Вопрос 23: Дифференциальные усилительные каскады. Принцип действия, каскады.

Дифференциальные усилительные каскады (ДУК)

ДУК имеют 2 входа и усиливают разность двух входных сигналов.

n – p – n:

+Е

R_к1 R_к2

VT1 U_вых VT2

U _вх1 U_вх2

R_э (синфазное включение)

(дифференциальное включение)

Если на оба входа подается напряжения от общего источника, то такое включение называ­ется синфазным включением.

Для синфазного сигнала:

Для сигнала U₁ – каскад с ОЭ, для сигнала U₂ – каскад с ОЭ. Если R_k1 = R_k2; I_k1 = I_k2; U_вых1 = U_вых2; → U_вых1 – U_вых2 = 0. Коэффициент усиления отдельных каскадов равен коэффици­енту усиления всего каскада.

Для дифференциального сигнала:

При дифференциальном включении этот каскад обеспечивает коэффициент усиления как в схеме с ОЭ. R_k1 и R_k2 соединены последовательно, R_k1 + R_k2 = 2 R_k1; k_усил = h_21э * R_k / R_вх.; R_вых = 2 R_k1; R_{вых. диф.} = 2 [r_б + (1 + h_21э) * r_{k диф.}] (оно не очень большое), R_{вых. сф.} = 2 (1 + h_21э)*[R || r_{k диф} / 2].

R_э, определенное R_вх, надо делать достаточно большим, чтобы увеличить входное сопро­тивление. Входное сопротивление синфазного сигнала во много раз больше, чем диффе­ренциальное. Если увеличим R_э, необходимо увеличить источник питания E для сохране­ния рабочей точки. Для устранения этого недостатка вместо R_э – источник тока.

+ E_k

R_k1 R_k2

VT1 VT2

R₁

I_k3 VT3

R_э

I_k3 = I_k1 + I_k2 = h_21э * I_б3;

Если бы VT3 был идеальным, то изменения тока через VT3 не было бы. I_k1 увеличивался бы, I_k2 уменьшался.

R_вых3 не равно бесконечности, определяется дифференциальным сопротивлением коллек­торного перехода.

Поэтому,

R_{вх сф} = 2 (1 + h_21э)*[R || r_{k диф} / 2] = = 2 (1 + h_21э)* ⅔ r_{k диф}.

При малых входах R_{вх дф} составляет десятки Мом. На высоких частотах ω сказывается влияние коллекторной емкости закрытого перехода коллектора, входное сопротивление уменьшается, вместо R_k включают 1 / ω C_k )немного уменьшает сопротивление).

В реальных нет полной идентичности параметров резистора и т.д. Поэтому, наблюдается небольшой разностный дифференциальный сигнал даже при подаче на вход синфазного сигнала. Этот эффект отражает характеристика – коэффициент ослабления синфазного сигнала:

k_{oc сф} = k_{u дф} / k_{u cф}

Т.е. во сколько раз k_{u дф} больше, чем k_{u cф}. k_{oc сф} достигает несколько тысяч.

При несимметричном включении:

k_{oc сф} = R_{вх сф} / R_{вх дф}

Еще для повышения стабильности k_{oc сф} вводят ОС по синфазному сигналу. Для этого к дифференциальному каскаду подключают аналогичный дифференциальный каскад, часть напряжения эмиттера которого управляет источником тока. Влияние температуры одина­ково, поэтому высокий температурный коэффициент. В интегральном исполнении дрейф нуля примерно 0.1 мВ в диапазоне – 60⁰ – + 60⁰С. В УПТ особенно опасен дрейф нуля. Если не 0, то на выходе непонятно что. Основной способ уменьшения дрейфа нуля – это уменьшение I_э – это значит и уменьшение базового тока. Иногда I_э уменьшают до 10 мкА, а I_б при этом меньше 0.5 мкА. Дрейф нуля очень мал.

Т.о., дифференциальные каскады обладают:

1. входным сопротивлением для дифференциального сигнала, близким к удвоенному ко­эффициенту одиночного каскада с ОЭ

2. высоким входным сопротивлением для синфазного сигнала (десятки М Ом)

3. коэффициентом усиления синфазного сигнала, стремящимся к нулю

4. коэффициентом дифференциального сигнала, соизмеримым с коэффициентом усиле­ния каскада с ОЭ

5. Выходное сопротивление в 2 раза больше, чем у одиночных каскадов с ОЭ

6. хороший температурный коэффициент

Применение:

• для построение УПТ, ОУ, логических элементов

• они – основа интегральной схемотехники