Лабораторные работы_рус РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

Пусть на оба входа ДК подаются одинаковые (синфазные) сигналы ( Uб1= Uб2). При одновременном увеличении или уменьшении амплитуд синфазных сигналов на входах усилителя, коллекторные токи обоих транзисторов (которые одинаково подобраны и имеют одинаковые коллекторные сопротивления) и напряжения на них изменятся соответственно на одни и те же величины. Выходное же напряжение Uвых, определяемое разностью коллекторных напряжений транзисторов, будет по-прежнему равно нулю, как и в исходном состоянии. Значит, ДК не усиливает синфазные сигналы (не реагирует на них по выходу), более того подавляет их. Это происходит потому, что приращение эмиттерных токов вызовут на общем эмиттерном сопротивление Rэ двойное приращение напряжение (падение напряжения на нём), которое как и в эмиттерном повторителе явится напряжением обратной отрицательной связью (ООС). Появление ООС приводит к уменьшению изменения потенциалов коллекторов транзисторов по сравнению со случаем, когда Rэ=0, т.е. к подавлению сигнала. Очевидно, что при прочих равных условиях подавление синфазного сигнала будет тем сильнее, чем больше величина сопротивления Rэ. Здесь нужно сказать, что любые паразитные явления, в том числе и внешние помехи приводят к появлению именно синфазных сигналов. Поэтому и возникает необходимость к их большему подавлению: при синфазных сигналах на входе на выходе сигнал тем ближе к нулю, чем больше подавление сигнала, т.е. учитывая флуктуации 1-1 ближе к нулю, чем 100-100.

Теперь подадим на входы дифференциальные (разностные) сигналы равной величины, но противоположных

знаков ( Uб1 = - U б2).

Uв х Uб1 Uб 2 2 Uб12, Uвх1 12 Uвх , Uвх 2 12 Uвх .

В этом случае коллекторный ток транзистора Т1 увеличится, а коллекторный ток Т2 уменьшится точно на такую

121

же величину. Соответствующим образом изменятся и потенциалы на коллекторах транзисторов, разность их потенциалов будет отличной от нуля, т.е. появится выходной сигнал:

Т.е. усиленные сигналы вычитаются. Схема работает как вычитатель сигналов. Изменение напряжения на Rэ при дифференциальном сигнале не произойдет, так как ток, протекающий через этот резистор и равный сумме эмиттерных токов обоих транзисторов не изменится, ибо приращения токов в каждом плече противоположны по направлению и равны по величине. Поэтому точку Э в схеме на рис.2 можно заземлить по переменному току, что и показано на рис.3.

а) схема ДК при усилении дифференциального сигнала

б)схема ДК при усилении синфазного сигнала

Рис.3. Расчетные схемы

122

Таким образом, при дифференциальном сигнале возрастание тока одного транзистора сопровождается в идеале равным уменьшением тока другого транзистора, в результате ток через Rэ не меняется. Следовательно, резистор Rэ не играет никакой роли и ДК может быть представлена схемой на рис.3а). При подведении ко входу синфазного сигнала на резисторе Rэ появляется переменное напряжение, равное двойному приращению из-за того, что токи в обоих плечах текут в одном направлении и складываются на Rэ. Поэтому анализируя каскад, в этот случае надо пользоваться схемой ДК, показанной на рис.3б) с удвоенным Rэ.

Каждая половина схемы на рис.3а представляет собой обычный усилительный каскад с ОЭ, коэффициент усиления которого равен:

где Kd- коэффициент усиления дифференциального сигнала,

Ud Uб1 Uб 2 2

- входной дифференциальный сигнал.

Также каждая половина схемы на рис.3б является усилителем с обратной связью по току, коэффициент усиления которого равен:

где Кс- коэффициент усиления синфазного сигнала,

Uc Uб1 Uб 2 2

- входной синфазный сигнал.

Следовательно, если выходное напряжение снимать с любого коллектора транзистора (однофазный выход), то

123

коэффициент подавляется синфазного сигнала в рассматриваемом каскаде будет:

2Rэ

Если использовать дифференциальный выход (снимать выходное напряжение между коллекторами), то выходной сигнал увеличивается вдвое, а синфазный сигнал становится близким к нулю, что еще больше увеличивает коэффициент подавления синфазного сигнала. Действительно, для схемы рис.3б) имеем:

Из формулы (2) имеем

Kd1 Kd 2 2h21э (Rк1 Rк 2 ) , rвх

тогда коэффициент подавления синфазного сигнала при дифференциальном выходе будет равен:

При абсолютной симметрии, когда Rк1 = Rк2, коэффициент подавления синфазного сигнала оказывается равным бесконечности, что соответствует идеальному ДК.

Нужно сказать, что если коэффициент усиления дифференциального сигнала близок к 100, то на практике следует подавать на входе разностный сигнал не более одного –

124

двух десятков милливольт, а синфазный сигнал в пределах нескольких вольт.

При отсутствии абсолютной симметрии коэффициент подавления синфазного сигнала как при однофазном, так и при дифференциальном выходах, зависит от величины сопротивления резистора Rэ. Чем оно больше, тем лучше работает схема ДК. Однако прямой путь увеличения сопротивления Rэ неприемлем с конструктивной точки зрения, так как это привело бы к необходимости увеличивать напряжение питания схемы, что не желательно. Следует отметить, что сопротивление в цепи эмиттеров должно быть большим не для постоянной составляющей тока, а для его приращений. Поэтому в современных ДК сопротивление Rэ заменено транзистором, сопротивление которого для переменного тока существенно больше сопротивления постоянному току (R~ R=). Это свойство транзистора пояснено на рис.4, где

R~ Uк

Iк

- сопротивление транзистора переменного тока,

R U0к I0к

- сопротивление транзистора постоянного тока.

Рис.4. ВАХ биполярного транзистора в схеме с ОЭ при некотором токе базы Iб

125

Включение транзистора Т3 в общую эмиттерную цепь (вместо Rэ) двух входных транзисторов Т1 и Т2 показано в схеме лабораторного макета (рис.1). Транзистор Т3 по существу является источником стабильного тока I0 (ИСТ), внутреннее сопротивление которого примерно равно дифференциальному сопротивлению в рабочей точке: Ri R~ rк (rк – сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОЭ). Стабильность тока I0 осуществляется глубокой обратной отрицательной связью через эмиттерный резистор R6. Включение смещенного в прямом направлении диода в цепь делителя базы транзистора Т3 увеличивает термостабильность коллекторного тока.

2.1. Частотные характеристики

Частотные характеристики ДК характеризуются амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристиками, которые в области средних и высоких частот совпадают с соответствующими характеристиками усилительного каскада с ОЭ (см. лабораторную работу RC усилителя). Напомним, что в области низких частот АЧХ ДК не претерпевает изменений (рис.1), являясь усилителем постоянного тока из-за отсутствия разделительных конденсаторов. Время нарастания переходной характеристики (в области малых времен) ДК почти такое же, что и в простейшем усилителе с ОЭ.

2.2. Динамический диапазон

Динамический диапазон усилителя оценивается по Uвхmax

и Uвх min: D Uвх max . Минимальный сигнал ограничивается

Uвх min

шумами, а максимальный нелинейными искажениями. Максимально допустимый сигнал можно оценить следующим образом:

126

Падение напряжения на коллекторном сопротивлении не превышает половины напряжения питания, если использовать критерии отсечки и насыщения транзистора. Отсюда следует, что Uвхmax не должно превышать нескольких десятков милливольт: Uвхmax = Т. Напомним, что Т – тепловой потенциал, равный при комнатной температуре 26 мB. Нужно сказать, что на практике амплитуды входных сигналов должны быть значительно меньше Т: Uвх=0,5 Т. Синфазные сигналы могут иметь гораздо большие значения, чем дифференциальные, поскольку коэффициент усиления синфазных сигналов незначительный, даже меньше единицы.

2.3. Входное и выходное сопротивления

Входное и выходное сопротивления ДК для дифференциальной и синфазной составляющих сигнала существенно различны. Для дифференциальной составляющей входное сопротивление равно удвоенному входному сопротивлению каждой половины ДК:

Rв хd 2 ( 1)(rэ rб ) 2 100 (25 100) 2,5кОм

Входное сопротивление можно увеличить, используя либо эмиттерные повторители, либо составные транзисторы. Для синфазной составляющей входное сопротивление определяется сопротивлением Rэ или сопротивлением Ri источника

стабильного тока: Rв хс ( 1)Ri - сотни и тысячи кОм.

Выходное сопротивление ДК как и в схемах усилителей с ОЭ равно примерно Rк.

127

2.4. Вольтамперная характеристика

При достаточно большом Rэ (в пределе Rэ = ) приращения обоих эмиттерных токов будут iэ1 = - iэ2 (см. рис.2), и можно считать, что ответвление части тока i в сопротивление Rэ ничтожно мало. А постоянная составляющая через Rэ будет равна сумме эмиттерных токов:

Iэ (iэ1 iэ1) (iэ2 iэ2 ) iэ1 iэ2 I0 const,

при этом их разность (iэ1 + iэ1) – (iэ1 - iэ2) = - 2 iэ1 =2 iэ2. Относительное же приращение коллекторного тока будет равно:

Как обычно эмиттерный ток выразим экспоненциальной функцией напряжения база – эмиттер Uбэ:

Напряжение базаэмиттер первого транзистора Uбэ1=Uвх1–Uэ, а второго транзистора Uбэ2 = Uвх2 – Uэ. При симметрии схемы

Uбэ1 = U d U э ;

2

Uбэ2 = U2d U э ,

где Ud =Uвх1 - Uвх2 – дифференциальное напряжение. Подставляя эти значения в (8) получим эмиттерные токи iэ1 и iэ2. Подставляя их в (7), имеем:

128

При изменении аргумента от - до + гиперболический тангенс изменяется от –1 до +1. Поэтому iк1, изменяется от I20 до

I20 , где I0- сумма эмиттерных токов.

Из выражения (9) следует, что ДК можно использовать в качестве амплитудного ограничителя. Например, при Ud = 4 Т

0,1 В; iк1 =0,96 I20 . Следовательно, при амплитуде разностого сигнала, равной примерно 0,1 В, происходит ограничение

I0 Ud . Т.е. при разностных сигналах, меньших 25 мB, имеет

U Т

место линейная зависимость приращения коллекторного тока от разностного (дифференциального) напряжения. Кроме того, ДК можно использовать в качестве регулируемого каскада, усиление которого изменяется при изменении I0.

3.Порядок выполнения работы

3.1.Принадлежности к работе

3.1.1.Лабораторный макет.

129

3.1.2.Вольтметр универсальный цифровой типа В7 –16А.

3.1.3.Измерительные генераторы синусоидальных сигналов типа Г3-33.

3.1.4.Универсальный осциллограф С1-70.

3.2. Описание лабораторного макета

На лабораторном макете расположены два дифференциальных каскада усиления: дифференциальный каскад, расположенный слева, собран на дискретных элементах и обозначен ДК1, справа находится дифференциальный каскад в интегральном исполнении – микросхема К118УД1А, обозначенный ДК2 (рис.1).

3.3.Рабочее задание

3.3.1.Подключить дифференциальный каскад ДК1 к источникам питания, соблюдая полярность. Закоротить оба входа на «землю», что соответствует Uвх1=Uвх2=0. Измерить

режим по постоянному току (Uбэ1, Uбэ2, Uк1, Uк2, Jк1, Jк2, Jо, Uвых1-2) для R4, R5 и генератора стабилизированного тока.

3.3.2.Подать на входы синфазные сигналы, для чего закоротить

входы Uвх1 и Uвх2 между собой, подключить генератор типа Г333 (f=5кГи, Um=600мВ). Определить коэффициент усиления синфазного сигнала Кс для R4, R5 и генератора стабилизированного тока.

3.3.3.Подать на ДК1 дифференциальный сигнал, для чего закоротить один из входов на «землю», а другой вход подсоединить к генератору типа Г3-33 (f=5кГц). Снять

амплитудные характеристики Uвых1-2=f(Uвх1) и Uвых1=f(Uвх) при Uвх2=0, для R4, R5 и генератора стабилизированного тока, определить для каждого случая коэффициент усиления

дифференциального сигнала Кд, коэффициент подавления синфазного сигнала Кn.

3.3.4.Снять амплитудно-частотную характеристику дифференциального каскада для дифференциальных сигналов,

определить полосу пропускания для R4, R5 и генератора стабилизированного тока.

130