andrey

Путь к Файлу: /Разное / Аналоги / Диференційні підсилювачі (ДП)..doc

Ознакомиться или скачать весь учебный материал данного пользователя
Скачиваний:   2
Пользователь:   andrey
Добавлен:   31.01.2015
Размер:   204.5 КБ
СКАЧАТЬ

ЛЕКЦІЯ №10

З ДИСЦИПЛІНИ „ОСНОВИ електроніки”

 

ТЕМА 3. Диференційні та операційні підсилювачі.

 

ТЕМА ЛЕКЦІЇ 10.   Диференційні підсилювачі (ДП).

 

 

Мета: Ознайомити курсантів з призначенням диференційних підсилювачів. Вивчити  принцип дії, характеристики та параметр ДП. Розглянути різновиди ДП які часто використовуються у озброєнні за фахом підготовки слухачів.

 

Література: [1] с. 129-140

 

Питання заняття та розподіл часу:

 

1. Призначення та принцип дії ДП    (30 хв.)

2. Передавальна характеристика та підсилювальні параметри ДП (30 хв.)

3. Типи ДП. Засоби покращення параметрів ДП. (30 хв.)                                    

1. Призначення та принцип дії ДП

 

В сучасній електроніці диференційні підсилювачі мають велике розповсюдження. Вони дуже часто використовуються як особисто диференційний каскад, а також в складі інтегральних схем таких як операційні підсилювачі, аналогові компаратори та т.і.

Диференційні підсилювачі (ДП) – це підсилювачі, призначені для підсилення різниці двох вхідних сигналів. UВИХ=K(UВХ1-UВХ2)

ДП підсилює як правило сигнали з постійною складовою тобто є підсилювачем постійного струму (ППС).Принципова схема ДП представлена на

Диференційні підсилювачі (ДП).

Рис.10.1

Параметри плечей ДП однакові (RК1=RК2=RК), транзистори Т1 та Т2 та їх параметри однакові (виготовлені в єдиному технологічному циклі), тому зробити ДП на транзисторах навіть однієї серії практично не можливо, бо дуже тяжко підібрати однакові параметри цих транзисторів.

Як бачимо з рис. 10.1, до складу ДП входять два однакових підсилювача з загальним емітером два “плеча ДП”, які мають спільне навантаження Re. Базовий струм кожного з транзисторів Т12) тече по колу: корпус – eг1  г2 ) - Rг – емітерний перехід Т12) – Re – (-Е2). Резистор Re має великий опір (Re >>Rk), тому разом з джерелом Е2 він утворює генератор стабільного струму І0 =Іе1+Іе2.  Колекторні струми транзисторів Ік1, Ік2 утворюють на резисторах Rк  вихідні напруги Uвих1, Uвих2 (несиметричні виходи ДП). Крім того, навантаження може бути підключено між колекторами Т1, Т2: (Uвих)сим = Uвих1 – Uвих2 (симетричний вихід ДП). Як бачимо, роздільні конденсатори не входять до складу ДП, що дозволяє йому підсилювати як змінну, так і постійну напругу.Rk ДП має вигляд збалансованого моста, до однієї діагоналі якого підключена різниця вхідних напруг, а до другої діагоналі – навантаження.

Розглянемо принцип дії ДП. Для спрощення аналізу будемо вважати внутрішній опір генераторів ег1, ег2 дуже малим ( Rг » 0), тобто uвх1»ег1, uвх2»ег2. Крім того, будемо представляти вхідні сигнали у вигляді двох складових – синфазної еС та диференційної еД:eГ1СД; еГ2С–еД, де

Диференційні підсилювачі (ДП).

(10.1)

 

Із співвідношень (10.1) бачимо, що синфазна напруга еС завжди має однакову величину та полярність на обох входах, а диференційна напруга еД завжди має однакову величину, але протилежну полярність на входах ДП.

Визначимо основні параметри ДП для цього:

а) Спочатку розглянемо перший випадок, коли вхідні напруги дорівнюють нулю (ег1г2=0). еC=0 та еД=0 тобто UВИХ.С=0 UВИХ.Д=0. Через ДП течуть лише постійні струми

Диференційні підсилювачі (ДП).

Диференційні підсилювачі (ДП).
(10.2)

Диференційні підсилювачі (ДП).Вихідні напруги ДП дорівнюють

Осцилограми вхідної та вихідної напруг для першого випадку позначені на рис.10.2 римською цифрою І.

Диференційні підсилювачі (ДП). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис.10.2

 

 

 

 

 

Диференційні підсилювачі (ДП).Треба зауважити, що нульова напруга на симетричному виході дуже стабільна.

Дійсно, наприклад, при флуктуаціях напруг живлення Е1, Е2 колекторні струми Ік1, Ік2 змінюються однаково, тому однаково змінюються Uвих1, Uвих2, а напруга (Uвих)сим залишається стабільною. Аналогічно однаково змінюються Ік1, Ік2 при зміні температури.

! Висока стабільність режиму роботи ДП та його завадостійкість є основними перевагами цього підсилювача.

б) Розглянемо другий випадок, коли на входах ДП присутні лише синфазні вхідні сигнали ег1г2с, ед=0.

Для визначеності будемо вважати ес>0 (рис.10.2, випадок II ). В цьому випадку емітерні струми отримують однаковий позитивний приріст

Враховуючи великий опір резистора Re, можна вважати, що приріст DІе дорівнює

Диференційні підсилювачі (ДП).(10.4)

 

 

З іншого боку

Диференційні підсилювачі (ДП).

(10.5)

 

де Диференційні підсилювачі (ДП). – вхідний опір кожного плеча ДП для синфазного сигналу.

Порівнюючи (10.4) та (10.5), отримуємо

Диференційні підсилювачі (ДП).(10.6)

Диференційні підсилювачі (ДП).

Останній вираз означає, що еквівалентну схему кожного плеча ДП для синфазного вхідного сигналу можна представити у вигляді рис.10.3а

Диференційні підсилювачі (ДП).З рис.10.3а бачимо, що кожне плече ДП має глибокий НЗЗ по синфазному вхідному сигналу, бо опір 2Re дуже великий. Глибокий НЗЗ приводить до зменшення коефіцієнта підсилення синфазного сигналу, який дорівнює

 (10.7)

 

Якщо до ДП (рис.10.1) підключено навантаження з опором Rн, то замість Rк у виразі (10.7) треба писати Rкн = RкRн/(Rк + Rн).

Диференційні підсилювачі (ДП).

Мале значення КC (10.7) означає, що будь-які синфазні завадові вхідні напруги або наводки передаються на несиметричний вхід ДП з великим послабленням (рис. 10.2б, випадок ІІ). На симетричному виході ДП при ідентичних параметрах його плеч (Кс1=Кс2) синфазна напруга дорівнює нулю.

Реальні ДП завжди мають якусь асиметрію плеч, тому навіть на симетричному виході є незначна синфазна напруга.

в) Розглянемо третій випадок, коли вхідні напруги однакові, але протифазні (Диференційні підсилювачі (ДП).). Використовуючи (10.1), отримуємо еC=0, еД=eГ, тобто на входах ДП присутній лише диференційний вхідний сигнал. Такий випадок має місце також тоді, коли одне джерело сигналу еГ підключено між базами Т1, Т2. При цьому на емітерних переходах Т1, Т2 з’являються однакові, але протифазні напруги ег/2. Це приводить до зростання одного колекторного струму та зменшення другого, наприклад, якщо Диференційні підсилювачі (ДП).

Диференційні підсилювачі (ДП).

З однаковим приростом змінюються також емітерні струми (Диференційні підсилювачі (ДП).), але напруга на емітерах залишається постійною

Диференційні підсилювачі (ДП).

Незмінність емітерної напруги при наявності вхідного сигналу означає, що еквівалентну схему кожного плеча ДП можна уявити у вигляді рис.10.3б.

Диференційні підсилювачі (ДП).Диференційні підсилювачі (ДП).Відсутність резистора в емітерному колі (рис.10.3б) означає відсутність НЗЗ по вхідному сигналу, тобто великий коефіцієнт підсилення КД у кожному плечі ДП.

 

(20.8)(3.9)

 

де  Диференційні підсилювачі (ДП). – вхідний опір ДП для диференційного вхідного сигналу.

Осцилограми вихідних напруг Uвих1  та Uвих2 для третього випадку позначені на рис.10.2 римською цифрою III. Для зменшення похибок треба послаблювати синфазний сигнал та стабілізувати рівні вихідних напруг Uвих1  та Uвих2.

Диференційні підсилювачі (ДП).Послаблення синфазного сигналу кількісно оцінюється коефіцієнтом послаблення синфазного сигналу Кпосл

(10.9)

 

Знання коефіцієнтів Кд, Кс, а також вихідної напруги ДП при відсутності вхідних сигналів (10.3) дозволяє визначити повні вихідні напруги Uвих1, Uвих2, наприклад, для випадку, коли Диференційні підсилювачі (ДП). Диференційні підсилювачі (ДП).

Диференційні підсилювачі (ДП).

(10.10)

 

З виразів (10.10) бачимо, що вихідні напруги, крім корисної складової кдед мають синфазні складові, які є помилкою ДП. Постійна напруга Диференційні підсилювачі (ДП).також заважає селекції корисного вихідного сигналу, якщо представляє постійну напругу. При використанні симетричного виходу ДП з ідентичними плечами ці проблеми не виникають, бо

Диференційні підсилювачі (ДП).

Вихідний опір ДП при несиметричному виході приблизно дорівнює Rк, а при симетричному – 2Rк, якщо нехтувати великим вихідним опором транзисторів Т1, Т2 (рис.10.1).

! Завдяки тому, що плечі ДП представляють собою каскади з ЗЕ, верхня гранична частота ДП є незначною.

 

2. ПЕРЕДАВАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ТА ПІДСИЛЮВАЛЬНІ ПАРАМЕТРИ ДП

Передавальною характеристикою ДП називають залежність напруги на його симетричному виході від вхідної диференційної напруги Диференційні підсилювачі (ДП).

Передавальна характеристика рис.10.4, є лінійною лише при малих Диференційні підсилювачі (ДП)., що визначає малий динамічний діапазон ДП для диференційних сигналів

 

Мала лінійна ділянка Диференційні підсилювачі (ДП).передавальної характеристики(рис.10.4) означає, що при великих рівнях на виходах ДП виникають нелінійні спотворення підсилюємого сигналу, тобто крім його першої гармоніки на виходах ДП виникають вищі гармоніки.

Диференційні підсилювачі (ДП).
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис.10.4

 

Реальна передавальна характеристика ДП відрізняється від ідеальної. Причиною такої різниці є, по-перше, не ідентичність параметрів плеч ДП, яка приводить до появи (Uвих)сим¹0 при нульових вхідних напругах.

По-друге, при нульових вхідних напругах вхідні (базові) струми івх1, івх2 ДП теж відрізняються між собою. Тому при наявності на входах ДП зовнішніх резисторів навіть з однаковим опором утворюється різниця потенціалів Uвх1 - Uвх2, яка теж приводить до (Uвих)сим ¹ 0.

У довідниках цю погрішність характеризують різницею Dівх = ½івх1 - івх2½, яку треба утворити, щоб отримати (uвих)сим = 0. Звичайно вхідні струми відрізняються не більш ніж на (10..20)%.Також існує температурний коефіцієнт ТКDівх різниці вхідних струмів. Для ДП на біполярних транзисторах він, як правило, має розмірність мкА/град, а для ДП на ПТ, де вхідні струми вимірюють наноамперами, розмірність ТКDівх іноді визначають як па/град.

Середній вхідний струм Диференційні підсилювачі (ДП). який приводять у довідниках, також вимірюють при (uвих)сим=0.

До точнісних параметрів ДП відносять:

Диференційні підсилювачі (ДП).коефіцієнта підсилення синфазного сигналу

(10.7)

 

коефіцієнта підсилення диференційного сигналу

Диференційні підсилювачі (ДП).(10.8)

 

коефіцієнт послаблення синфазного сигналу

Диференційні підсилювачі (ДП).(10.9).

 

 

 

3. Типи ДП. Засоби покращення параметрів ДП

Як бачимо простий каскад ДП (рис.10.1) має такі недоліки:

–  обмежене значення коефіцієнта послаблення Кпосл синфазного сигналу;

–  малий вхідний опір Rвх д для диференційних сигналів;

–  мале значення верхньої граничної частоти ωв ДП;

–  малий динамічний діапазон підсилюючих диференційних сигналів Диференційні підсилювачі (ДП).

Обмеженість коефіцієнта Кпосл викликана обмеженістю опору резистора Rе(10.9). Остання обумовлена тим, що з підвищенням опору Rе струм I0 (10.2) стає дуже малим і коефіцієнти підсилення струму β у транзисторів Т1, Т2 (рис.10.1) різко падають.

Диференційні підсилювачі (ДП).Диференційні підсилювачі (ДП). Рис.10.5

 

Для збереження активного режиму роботи транзисторів Т1, Т2 доцільно зробити опір Rе для постійного струму малим, а для змінного струму як можна більшим. Таке рішення реалізується у схемі ДП з транзисторним генератором стабільного струму (ГСС). На рис.10.5а у якості прикладу представлена схема інтегрального ДП122УД1 з транзисторним ГСС.

З рис.10.5а бачимо, що до складу ГСС входять джерело живлення Е2 та підсилювач з ЗБ на транзисторі Т3. Низькоомні резистори R3…R6 та транзистор Т4 у діодному включенні забезпечують термостабільність режиму роботи Т3 (у прикладі на рис.10.5а резистор R6 не використовується).

Струм I0 ГСС є колекторним струмом Т3 і дорівнює

Диференційні підсилювачі (ДП).

де Uез, Uбе – напруги на емітері та базі транзистора Т3 відповідно.

Напруга Uбе визначається низькоомним дільником опору R4, R5 та напругою Uбе на емітерному переході Т4  

Диференційні підсилювачі (ДП).

Знак “приблизьмо” в останньому рівнянні стоїть тому, що струм дільника R4, R5 вибирають значно більшим базового струму Т3, який теж тече через резистор R5.

Стабільність I0 обумовлена великим вихідним опором транзистора Т3Диференційні підсилювачі (ДП).≈rк), який забезпечує великий коефіцієнт послаблення синфазного сигналу(10.9)

 

Для підвищення диференційного вхідного опору Rвх д перед транзисторами обох плеч ДП включають емітерні повторювані (ЕП), або застосовують польові транзистори.

Якщо виникаючий при цьому значний розбаланс плеч ДП небажаний, то у якості Т1, Т2 використовують “супер-бета” транзистори, які мають β>1000. При використанні ДП на МОН транзисторах можна одержати Rвхд ~ 1011...1013 Ом.

Іншим засобом підвищення Rвхд є застосування у плечах ДП каскадних схем підсилювачів ОК-ОБ. Найбільший вплив на верхню граничну частоту ωв ДП мають ємності Ск колекторних переходів транзисторів Т1, Т2 (рис.10.1, 10.5). Це пов’язано, в основному, з тим, що через ці ємності має місце пряме проходження синфазних вхідних сигналів на вихід ДП. Тому одним з ефективних засобів підвищення ωв є використання замість транзисторів Т1, Т2 каскадних схем, наприклад ЗЕ-ЗБ, в кожному плечі ДП. Значення ωв  у сучасних ДП досягає декількох ГГц.

Для підвищення динамічного діапазону ДП для диференційних сигналів у емітерні кола транзисторів Т1, Т2 включають додаткові резистори R0 (рис.10.5б). У даній схемі, на відміну від рис. 10.1, 10.5а, на емітерних переходах Т1, Т2 падає напруга ΔUбе< << ед. Більша частина ед  падає на резисторах R0, що дозволяє транзисторам Т1, Т2 ДП залишитись у активному режимі роботи. Включення R0  підвищує також вхідний опір Rвхд, однак при цьому зменшується коефіцієнт підсилення Кд, бо для диференційних сигналів з’являється НЗЗ по струму через резистори R0

Диференційні підсилювачі (ДП).(10.12)

 

 

До складу еквівалентної схеми ДП рис.10.3б для диференційних сигналів треба включити резистор R0 у емітерному колі.

Диференційні підсилювачі (ДП).Для підвищення коефіцієнту Кд треба підвищувати опір резистора Rк, що приводить до необхідності збільшення напруги живлення. Для рішення цієї проблеми у якості Rк використовують динамічне навантаження у вигляді транзисторів Т3, Т4 (рис.10.6а).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.10.6

Резистори Rб забезпечують активний режим роботи транзисторів Т3, Т4. Опір транзисторів Т3, Т4  для постійного струму незначний, а для змінного струму він визначається малим наклоном вихідних характеристик Т3, Т4, тобто опір навантаження обох плеч ДП наближається до rкRб/(rк+Rб).

При несиметричному навантаженні ДП у якості динамічного навантаження, як правило, використовують так зване “дзеркало струму”. На рис. 10.6б таке ”дзеркало струму” утворене однаковими транзисторами Т3, Т4 які мають однакові напруги на емітерних переходах.

На  закінчення треба відзначити, що ДП є одним з найбільш поширених підсилювальних каскадів в сучасній схемотехніці аналогових електронних пристроїв. Це обумовлено такими його якостями:

- висока температурна стабільність;

- завадостійкість до синфазних завад та флуктуацій напруг живлення;

-  можливість підсилення постійної напруги;

-  великий коефіцієнт підсилення диференційної вхідної напруги, який дорівнює коефіцієнту підсилення напруги у каскаді з ЗЕ;

-  компенсація парних гармонік підсилюючих сигналів на виході ДП;

-  залежність коефіцієнта підсилення від струму I0 ГСС (3.21) дає можливість зручного керування підсиленням ДП та побудови на базі ДП помножувачів напруги.

 

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика