22) Дифференциальные усилительные каскады

Дифференциальный каскад  является основой балансных модуляторов, перемножителей аналоговых сигналов, генераторов гармонических и релаксационных колебаний (мультивибраторов).

 

 

I_э1+I_э2=I_o

I_к1+I_к2=h_21б*I_o

I_к1=h_21б*I_o(1+e^-Uд/j т)^-1

I_к2=h_21б*I_o(1-e^-Uд/j т)^-1  (1)

j T =KT/q; U_д=U_вх1-U_вх2

Дифференциальный каскад состоит из пары согласованных транзисторов VT1, VT2, нагрузкой которых являются сопротивления: R_к1, R_к2.

R_к1=R_к2=Rк.

Для стабилизации усилительного каскада используется сопротивление R_э, на котором создается падение напряжений двух токов эмиттера.

R_б1, R_б2 - выполняют роль подачи смещения на базу.

Для питания используется два источника, что позволяет скомпенсировать 0 на выходе при отсутствии сигнала.

Е_п1=Е_п2 - в стандартных схемах  6В,  10В,  15В.

Входы транзисторов возбуждаются парафазным напряжением.

Усилительные свойства дифференциального каскада

Для их установления при использовании эквивалентных схем обычных однотактных усилителей используется теорема Мидл Брука, сущность которой заключается в том, что дифференциальные усилители делятся симметрично на две однотактные полусхемы для дифференциального и синфазного сигналов.

1. Симметричный выход, симметричный вход.

Эквивалентная схема:

R_н>>Rк

K_c= 2SR_к

R_вых » r_кэ II 2R_к

2) При несимметричном выходе

K_н=SR_к

R_вых » r_кэ II R_к

При несимметричном входе одна из баз транзистора заземляется конденсатором С_б.

ХС_б<<R_б

1. 3) Для синфазного сигнала

R_{вых сс}=R_к II r_кэ(1+2SR_э)

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (синфазный сигнал в дифференциальном каскаде является паразитным)

Ослабление сигнала не менее 70-80дБ. Чтобы увеличить КОСС дифференциального каскада вместо R_э включают ГСТ (генераторы стабильного тока).

Пример: R_э=1кОм, S=50мА/В

R_эГСТ=50(1+SRэ)=50(1+50)=2500(кОм)

R_ГСТ увеличивается, что и позволяет получить высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС. Подавая на ГСТ сигнал U_вх3, U_вх4 расширяются функциональные возможности дифференциального каскада.

R_ГСТ увеличивается за счет включения его в эмиттерную цепь сопротивления.

R_{вых гстОС}= R_{вых гст}(1+SR_э).

Напряжение смещения дифференциального каскада

Напряжение смещения дифференциального каскада вызвано разностью напряжений на плечах каскада. Даже при отсутствии на входе сигналов на выходе возникает напряжение смещения.

U_{вых см}=SR_кU_см (*)

При условии R_вх1=R_вх2:

Из (*) следует, что смещение на выходе обусловлено следующими факторами:

1) Разностью коэффициентов усиления транзисторных плеч.

1. Разностью значений крутизны транзистора.

2. Разностью напряжения

U_бэ.

3. Разностью входных сопротивлений

4. Разностью входных токов.

Входное сопротивление дифференциального каскада

R_{вх дк~} r_б+r_бэ

R_{вх сс»} r_б+r_бэ(1+2SR_э)

R_э=R_гст

Выходное сопротивление

Для симметричного выхода:

R_выхс=2R_кэII2R_к» 2R_к;

Для несимметричного выхода:

R_{вых несим} = r_кэ II R_к » R_к.

23) Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокойотрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

Обозначение операционного усилителя на схемах

В переводе с латинского одним из значений слова «inversio» является «оборачивание», «переворот». Иными словами, инверсия — это зеркальное отражение (отзеркаливание) сигнала относительно горизонтальной оси Х (оси времени). На Рис. 1 показаны несколько из множества возможных вариантов инверсии сигнала, где красным цветом обозначен прямой (входной) сигнал и синим — проинвертированный (выходной).

Рис. 1 Понятие инверсии сигнала

Особо следует отметить, что к нулевой линии (как на Рис. 1, А, Б) инверсия сигнала не привязана! Сигналы могут быть инверсными и асимметрично. Например, оба только в области положительных значений (Рис. 1, В), что характерно для цифровых сигналов или при однополярном питании (об этом речь идти будет дальше), или оба частично в положительной и частично — в отрицательной областях (Рис. 1, Б, Д). Возможны и другие варианты. Главным условием является их взаимная зеркальность относительно какого-то произвольным образом выбранного уровня (например, искусственной средней точки, о которой речь также будет вестись дальше). Иными словами, полярность сигнала тоже не является определяющим фактором.

Изображают ОУ на принципиальных схемах по-разному. За рубежом ОУ раньше изображались, да и сейчас очень часто изображаются в виде равнобедренного треугольника (Рис. 2, А). Инвертирующий вход —  символом «минус», а неинвер­тирующий — символом «плюс» внутри треугольника. Эти символы совершенно не означают, что на соответствующих входах потенциал должен быть более положительным или более отрицательным, чем на другом. Они просто-напросто указывают, как реагирует потенциал выхода на потенциалы, подаваемые на входы. В итоге их легко спутать с выводами питания, что может оказаться неожиданными «граблями», особенно для начинающих.

Рис. 2  Варианты условных графических изображений (УГО)  операционных усилителей

В системе отечественных условных графических изображений (УГО) до вступления в силу ГОСТ 2.759-82 (СТ СЭВ 3336-81) ОУ также изображались в виде треугольника, только инвертирующий вход — символом инверсии — кружочком в месте пересе­чения вывода с треугольником (Рис.2, Б), а сейчас — в виде прямоугольника (Рис.2, В).

При обозначении ОУ на схемах инвертирующий и неинвертирующий входы можно менять местами, если так удобнее, однако, традиционно инвертирующий вход изображается вверху, а неинвертирующий — внизу. Выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху, отрицательный — внизу).

Поскольку ОУ имеет два входа, то возможны такие основные виды его включения с использованием ООС (Рис. 4):