Контрольные вопросы

1. Амплитудная характеристика усилителя и ее характерные участки.

2. Как влияет ООСС на коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления?

3. Как определить динамический диапазон усилителя? Каковы причины его ограничивающие?

4. Пояснить вид АЧХ УННЧ. Влиянием каких элементов схемы вызваны подъем и спад АХЧ?

5. Как определить полосу пропускания УННЧ?

6. Как изменится вид АХЧ, если

а)последовательно с входным разделительным конденсатором включить еще один конденсатор;

б)параллельно выходному разделительному конденсатору включить дополнительный конденсатор;

в)между коллектором и общей точкой включить конденсатор;

г)между коллектором и базой транзистора включить конденсатор;

д)параллельно нагрузочному резистору R₂₀ и С_н подключить дополнительный конденсатор

7. Каково должно быть соотношение между Z_ВХ и внутренним сопротивлением источника сигнала Z_Г для усилителя напряжения?

8. Как измерить входное сопротивление усилителя?

9. Каково должно быть соотношение между Z_ВЫХ и сопротивлением нагрузки R_Н для усилителя напряжения?

10. Как измерить выходное сопротивление усилителя?

11. Как связан вид ПХ с частотными свойствами усилителя?

12. Как будет выглядеть АХ на холостом ходе по сравнению с АХ нагруженного каскада?

13. В чем заключается метод искусственной периодизации применительно к наблюдению ПХ?

14. С какой целью к выходу усилителя подключается эмиттерный повторитель?

15. С какой целью ко входу усилителя подключается эмиттерный повторитель?

16. Как влияет С6 на АХЧ усилителя?

17. Как влияет ООСС на АЧХ усилителя?

18. Каким образом экспериментально можно определить передаточную функцию для области низких частот рассматриваемого УННЧ?

19. Как будет изменяться форма кривой мгновенного значения на выходе при увеличении частоты меандра?

20. Какое влияние на вид ПХ оказывает конденсатор C_Н?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4.

«Исследование дифференциального усилительного каскада напряжения на биполярных транзисторах»

Цель работы:

1. Изучение теоретических сведений [1, с. 210-215; 2, с. 238-245].

2. Исследование работы и определение параметров дифференциального каскада в режимах покоя и сигнала.

4.1. Краткие теоретические сведения и описания экспериментов

Работа усилителя в реальных условиях связана с влиянием на него различных внешних помех и внутренних дестабилизирующих факторов. Помехи могут быть подавлены с помощью специальных приемов, например, экранирования. Внутренние дестабилизирующие факторы, такие как температурный дрейф рабочей точки, нестабильность напряжения питания, старение электронных компонентов существенно ослабляются отрицательной обратной связью.

Однако во многих случаях, когда требуется высокая помехоустойчивость и стабильность, вышеуказанные меры оказываются недостаточными. Особенно остро данная проблема проявляется в усилителях постоянного тока, где невозможно отличить сигнал на выходе от дестабилизирующего влияния температурного дрейфа.

Отмеченные обстоятельства привели к поиску схемных решений, позволяющих радикально улучшить ситуацию. Наиболее удачной оказалась схема дифференциального усилительного каскада (ДУК), использующая идею компенсации помех и дестабилизирующих факторов с помощью дополнительного каскада, идентичного основному. Данная схема (рис. 4.1) собрана по параллельно-балансной (мостовой) схеме и является симметричной. Параметры транзисторов и резисторов должны быть одинаковыми, что наиболее точно реализуется в микроэлектронном исполнении ДУК.

В отличие от недифференциальной схемы ДУК имеет два входных зажима (базы транзисторов) и два выходных (коллекторы), причем ни один из них не соединен с общей точкой схемы («землей»). Таким образом, имеется два способа подачи входного сигнала:

1. Дифференциальный (или симметричный), когда сигнал подается между входами (u_вх.д на рис. 4.1). Источник сигнала в этом случае называется «плавающим», поскольку ни один из его зажимов не соединен с землей.

2. Недифференциальный (или несимметричный), когда сигнал подается между каждым входным зажимом и землей (u_вх.1, u_вх.2). Источники сигналов в этом случае называются «заземленными».

Рис. 4.1. Схема принципиальная электрическая дифференциального усилительного каскада напряжения на биполярных транзисторах

При выбранных на рис. 4.1 условно-положительных направлениях входных сигналов из II закона Кирхгофа вытекает следующее соотношение между ними:

u_вх.д = u_вх.1 - u_вх.2 . (4.1)

Нагрузка также может подключаться дифференциально между коллекторами транзисторов (R_н, u_вых.д на рис. 4.1) и недифференциально между одним из коллекторов и землей (u_вых.1, либо u_вых.2). В первом случае нагрузка называется «плавающей», а во втором – «заземленной». При выбранных на рис. 4.1 условно-положительных направлениях из II закона Кирхгофа вытекает следующее соотношение между выходными сигналами:

u_вых.д = u_вых.1 – u_вых.2 . (4.2)

Следует отметить, что основные преимущества ДУК реализуются на плавающей нагрузке.

Режим покоя (при u_вх.1 = u_вх.2 = 0) задается источником тока I_Эсм , питающим эмиттеры транзисторов постоянным током (эмиттерное смещение). Ввиду симметрии ДУК, ток I_Эсм делится пополам между эмиттерами транзисторов

. (4.3)

Поскольку транзисторы в идеальном ДУК одинаковы, их статические коэффициенты передачи тока эмиттера равны (_ст1 = _ст2 = _ст ), что обуславливает равенство коллекторных токов

.

Эти токи создают одинаковые падения напряжения на коллекторных нагрузках, вследствие чего потенциалы коллекторов также равны между собой. Тогда из (4.2) следует

U_вых.д = 0 . (4.4)

В идеальном ДУК дестабилизирующие факторы, упомянутые выше, действуют на оба плеча каскада одинаково и подавляются, согласно (4.4). Например, при увеличении температуры U_к1 уменьшается. Но на такую же величину уменьшается и U_к2, в результате чего имеем (4.4).

Ток I_Эсм должен иметь величину, обеспечивающую активный режим работы транзисторов, т.е. коллекторные переходы должны быть закрыты, а эмиттерные смещены в прямом направлении («полуоткрыты»). Базы заземлены по постоянному току через источники сигналов с малым внутренним сопротивлением. Поэтому потенциалы эмиттеров отрицательны (  0,6 В). В каскаде усиления напряжения обычно устанавливается режим класса А, при котором напряжения на коллекторах равно, примерно, половине питания. Если I_Эсм слишком велик, то транзисторы входят в режим насыщения и каскад теряет работоспособность. Поэтому правильная установка режима покоя имеет для ДУК не меньшее значение, чем в недифференциальном каскаде.

В режиме малого сигнала чаще всего на вход ДУК подключаются два заземленных источника u_вх.1 и u_вх.2 Между базами транзисторов возникает дифференциальное напряжение (4.1). Его амплитуда не должна превышать нескольких десятков милливольт, в противном случае возникают значительные нелинейные искажения и сигнал уже нельзя считать малым. Пусть в некоторый момент времени u_вх.1 > u_вх.2. Тогда u_вх.д положительно и делится поровну между двумя прямо смещенными эмиттерными переходами. Половина u_вх.д приложена к эмиттерному переходу VT1 в прямом направлении, что приводит к большему открыванию VT1 и увеличению тока I_к1 на величину I_к1. Другая половина u_вх.д приложена к эмиттерному переходу VT2 в обратном направлении и VT2, наоборот, более закрывается, ток I_к2 уменьшается на величину I_к2. По I закону Кирхгофа для узла A имеем

I_э1 + I_э2 = I_эсм или I_к1 + I_к2 = _ст I_эсм.

Запишем последнее выражение для приращений с учетом I_эсм= const

I_к1 + I_к2 = 0,

откуда следует, что

I_к1 = I_к2 . (4.5)

Таким образом, по абсолютной величине приращения одинаковы

, (4.6)

что обеспечивается как идентичностью транзисторов, так и идеальностью источника тока смещения.

Малые сигналы характерны тем, что их амплитуды не превосходят малых приращений в окрестности рабочей точки на линейных участках ВАХ. Поэтому, исходя из (4.5), (4.6), имеем

. (4.7)

Выходной дифференциальный сигнал (4.2) может быть найден с учетом очевидных соотношений:

а также выражения (4.7). В результате получаем выражение, связывающее малые сигналы тока и напряжения на выходе ДУК,

(4.8)

Из теории транзисторов известно соотношение

,

где S – дифференциальная крутизна транзистора, определяемая из (1.10).

Подставляя (1.10) в (4.8) с учетом u_бэ = u_вх.д / 2, имеем

.

Дифференциальный коэффициент усиления каскада имеет вид

. (4.9)

Знак «минус» свидетельствует о том, что при выбранных условно-положительных направлениях входного и выходного напряжений, вход 1 является инвертирующим.

Следует отметить, что K_Uд равен коэффициенту усиления для недифференциальной схемы (рис. 2.1) с эмиттерным конденсатором.

Величину дифференциального сопротивления эмиттера, входящую в (4.9), можно выразить через (1.12) c учетом (4.3) как

.

Тогда коэффициент усиления (4.9) принимает вид

. (4.10)

Из данного выражения следует, что регулировкой источника тока I_эсм можно изменять коэффициент усиления. Иными словами, цепь регулировки источника тока можно рассматривать в качестве третьего входа ДУК. С помощью данного входа можно реализовать различные устройства обработки сигналов: перемножители, смесители, умножители частоты, модуляторы, детекторы.

Входное сопротивление каскада со стороны дифференциального входа определяется двумя последовательно включенными прямо смещенными переходами, т.е

. (4.11)

Выходное сопротивление определяется соотношением

. (4.12)

Итак, в рассмотренном выше идеальном случае выходной сигнал пропорционален входному. Из (4.1), (4.9) вытекает уравнение идеального ДУК

.

Однако во многих случаях на входе имеется так называемый синфазный сигнал u_вх.сф , воздействующий одновременно на оба входа (внешние помехи или внутренние дестабилизирующие факторы). Реальный ДУК в какой-то мере передает на выход синфазный сигнал (u_{вых.д.сф}) с коэффициентом K_Uсф<1, что обусловлено несимметрией ДУК, а также конечным внутренним сопротивлением r_i источника тока смещения. Для рассматриваемой схемы можно показать, что

, (4.13)

т.е., чем качественней источник тока, тем меньше передача синфазного сигнала.

Напряжение на выходе реального ДУК определяется как дифференциальным, так и синфазным сигналами:

. (4.14)

Одним из показателей качества ДУК является коэффициент ослабления синфазного входного напряжения

. (4.15)

Чем выше K_ос.сф , тем лучше ДУК подавляет синфазный сигнал. Иногда K_ос.сф выражают в децибелах:

(4.16)

ДУК является основным элементом аналоговой микроэлектроники (операционных усилителей, аналоговых ключей и др.).