Frisk_2
.pdfЛабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ДИФФРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
1 Цель работы
Изучение принципов построения диффренциальных усилителей на биполярных транзисторах, используемых как самостоятельный узел и в составе микросхем; машинное моделирование дифференциального усилителя, использующего резистор в цепи эмиттерной связи или генератор стабильного тока, для улучшения его технических показателей.
2Задание
2.1Расчетная часть
Используя сведения о параметрах транзистора КТ3102А, приведенные в справочнике и в приложении к лабораторной работе, и, выбранном режиме по постоянному току (рис.2.2), рассчитать
•величину входного сопротивления для синфазного входного сигнала;
•коэффициент усиления синфазного сигнала в усилителе с несимметричным выходом;
•коэффициент усиления противофазного сигнала в усилителе с симметричным выходом.
2.2 Экспериментальная часть
2.2.1.Оценить параметры режима работы транзисторов в исходной рабочей точке для схемы дифференциального каскада на эмиттерно-связанных транзисторах.
2.2.2.Рассчитать АЧХ дифференциального усилителя (ДУ) с симметричным входом на эмиттерно-связанных транзисторах для синфазного входного сигнала. Оценить подавление синфазного сигнала. Исследовать влияние разброса параметров транзисторов на свойства ДУ.
2.2.3.Рассчитать АЧХ ДУ на эмиттерно-связанных транзисторах для противофазного входного сигнала.
2.2.4.Рассчитать проходную характеристику ДУ.
2.2.5.Исследовать влияние резистора эмиттерной связи на показатели ДУ. 2.2.6.Рассчитать АЧХ дифференциального усилителя с генератором стабильного тока в
эмиттерной цепи. Оценить влияние разброса параметров транзисторов на свойства ДУ. 2.2.7.Рассчитать АЧХ дифференциального каскада с “токовым зеркалом” в эмиттерной
цепи. Оценить влияние разброса параметров транзисторов на свойства ДУ. Исследовать влияние изменения температуры внешней среды на свойства ДУ.
3 Описание принципиальных схем исследуемых дифференциальных усилителей
Исследование свойств ДУ проводится с использованием трех принципиальных схем, начиная от простейшей, классической схемы усилителя с двумя источниками питания и
230
сопротивлением связи в цепи эмиттера (рис.2.1). Такая схема широко применяется в устройствах, реализованных по дискретной и интегральной технологии. Основой ДУ является эмиттерно-связанная пара идентичных транзисторов (VT1, VT2). Резисторы R1 и R2 и выходные цепи транзисторов VT1 и VT2 составляют плечи моста, диагоналями которого являются точки 3 – 4 и точки А и Э. При одинаковых значениях компонентов R1, R2 и идентичности транзисторов, параметры которых изменяются одинаково при изменении температуры, старении, изменении напряжения питания, синфазном входном воздействии
в точках 1 и 2 (Uвх1 = U вх2) напряжение между точками 3 – 4 U34 = Uкэ1 – Uкэ2 = 0, равно нулю.
Рис.2.1
Любое синфазное воздействие на входах ДУ, вне зависимости от его природы, создает равные приращения коллекторных токов Iк1 = Iк2 ( Iэ1 = Iэ2), а значит, коллекторные напряжения одинаково уменьшаются и выходное напряжение остается равным нулю.
Простейшей практической схемой ДУ, реализующая указанное свойство, является схема, приведенная на рис.2.2.
Рис.2.2
В схеме используются два источника питания V5 и V8 с напряжением 9 В (Е1, Е2 рис.2.1). Резисторы R8 и R11 служат для снятия усиленного напряжения, а резисторы R9 и R12 обеспечивают необходимое смещение во входной цепи каждого из транзисторов (Q4, Q5) обоих каскадов. Резистор R13 определяет значение суммарного тока эмиттера
231
обоих транзисторов и задает положение исходной рабочей точки на семействах выходных характеристик каждого из транзисторов. Падение напряжения на резисторе R13, создаваемое суммарным током Iэ0 = Iэ01 + Iэ02 , определяет глубину отрицательной последовательной ОС по току, изменяющей входное сопротивление и коэффициент усиления каждого каскада. Основным токозадающим источником (определяющим величину тока коллектора Iк01 ( Iк02) в исходной рабочей точке каждого транзистора Q4, (Q5)) является источник ЭДС V8 , а также резисторы R13 и R9, R12, а напряжения — U кэ01 и U кэ02 — резисторы R8 и R11.
Дальнейшим развитием схемы ДУ, является схема с генератором стабильного тока (ГСТ на транзисторе Q2) в эмиттерной цепи транзисторов Q4, Q5 (рис.2.3).
Рис.2.3
Генератор стабильного тока (ГСТ) является каскадом, режим работы транзистора Q2 которого, стабилизирован с помощью делителя напряжения, состоящего из резистора R3 и резистора R4 вместе со стабилитроном D1. Диод в нижнем плече делителя выполняет функцию термокомпенсирующего элемента. С ростом температуры разность потенциалов на диоде уменьшается, точно как разность потенциалов между базой и эмиттером, что обеспечивает постоянное значения тока эмиттера в широком диапазоне температур.
Подключение на входы ДУ синфазных сигналов (V3, V4) не изменяет величину каждого из коллекторных токов, а значит при симметричном выходе (напряжение между коллекторами транзисторов) отсутствует – нет усиленного сигнала. Выходной сигнал появляется лишь тогда, когда напряжения на входах Q1 и Q3 различны, а значит, различны и коллекторные токи.
При противофазном возбуждении входные сигналы изменяются одновременно и одинаково, но с противоположным знаком, что приводит к нарушению баланса моста. В результате, между коллекторами появляется разность потенциалов, на нагрузке – напряжение. Эмиттерные токи транзисторов Q1 и Q3, как и коллекторные токи, при действии усиливаемого сигнала равны и противоположны по знакам, что не создает напряжения ООС на выходном динамическом сопротивлении ГСТ (аналог R13, рис.2.2) и не уменьшает коэффициент усиления ДУ.
Разновидностью схемы ДУ (рис.2.3, D1), использующего диод для параметрической стабилизации является схема широко применяемая при реализации ДУ в составе интегральных микросхем, когда вместо диода включается транзистор в диодном включении
(рис.2.4)
232
Рис.2.4
Транзистор Q7 с закороченным коллекторно-базовым переходом выполняет функцию диода, обеспечивая стабильную величину тока эмиттера (коллектора) транзистора Q5 как и в предыдущей схеме (рис.2.3).
4 Методические указания по выполнению работы
4.1 Расчетная часть
Для расчета величин, указанных в задании необходимо воспользоваться справочными данными, для транзистора КТ3102А [1] для режима транзистора в исходной рабочей точке: Iк01 = Iк02 = 1 мА, U кэ01= U кэ02 = 4,7 В и компонентов схемы, приведенных на рис.2.2.
4.2 Машинное моделирование
Ввод принципиальной схемы исследуемого ДУ Перед выполнении п.2.2.1. следует загрузить систему схемотехнического проектиро-
вания МС9 и вызвать в главное окно принципиальные схемы усилителя (рис.2.2, 2.3) с общим сопротивлением или ГСТ в цепи эмиттера, находящиеся в файле VDifAm.CIR. Для этого необходимо выбрать режим FILE основного меню (рис.2.5), в выпадающем окне выбрать файл C:\MC9DEMO\data\VDifAm2.1.CIR, вызвав его в основное окно редактора.
233
Рис.2.5
В окне схем указаны основные команды и вспомогательные пиктограммы, позволяющие “ собирать” принципиальные или эквивалентные схемы устройств, для последующего анализа по постоянному току, во временной или частотной области и др. Возможности системы схемотехнического моделирования МС9, реализованные в МС8, и, подробно описанные в [1], расширены, дополнены примерами анализа аналоговых и цифровых схем и в некоторых случаях применена другая форма представления моделей компонентов. Например, библиотека диодов, транзисторов, ОУ в отличие от МС8 теперь сформирована
в текстовом файле 
(рис.2.5.1) в папке
(рис.2.52).
После загрузки файла C:\MC9DEMO\data\VDifAm2.1.CIR в центральном окне редактора должны появиться (рис.2.6) принципиальные схемы ДУ, приведенные на рис. 2.2, 2.3.
Рис.2.6
Следует убедиться в соответствии параметров компонентов вызванной схемы и, приведенных в описании.
234
Если полученные методические материалы не содержат дискету с файлом принципиальной схемы усилителя, то ее следует ввести самостоятельно, выбрав режим FILE в меню главного окна (рис.2.5), которое представлено командами: File, Edit, Components, Windows, Options, Analysis , Help.
Меню File |
служит для загрузки, создания и сохранения файлов схем, библиотек ма- |
|
тематических |
моделей |
компонентов схем и для вывода схем на принтер. При этом |
программа автоматически присваивает окну схем некоторый текущий номер (например,
circuit2.CIR). |
|
|
Меню |
Edit служит для создания электрических схем, их редактирования, а также |
|
редактирования символов компонентов схем. |
|
|
Команда |
Components главного меню используется для добавления |
в создаваемую |
или редактируемую схему компонентов, в дополнение к содержащимся в |
каталоге МС9 |
|
(каталог содержит более 100 аналоговых и цифровых компонентов). Каталог команды Components можно редактировать, создавая новые разделы иерархии и вводить в них новые компоненты (например, транзисторы отечественного производства).
Меню |
команды |
Windows |
позволяет манипулировать открытыми окнами, обеспе- |
|
чивая доступ к редакторам МС9 и калькулятору. |
|
|||
Меню |
Options |
используется |
для настройки параметров программы. |
|
Меню Analysis предлагает виды анализа введенной принципиальной схемы. |
||||
Меню Help позволяет обратиться к встроенному файлу помощи |
и оценить, на пред- |
|||
лагаемых примерах, возможности программы. |
|
|||
Создание принципиальной схемы ДУ |
|
|||
Ввод резисторов |
|
|
||
Создание принципиальной схемы начинается с выбора курсором |
компонента принци- |
|||
пиальной схемы на строке основных компонентов (рис.2.5) и нажатием левой кнопки мы-
ши, например, резистора: 
(рис.2.5.3).
Перемещение компонента на экране производится при нажатой левой кнопке, а при необходимости изменить положение компонента, щелкают правой кнопкой при нажатой левой кнопке. При отпускании левой кнопки местоположение компонента фиксируется и
в окне 
(рис.2.5.4) ниспадающего меню (рис.2.7) появляется
название компонента и предложение 
(рис.2.5.5)присвоить ему позиционное обозначение (например, R15) с возможностью указывать его на принципиальной схеме.
PART — предлагаемое позиционное обозначение может быть изменено на любое другое при активизации указанной строки левой кнопкой мыши.
235
Рис.2.7
RESISTANCE — величина компонента или его величина и температурный коэффициент (ТС) изменения сопротивления в модели резистора при изменении температуры.
Присвоенное компоненту название, позиционное обозначение и др. и величина будут изображаться в главном окне при вводе принципиальной схемы, если соответствующий параметр будет помечен галочкой SHOW в рамке Name или Value , соответственно.
При вводе значения параметров допускается использование масштабных коэффициентов:
Значение |
6 |
3 |
-3 |
-6 |
-9 |
-12 |
-15 |
|
10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
Префикс |
MEG |
K |
M |
U |
N |
P |
F |
Степ.форма |
10E+6 |
10E+3 |
10E-3 |
10E-6 |
10E-9 |
10E-12 |
10E-15 |
Масштабный коэффициент может содержать и другие дополнительные символы, которые программа игнорирует. То есть величина емкости в 5 пФ может быть введена:
5 PF или 5 Р или 5Е-12. Дробные значения, например сопротивления 4,3 кОм, задаются как 4.3к.
В ниспадающем меню 
(рис.2.5.6) (рис.2.7) так же можно
FREQ – вводить информацию о законе изменения сопротивления при изменении частоты (FREQ, используется при анализе только в частотной области).
MODEL — ввести дополнительное нестандартное обозначение компонента (например, RMODEL), COST – коэффициент, отражающий стоимость резистора из общей стоимости узла (схемы, устройства).
POWER — указать, какая часть мощности (например, 0,7) рассеивается на компоненте, от общей мощности, потребляемой узлом, в соответствие с документом на разработку устройства (техническим заданием),
SHAPEGROUP – указывать массив условно графических обозначений (УГО), к которому принадлежит компонент (обычно принимается по умолчанию) и
PACKADE — тип корпуса, из ранее введенного списка корпусов (типо-размеров). Последние из указанных параметров обычно используются в программе PCAD при
разработке топологии печатной платы и оценке стоимости устройства (если это предполагается в задании). Подтверждением окончания ввода любого компонента является нажатие кнопки OK. Если какие-либо сведения введены неверно, то нажатие кнопки Cancel ,отменяет всю введенную информацию о компоненте.
Другие активированные кнопки подменю 
(рис.2.5.6) позволяют:
236
(рис.2.5.7)- изменять размеры, цвет и шрифт комментариев, при описании атрибутов компонента (обычно применяется по умолчанию),
(рис.2.5.8)- добавлять к перечню характеристик компонента (PART, RESISTANCE и др.) дополнительные характеристики по желанию пользователя,
(рис.2.5.9)- удалять любую из приведенных характеристик (активируется при размещении курсора не какую-либо строку характеристик в окне компонента),
(рис.2.5.10)- отображать в диалоговом режиме способ получения заданного значения ,например, величины сопротивления резистора (принимается по умолчанию).
(рис.2.5.11)- выводить на экран монитора УГО компонента,
(рис.2.5.12)- переход в файл помощи (комментарии к описанию компонентов и их характеристик в подменю 
) (рис.2.5.6).
(рис.2.5.13) — переход в главное меню файла помощи,
(рис.2.5.14)- отображать в открывающемся диалоговом окне возможность получения выбранной величины, например, величины сопротивления резистора, как эталонного.
Строка
(рис.2.5.15)
указывает на вывод на экран дисплея значений токов, мощностей и температуры, при которых они получены. При этом существует возможность коррекции цвета надписей, выводимых на экран. Выбор других режимов позволит помечать точкой концы компонента, присваивать им названия или номера.
Активизация (по умолчанию) режима
(рис.2.5.16)- реализует возможность включения в процесс моделирования выбранного компонента,
(рис.2.5.17)- обеспечивает подсветку компонента
Ввод транзисторов
Транзистор типа NPN ,который выбирается пиктограммой 
(рис.2.5.18) на второй строчке главного меню, устанавливается в схему, как описывалось ранее, и затем, на ниспадающем меню NPN:NPN Transistor (рис.2.8), выбираются:
PART – позиционное обозначение компонента (Q6),
VALUE — характеристика, определяющая его активный режим (может пропускаться), MODEL – используемый транзистор — КТ3102A.
237
Рис.2.8
Если параметры транзистора были ранее введены в библиотеку, то программа обраща-
ется к файлу 
(рис.2.8.1) и они высвечиваются в окнах параметров транзистора.
При отсутствии в списке, предлагаемом в активированном окне справа, транзистора КТ3102А, параметры модели [7] транзистора необходимо ввести в подсвеченных окнах
(рис.2.8.1), вместо параметров, представленных в окнах, предварительно нажав кнопку New (рис.2.8):
.MODEL KT3102A NPN Is=5.258f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=86 Bf=185.1 Ne=7.428 Ise=28.21n Ikf=.4922 Xtb=1.5 Var=25 Br=2.713
+Nc=2 Isc=21.2p Ikr=.25 Rb=52 Rc=1.65 Cjc=9.921p Vjc=.65 Mjc=.33 Fc=.5 Cje=11.3p
+Vje=.69 Mje=.33 Tr=57.71n Tf=611.5p Itf=.52 Vtf=80 Xtf=2, остальные параметры модели транзистора принимаются по умолчанию.
Для ввода источника гармонического сигнала необходимо, находясь в окне схем (рис.2.9) последовательно активизировать меню Component → Analog Primitives → Waveform Sources → Sine Source.
238
Рис.2.9
В последующем, при работе с этим файлом и повторном обращении к меню Component на закладке Analog Primitives появляется укороченный список компонентов, применявшихся ранее.
Ввод источника гармонического сигнала
Находясь в подменю 
(рис.2.9.1), описываем модель генератора гармонических сигналов, присваивая обозначение PART V6 и тип модели MODEL Gin. Параметры модели F,A,DC и т.д. вводятся в соответствие с рис.2.9. Список компонентов
заносится в текстовый файл после активизации строки MODEL, нажатия кнопки 
(рис.2.9.0), присвоения названия модели генератора синусоидальных сигналов на выпа-
дающем меню 
(рис.2.9.1), и заполнения окошек, определяющих параметры генератора. Параметры генератора задают, указывая в окне
F — значение частоты генератора гармонических сигналов (в герцах, используется только при анализе во временной области),
А — величину амплитуды сигнала (в вольтах, используется только при анализе во временной области),
DC — значение постоянной составляющей (в вольтах), PH — начальное значение фазы сигнала (в градусах) ,
RS — величину внутреннего сопротивления источника сигналов (в Омах), RP — период повторения моделируемого процесса (если процесс затухающий, при указанной величине постоянной времени TAU, сек.),
TAU – постоянная времени затухания переходного процесса. |
Если параметры гене- |
|||||||
ратора |
были |
ранее |
введены, |
и |
хранились |
в |
текстовом |
файле, |
|
|
|
|
|
|
|
(рис.2.9.2), то тре- |
|
буемый генератор выбирают активизацией соответствующей строки в правом окне под-
меню 
(рис.2.9.1).
Ввод батареи источника питания
Питание схемы ДУ осуществляется от двух источников ЭДС V5 и V8. Величина напряжения источников питания принимается равной 9В. Подключение источника питания
239