Лабораторне заняття № 11

Тема: Диференційні підсилювачі.

Мета роботи. Дослідження диференційних підсилювачів на біполярних та польових транзисторах. Дослідження каскадів з симетричним та несиметричним виходами; стабілізації режиму роботи диференційного підсилювача.

1. Теоретичні відомості

Диференційний підсилювач – це підсилювач, що має два вхідних кола та підсилює різ-ницю напруг між двома вхідними сигналами.

В ідеальному випадку вихідний сигнал не залежить від рівня кожного з вхідних сигна-лів та визначається лише їх різницею. Коли рівні сигналів змінюються на обох входах одно-часно, то таку зміну прийнято називати синфазною (диференційний ( або різніцевий підси-лювач) має досить високий коефіцієнт послаблення синфазного сигналу). Діапазон зміни синфазного вхідного сигналу задає допустимі рівні напруги, відносно якої повинен зміню-ватись вхідний сигнал.

Диференційний підсилювач використовується у тих випадках, коли слабкий сигнал можна втратити на фоні шумів. Наприклад, при зміні електричних потенціалів різноманітних точок людського тіла, зняття електрокардіограми і т.д.

На малюнку 11.1 представлена найпростіша схема диференційного підсилювача. Вихід-на напруга вимірюється на колекторі транзистора Т₂ відносно потенціалу землі (загальний провід тут непоказаний). Транзистори Т₁ та Т₂ по можливості підбираються з близькими па-раметрами. Принцип дії диференційного підсилювача полягає в тому, що він підсилює дифе-ренційний сигнал і перетворює його в несиметричний, з яким працюють звичайні схеми. Це досягається тим, що синфазні сигнали, проходячи на входи 1 та 2 відносно землі в одному з транзисторів викликають збільшення струму в колі, а в другому – зменшення, причому на одну й ту ж величину. Тому загальний струм не змінюється взагалі. Відповідно на виході сигналу не буде.

Диференційний підсилювач синфазний сигнал не просто не посилює, а взагалі не про-пускає на вихід.

Корисний сигнал, що подається на входи диференційного підсилювача, повинен бути різної полярності. При досить добре підібраних транзисторах у диференційному підсилювачі синфазний сигнал подавляється у десятки тисяч разів, загальний коефіцієнт підсилення може сягати сотень.

Мал. 11.1 Класичний транзисторний диференційний підсилювач

Розглянемо схему диференційного підсилювача на біполярному транзисторі за допомо-гою малюнку 11.1.

Слід зазначити, що вихідний сигнал у диференційному підсилювачі рівний різниці вхід-них напруг, помноженій на константу.

Розширена принципова схема диференційного каскаду показана на малюнку 11.2.

Мал. 11.2

При абсолютній симетрії схеми (одинакові транзистори, симетричні опори рівні) вхідні сигнали створюють рівні по амплітуді та протилежні по фазі напруги U_k1 та U_k2, які призво-дять до появи корисного вихідного сигналу U_вих = |U_k1| + |U_k2|, що називається диференцій-ним.

Довільні зміни напруги живлення, температури навколишнього середовища, старіння елементів схеми чи інші зовнішні напруги призводять до появи так званих синфазних сигна-лів. При повній симетрії схеми синфазні (мішаючі) сигнали (шум) створюють на колекторах транзисторів одинакові по амплітуді та фазі напруги, в результаті чого диференційний сиг-нал стає рівним нулю.

Синфазні сигнали на вході будуть створювати диференційний сигнал на виході каскаду лише при несиметрії схеми, що визначається розбалансом емітерних переходів, внутрішніх опорів джерел сигналів, коефіцієнтів підсилення транзисторів, колекторних опорів та ємнос-тей проміжку колектор-база.

Симетрії схеми можна досягнути двома шляхами:

1. підбором елементів та регулюванням основних параметрів кожної половини кас-каду;

2. вибором таких параметрів схеми, щоб, навіть, при розбалансуванні (що незворотнє в довільній реальній схемі) відбувалось максимальне «подавлення» синфазного сиг-налу.

Що стосується другого шляху покращення характеристик диференційного каскаду, то він полягає в тому, що «подавлення» синфазного сигналу, яке оцінюється відношенням кое-фіцієнтів підсилення для диференційного та синфазного сигналів, визначається відношен-ням:

і для збільшення ефекту подавлення синфазного сигналу потрібно, зокрема, збільшити опір резистора R₁.

Проте зі збільшенням опору резистора R₁ виникають інші проблеми, такі як падіння напруги на еміторах транзисторів Т₁ та Т₂ та потужністі розсіювання на резисторі R₁. Тому для стабілізації роботи диференційного підсилювача часто вводять додатковий транзистор Т₃, внутрішній опір якого використовують замість резистора R₁.

Аналогічно можна представити роботу диференційного підсилювача на польовому транзисторі:

Мал. 11.3