Zespół Szkół Elektroniczno- Elektrycznych
w Koszalinie

Temat ćwiczenia:

Badanie wzmacniacza różnicowego

Koszalin rok szkolny 2001/2002

Wzmacniacze różnicowe.

Wzmacniacz różnicowy jest układem symetrycznym, skompensowanym temperaturowo. W najprostszej wersji składa się z dwóch tranzystorów sprzężonych ze sobą za pośrednictwem rezystora R_E. Jeżeli tranzystory i rezystory są parami jednakowe oraz pracują w takich samych warunkach elektrycznych i cieplnych, to zmiany temperaturowe ich parametrów kompensują się i nie mają wpływu na własności wzmacniacza. Na przykład, gdy wskutek zmiany temperatury wzrosną prądy kolektorów obu tranzystorów o I_C1 = I_C2, to wzrosną również spadki napięcia U_RC1 = U_RC2 na rezystorach R_C1 = R_C2. Potencjały kolektorów obu tranzystorów zmniejszają się o taką samą wartość, a różnica napięć między kolektorami nie ulega zmianie.

Identyczność elementów i warunków ich pracy łatwo jest spełnić w układach scalonych, gdyż jak wiadomo, elementy scalone wykonane w jednej płytce półprzewodnikowej, w jednym procesie technologicznym, umieszczone w pobliżu siebie, odznaczają się dobrą powtarzalnością parametrów i dobrym sprzężeniem termicznym. Z tego względu wzmacniacz różnicowy jest podstawowym układem wykorzystywanym w monolitycznych wzmacniaczach operacyjnych i wzmacniaczach sygnałów wolnozmiennych. Ponadto, wspólny rezystor R_E stabilizuje punkt pracy obu tranzystorów. Wymusza on wartość prądu płynącego we wspólnym obwodzie I_E=I_E1+I_E2=I_C1+I_C2. Przy dużej wartości rezystancji R_E prąd I_E praktycznie nie zmienia się. Napięcia sterujące zmieniają tylko rozpływ prądów między tranzystorami T₁ i T₂.

Rysunek 1 Podstawowy układ wzmacniacza różnicowego

Wzmacniacz różnicowy może być sterowany z dwóch źródeł - sterowanie symetryczne, które dołącza się do baz obu tranzystorów lub też z jednego źródła - sterowanie asymetryczne. W tym przypadku źródło sygnału dołącza się do bazy jednego z tranzystorów, a bazę drugiego zwieramy do masy. Wyjście układu może być symetryczne z kolektorów obu tranzystorów albo asymetryczne między kolektorem jednego z tranzystorów a masą. Układ umożliwia więc asymetryczne albo symetryczne wejście i wyjście w dowolnych kombinacjach. Przy każdej z tych kombinacji uzyskuje się różne parametry. Gdy np. Eg₂ = 0, Eg₁
0, to na wyjściu tranzystora T₁ otrzymuje się sygnał wzmocniony i odwrócony w fazie. Na wyjściu z kolektora T₂ sygnał jest wzmocniony bez odwrócenia fazy. Wzrost bowiem napięcia na bazie T₁ powoduje wzrost jego prądu, wzrost spadku napięcia na rezystorze emiterowym i zmniejszenie prądu tranzystora T₂. Napięcie na kolektorze tranzystora T₁ wówczas maleje, a wzrasta napięcie kolektorze tranzystora T₂. Jeżeli jest jednocześnie sterowana baza tranzystora T₂, to zmiany napięcia na kolektorach są dwukrotnie większe.

Jedną z podstawowych właściwości wzmacniacza różnicowego jest zdolność wzmacniania tzw. sygnałów różnicowych, przychodzących na oba wejścia w fazie przeciwnej

U_r = U_wej1 - U_wej2

Drugą podstawową właściwością wzmacniacza różnicowego jest tłumienie sygnałów sumacyjnych (CMRR) przychodzących na oba wejścia w fazie zgodnej

U_s=

W związku z tym wyróżnia się wzmocnienie różnicowe K_ur i wzmocnienie sumacyjne K_us. Przy idealnej symetrii wzmocnienie różnicowe wynosi:

• dla wyjścia asymetrycznego

K_ur1 = - K_ur2 =

• dla wyjścia symetrycznego

K_ur =

Wzmocnienie sumacyjne

K_US1 = K_US2

Sygnały różnicowe są sygnałami użytecznymi, natomiast sygnały sumacyjne są szkodliwe. Sygnały sumacyjne powstają np. wskutek zmian napięć zasilania, zakłóceń itp. Miarę zdolności tłumienia sygnałów sumacyjnych stanowi współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego

H_S =

Współczynnik ten, oznaczany też jako CMRR, jest podawany w katalogach. Dla wzmacniacza idealnego H_s = 80 do 100 dB.

Dotychczas rozpatrywano zachowanie się wzmacniacza różnicowego dla małych sygnałów, gdy można zakładać, że jest on elementem liniowym. W rzeczywistości prądy kolektorów obu tranzystorów zależą od napięcia różnicowego U_r nieliniowo.

Rysunek 2 Wzmacniacz różnicowy ze źródłem prądowym

Przy budowie wzmacniaczy różnicowych dąży się do uzyskania dużego wzmocnienia różnicowego, dużego współczynnika tłumienia sygnału sumacyjnego, dużej rezystancji wejściowej oraz małych sygnałów niezrównoważenia i ich dryftów. Z analizy podanych zależności wynika, że poprawa parametrów wzmacniacza wymaga zwiększenia współczynnika wzmocnienia prądowego tranzystorów oraz rezystancji R_e i R_c. Zwiększenie rezystancji R_e jest ograniczone możliwościami technologicznymi i warunkami zasilania. Przy dużej wartości R_e aby utrzymać wymaganą wartość prądu I_e należy zwiększyć napięcie E_e. Z kolei zmniejszenie prądu emitera jest niekorzystne, gdyż przy małych prądach maleje współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystorów. Dlatego zamiast rezystancji R_e w obwód emiterów włącza się źródło prądowe, charakteryzujące się małą rezystancją statyczną (dla prądu polaryzacji) i bardzo dużą rezystancją dynamiczną (dla sygnału wzmacnianego). Podobne ograniczenia istnieją również odnośnie doboru wartości rezystorów R_c. Te rezystory również zastępuje się często źródłami prądowymi. Jest to tzw. obciążenie aktywne obwodów kolektorów. Rezystancję wejściową można także zwiększyć zastępując tranzystory bipolarne tranzystorami unipolarnymi. Maleją wtedy również wejściowe prądy polaryzacji oraz niezrównoważenia. Wzrasta natomiast wejściowe napięcie niezrównoważenia jego dryft temperaturowy. Wzmacniacze różnicowe stanowią podstawę większości produkowanych obecnie monolitycznych wzmacniaczy operacyjnych. Wytwarza się również w postaci scalonej zespoły tranzystorów, dostosowane do pracy w układzie różnicowym. Przykładowo mogą to być układy scalone produkcji Polskiej: UL1101N i UL1111N wzmacniacz różnicowy z trzema niezależnymi tranzystorami. Cechą charakterystyczną tych układów jest m. in. dość duża częstotliwość graniczna tranzystorów (f_t = 500MHz), co daje możliwość pracy w szerokim zakresie częstotliwości.

2

2

Badanie wzmacniacza różnicowego.

5

Teoria.

---