Дифференциальный усилитель

Компоненты и материалы

• источник постоянного напряжения 12 В (на схеме вместо него используются две 6-вольтовые батареи);
• два NPN транзистора (рекомендуются модели 2N2222 или 2N3403);
• два потенциометра 10 кОм, однооборотные, линейные;
• два резистора 22 кОм;
• два резистора 10 кОм;
• один резистор 100 кОм;
• один резистор 1,5 кОм;

Номиналы резисторов в этом эксперименте не являются особенно критичными, но они были выбраны для обеспечения высокого коэффициента усиления по напряжению для поведения дифференциального усилителя, «подобно компаратору».

Вспомогательная информация

• Основы электроники и схемотехники, том 3, глава 4: «Биполярные транзисторы»
• Основы электроники и схемотехники, том 3, глава 8: «Операционные усилители»

Темы обучения

• Основы проектирования схемы дифференциального усилителя.
• Определение на практике дифференциального и синфазных напряжений.

Принципиальная схема

Макет

Инструкции

Данная схема является сердцем большинства схем операционных усилителей: это дифференциальная пара. В показанной здесь форме это довольно грубый дифференциальный усилитель, довольно нелинейный и несимметричный по отношению выходного напряжения к входному напряжению (напряжениям). Однако при высоком коэффициенте усиления по напряжению, создаваемом большим соотношением между коллекторным и эмиттерным резисторами (100 кОм / 1,5 кОм), он действует главным образом как компаратор: выходное напряжение быстро изменяется, когда два входных напряжения приближаются к одинаковым уровням.

Измерьте выходное напряжение (напряжение на коллекторе Q₂ относительно земли) при изменении входных напряжений. Обратите внимание на то, как два потенциометра по-разному влияют на выходное напряжение: один вход направляет выходное напряжение в том же направлении, в котором изменяется сам, (неинвертирующий вход), а другой направляет выходное напряжение в противоположное направление (инвертирующий вход).

Это основы поведения дифференциальных усилителей: два дополняющих друг друга входа, которые оказывают противоположное друг другу влияние на выходной сигнал.

В идеале выходное напряжение такого усилителя строго зависит от разности двух входных сигналов. Данная схема значительно не дотягивает до идеала, что покажет даже простой тест.

Идеальный дифференциальный усилитель игнорирует всё синфазное напряжение, которое является любым уровнем напряжения, общим для обоих входов. Например, если на инвертирующем входе 3 В, а на неинвертирующем входе 2,5 В, дифференциальное напряжение будет равно 0,5 В (3 - 2,5), а синфазное напряжение будет равно 2,5 В, поскольку это самый низкий уровень входного сигнала. В идеале, эти условия должны создавать такое же напряжение выходного сигнала, как если бы на входах были установлены напряжения 3,5 и 3 вольта соответственно (дифференциальное напряжение 0,5 вольт, и синфазное напряжение 3 вольт). Однако данная схема не дает одинаковых результатов для этих двух разных сценариев подачи сигналов на входы. Другими словами, её выходное напряжение зависит как от дифференциального напряжения, так и от синфазного напряжения.

Несмотря на несовершенство этого дифференциального усилителя, его поведение может быть еще хуже. Обратите внимание, что регулируемый потенциометрами диапазон напряжений входных сигналов ограничен с помощью резисторов 22 кОм приблизительно от 0 до 4 вольт при напряжении питания 12 вольт.

Если вы хотите увидеть, как эта схема ведет себя без ограничения входного сигнала, просто обойдите резисторы 22 кОм с помощью перемычек, что обеспечит полный диапазон регулировки от 0 до 12 В для каждого потенциометра. При регулировке потенциометров не беспокойтесь о перегреве! В отличие от схемы токового зеркала, данная схема защищена от теплового разгона с помощью резистора в цепи эмиттера (1,5 кОм), который не позволяет току транзистора стать достаточным высоким для возникновения каких-либо проблем.

Теги