2A_02.04.2020_UA_Drobinski
Strona 1 z 3 Nauczyciel:
Krzysztof Drobinski
Przedmiot:
Układy analogowe.
Klasa:
2A
Temat lekcji:
Wzmacniacz różnicowy – zasada działania..
Data lekcji:
02.04.2020
Wprowadzenie do tematu:
Materiały do wprowadzenia teoretycznego został dołączony na kolejnej stronie tej karty. Jest to druga część tematu przewidzianego na 2 lekcje.
Instrukcje do pracy własnej:
Przeczytać ze zrozumieniem. Przyswoić.
Praca własna:
Przeczytać poniższą notatkę i skonfrontować ją z zamieszczonymi rysunkami. Starać się zrozumieć. Jeżeli jeden raz nie wystarczy, to można więcej ;-)
Przeanalizować działanie tego układu ze strony:
http://www.falstad.com/circuit/polish/e-amp-diff.html
Spróbować zmienić rodzaje sygnałów wspólnych, sygnału różnicowego.
Możesz także zmieniać wyświetlane na oscylogramach parametry po najechaniu kursorem myszki na oscylogram, wciśnięciu prawego przycisku i wybrania <właściwości>. Jest też dużo więcej opcji.. ;-) Zastanowić się… i spisać wnioski (kilka).
Informacja zwrotna:
Proszę o przesłanie fotki z działającym układem przy Waszych ustawieniach oraz z wnioskami na podane wcześniej konto:
kris.thorn@o2.pl w terminie do 04.04.2020.
W razie innych problemów proszę o kontakt z podanym numerem telefonicznym.
2A_02.04.2020_UA_Drobinski
Strona 2 z 3
Temat:
Wzmacniacz różnicowy – c.d.
3. Sposoby (poprzedni punkt jest w poprzedniej notatce).
4. Zadaniem wzmacniacza różnicowego jest wytworzenie na wyjściu napięcia (napięciem wyjściowym może być UC1, UC2 lub ich różnica), którego wartość jest proporcjonalna do różnicy napięć między jego wejściami (UB1 – UB2).
UB1, (UB2) – napięcie sterujące bazy tranzystora T1 (T2) (liczone względem masy),
UBE1, (UBE2) – napięcie między bazą a emiterem tranzystora T1 (T2) (liczone oczywiście względem emitera).
UE1,(UE2) – napięcie emitera tranzystora T1 (T2) (liczone względem masy),
!!! Uwaga:
Napięcie UBE2 jest tu liczone jako różnica napięcia między UB2 = 0 (założenie niżej), a UE1 =UE2 (taki sam punkt potencjału układu).
Wzmacniacz różnicowy może być sterowany z dwóch źródeł, które dołącza się do baz obu tranzystorów – sterowanie symetryczne albo z jednego źródła - sterowanie asymetryczne. W tym przypadku źródło sygnału dołącza się do bazy jednego z tranzystorów a bazę drugiego zwiera się do masy. Wyjście układu może być symetryczne (z kolektorów obu tranzystorów), albo asymetryczne (między kolektorem jednego z tranzystorów a masą). Układ umożliwia więc asymetryczne lub symetryczne WE i WY w dowolnych kombinacjach. Przy stosowaniu każdej z tych kombinacji uzyskuje się różne parametry.
We wzmacniaczu różnicowym oba tranzystory pracują w stanie aktywnym. Jego zasada działania jest następująca. Zakładamy, że napięcie UB2 tranzystora T2 nie ulega zmianie (np. jest równe zeru). Sygnał wejściowy jest podawany na bazę tranzystora T1. Wzrost napięcia UB1 powoduje wzrost napięcia UE1 a tym samym zmniejszenie napięcia UBE2 Skutkiem tego następuje zmniejszenie prądu IE2 i prądu IC2 tranzystora T2 oraz zwiększenie prądu IE1 i prądu IC1 tranzystora T1. W wyniku tego zmniejsza się napięcie UC1 tranzystora T1. Zatem napięcie UC1 jest odwrócone w fazie względem napięcia wejściowego UB1.
Rys. 4. Wzmacniacz różnicowy - schemat zasadniczy.
Zmniejszenie wartości prądu płynącego przez kolektor tranzystora T2, powoduje z kolei wzrost napięcia UC2 na kolektorze tego tranzystora (przypominam - wzór ogólny: URC = IC * RC, więcjeśli napięcie URC maleje to oczywiście kosztem wzrostu napięcia UC2). Napięcie UC2 jest zgodne w fazie z napięciem wejściowym UB2.
We wzmacniaczu suma prądów emiterów tranzystorów jest równa prądowi IO (ICM, IEE, Ie – jest to wspólny prąd emiterowy, stąd tak wiele oznaczeń), który płynie przez rezystor RCM, (lub inne oznaczenia Re, REE), a zatem:
IE1 + IE2 = IEE = ICM = IO.
Jeżeli wartość rezystancji RCM jest dostatecznie duża. To wartość prądu jest niezależna od wysterowania tranzystorów T1 i T2. Znacznie korzystniejsze pod tym względem jest stosowanie źródła prądowego (jak na rys. 4.
powyżej), zamiast rezystora wspólnego RCM. Korzystając z napięciowego prawa Kirchhoffa można ułożyć równania:
UBE1 = UB1 – UE
UBE2 = UB2 – UE.
Po eliminacji UE (wyprowadzić wzory na UE i je przyrównać) z równań otrzymamy:
UWER = UB1 – UB2 = UBE1 – UBE2. (napięcie sygnału pobudzenia różnicowego).
Napięcie UWER stanowi różnicowe wysterowanie wzmacniacza. Ze wzoru na UWER można wywnioskować, że różnicowe napięcie wejściowe UWER jest niezależne od wartości rezystora RCM (REE), a więc różnicowe wzmocnienie Kur całego wzmacniacza nie zależy od wartości rezystora RCM.
5. Na rys. 5 przedstawiono typową charakterystykę statyczną wzmacniacza różnicowego. Z wykresu można zauważyć, że istnieje zakres o względnie liniowym przebiegu. Charakterystyki przejściowe tranzystorów są liniowe w pobliżu spoczynkowego punktu pracy wzmacniacza, tj. punktu symetrii odpowiadającego sytuacji gdy UB1 = UB2. Zakres względnie liniowej pracy wzmacniacza odpowiada różnicy napięć wejściowych wynoszących około 50mV (-25… + 25mV). Zakres ten jest więc bardzo mały. Przy napięciu 50mV następuje nasycenie się wzmacniacza i
2A_02.04.2020_UA_Drobinski
Strona 3 z 3 napięcie wyjściowe jest równe ICMRC. Jeżeli zachodzi konieczność poszerzenia zakresu liniowego, można to zrobić włączając dodatkowe rezystory RE1 oraz RE2 pomiędzy emitery tranzystorów, a punkt przyłączenia rezystora RCM
(REE) (tak jak na rys. 6a)).
Rys. 5. Wzmacniacz różnicowy – zależność prądu kolektorów od napięcia wejściowego
6. CMRR (common mode rejection ratio) - współczynnik tłumienia sygnałów sumacyjnych.
Współczynnik CMRR jest to stosunek wzmocnienia sygnałów różnicowych (użytecznych) do wzmocnienia sygnałów sumacyjnych (niepożądanych):
CMRR = Aud/Aucm.
Dobry wzmacniacz prądu stałego powinien charakteryzować się dużą wartością CMRR.
Wzmacniacze różnicowe projektuje się w taki sposób aby uzyskać jak najmniejsze wzmocnienie sumacyjne.
W przypadku idealnej symetrii wzmacniacza różnicowego współczynnik CMRR jest równy nieskończoności. W rzeczywistym układzie jednak współczynnik CMRR ma skończoną wartość, która wzrasta ze wzrostem wartości rezystancji RCM. W związku z tym w celu uzyskania jak najlepszego CMRR wymaga się, aby rezystor RCM miał możliwie jak największą wartość oraz aby oba użyte tranzystory miały identyczne parametry, szczególnie chodzi tu o wartość współczynnika wzmocnienia prądowego β.
7. Cechy i zastosowanie.
•••• Wzmacniacze różnicowe są stopniem wejściowym wszystkich wzmacniaczy prądu stałego (także wzmacniacza operacyjnego).
•••• Często jest również wykorzystywany jako stopień wejściowy wzmacniaczy audio, a czasem nawet na wyjściach wzmacniaczy.
•••• układ charakteryzuje się małym dryftem temperaturowym (wywołane temperaturą zmiany punktów pracy obu tranzystorów następują współbieżnie),
