 12 В, Rн = 10 кОм.
1) Выбирается номинал сопротивления Rк << Rн. При обеспечении этого условия нагрузка практически не влияет на работу усилителя. Выбираем
Rк = 1 кОм << 10 кОм.
2) Транзисторы VT1 и VT2 должны работать в режиме А. Для этого, при отсутствии входного сигнала, постоянные напряжения на коллекторах транзисторов U1к и U2к должны составлять 0,5∙Eп. Следовательно, коллекторные токи транзисторов I1к, I2к, согласно закону Ома, будут равны:
I1к = I2к = Iк = 0,5∙Eп / Rк
Рассчитывая ток коллектора по этой формуле, получаем:
Iк = 0,5∙12(В) / 10(кОм) = 6 (мА)
3) Выбирается тип биполярных транзисторов [4] исходя из следующих критериев:
– максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером
Uкэ max ≥ 1,5∙(+Eп + |-Еп|) (в нашем примере Uкэ max ≥ 36 В);
– максимально допустимый ток коллектора Iк max ≥ 2∙Iк (Iк max ≥ 12 мА);
– минимальная величина коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ
h21Э min ≥ 10 (В справочниках по транзисторам приводятся пределы изменения этой величины: h21Э min … h21Э max, причём на практике при возможности желательно выбирать транзисторы с h21Э min ≥ 40);
– предельная частота коэффициента передачи по току fh21 >> fmах (fh21 >> 20 кГц).
На основании этих критериев из справочника выбирается биполярный транзистор, в нашем случае можно, например, выбрать транзистор типа КТ315В, который имеет следующие параметры:
Uкэ max = 40 В; Iк max = 250 мА, h21Э min = 30, fh21 = 250 МГц.
4) Исходя из заданной величины коэффициента усиления для дифференциального сигнала из формулы (2) определяется значение R`э:
R`э = Rк / 2Kд - rэ,
где собственное сопротивление эмиттера rэ определяется по формуле (3).
rэ = 25 / Iк = 25 / 6 = 4,2 (Ом);
R`э = Rк / 2Kд - rэ = 1000/2∙100 – 4,2 = 0,8 (Ом)
Выберем для R`э ближайшее значение сопротивления из ряда Е24
R`э = 0,82 Ом.
Примечание: если значение R`э получается близким к нулю, то сопротивление R`э в схему не устанавливается, если же R`э получается отрицательным, то следует выбрать большее значение тока Iк, увеличив напряжение питания схемы Еп (после чего необходимо проверить, подходят ли выбранные транзисторы по параметру Uкэ max, п.3).
5) Рассчитывается источник тока, выполненный на транзисторе VT3:
а) сначала определяется потенциал эмиттера транзистора VT3:
Uэ = 0,1∙Еп = 0,1∙12 = 1,2 (В).
б) рассчитывается ток Iэ:
Iэ = I1э + I2э ≈ 2∙Iк = 2∙6 = 12 (мА).
в) определяется сопротивление Rэ:
Rэ = Uэ / Iэ = 1,2/12 = 0,1 (кОм),
Из ряда Е24 выбираем Rэ = 100 Ом.
г) Находятся напряжение и ток базы транзистора VT3:
Uб = Uэ + 0,6 (В) = 1,2 + 0,6 = 1,8 (В);
Iб = Iк / h21Э min= 12 / 30 = 0,4 (мА)
6) Определяются номиналы сопротивлений делителя напряжения в цепи базы. Сначала выбирается значение тока, протекающего через делитель напряжения Iд >> Iб, поскольку при таком условии потенциал Uб практически полностью определяется делителем напряжения и изменение тока Iб практически на него не влияет. В нашем случае следует выбрать Iд = 4 мА >> 0,4 мА. Затем рассчитываются номиналы сопротивлений R1д и R2д:
R1д = (Еп - Uб) / Iд
R1д = (12 – 1,8) / 4 = 2,55 (кОм)
R2д = Uб / Iд
R2д = 1,8 / 4 = 0,45 (кОм)
Вычисленные значения сопротивлений отличаются от стандартного ряда, поэтому выберем ближайшие значения из ряда Е24: R1д = 2,7 кОм;
R2д = 470 Ом.
Расчёт схемы закончен.
Порядок проведения лабораторной работы
1. По заданным преподавателем диапазону частот fmin…fmax, коэффициенту усиления Kд, напряжению питания Еп и сопротивлению нагрузки Rн рассчитать номиналы элементов схемы. Номиналы резисторов следует выбрать из ряда Е24. Выбранный транзистор обязательно должен иметь зарубежный аналог в библиотеке Microcap.
2. Собрать схему дифференциального усилителя в Microcap.
3. Установить на вход схемы модель источника ЭДС, выбрав его тип из меню:
Component ® Analog Primitives ® Waveform Sources ® Sine source ® 60Hz
При этом подключить клемму «+ » к базе VT1, а клемму «- » к общей точке. Базу VT2 соединить с общей точкой.
4. Установить следующие параметры модели источника ЭДС: F=1000 A=0.01 DC=0 PH=0 RS=1m RP=0 TAU=0
5. Произвести расчёт режима работы транзистора по постоянному току, воспользовавшись меню Analysis ® Transient Analysis, при этом необходимо указать следующие параметры:
Time Range 10m,0 Run Options Normal
Max. Time Step 0.001m State Variables Zero
Number of Points 100 Operating Point
Temperature 20 Ú Operating Point Only
Ú Auto Scale Ranges