1.1.3 Разновидности схем дифференциальных усилителей

Основными задачами разработки разновидностей схем ДУ являются увеличение коэффициента усиления усилителя и увеличение входного сопротивления.

Используются следующие разновидности схем ДУ:

а) на входах ДУ ставятся составные транзисторы (пара Дарлингтона), у которых гораздо выше входное сопротивление и коэффициент передачи тока равен произведению коэффициентов передачи тока обоих транзисторов;

б) на входах ДУ ставятся эмиттерные повторители, у которых входное сопротивление сотни килоомов;

в) ДУ с полевыми транзисторами на входах;

г) ДУ с динамической нагрузкой.

1.1.4 Дифференциальный усилитель с динамической нагрузкой

Для увеличения коэффициента усиления усилителя K_u необходимо увеличить коллекторную нагрузку R_к, но тогда потребуется увеличить напряжение источника питания Е_к. В интегральных схемах увеличение R_к ведет к увеличению площади и габаритов микросхемы. Поэтому в ИС используется динамическая нагрузка, т.е. вместо резисторов  R_к1 и R_к2  ставятся транзисторы  VТ₃ и VТ₄, которые имеют низкое сопротивление по постоянному току и высокое – по переменному. Транзисторы VТ₃ и VТ₄ имеют полярность, противоположную к основным (см. рисунок1.4).

Транзисторы VT₁ и VT₂ (n-p-n-типа) – основные, транзисторы VТ₃ и VТ₄ (p-n-p-типа) – коллекторная нагрузка. Эти транзисторы соединены коллекторами. Транзистор VТ₃ используется в диодном включении. В эмиттерной цепи ставится генератор стабильного тока (ГСТ) для уменьшения влияния синфазного сигнала на схему.

Вход ДУ – дифференциальный, выход ‑ однотактный.

Транзисторы VТ₃ и VТ₄ включены по схеме токового зеркала – отражателя токов. Ток I_к1, протекая через VТ₃, создает одинаковое смещение на базах транзисторов VТ₃ и VТ₄ U_бэ3=U_бэ4. Поэтому I_к4= I_к3, а I_к3 является током I_к1.

С ледовательно I_к4=I_к1. VТ₄ повторяет изменения токов VT₁, т.е. VТ₄  полностью повторяет I_к1, поэтому пара VТ₃ и VТ₄ называется токовым зеркалом.

Найдем , U_вых и К_u. Допустим, на вход подан сигнал e_c. Приращение токов базы  и . Тогда токи коллекторов  и . Так как , то . Ток на выходе ДУ равен . Видно, что ток на выходе ДУ усилился в  раз и удвоился.

Выходное напряжение ДУ , где  - входное сопротивление последующего каскада.

Коэффициент усиления ДУ . При    .

Сопротивление  может быть обеспечено в несколько сотен килоом, следовательно, коэффициент усиления ДУ по напряжению может достигать нескольких сотен и тысяч.

Таким образом, отражатель токов позволяет получить высокий коэффициент усиления по напряжению и удвоить сигнал на однотактном выходе.

1.2 Выходные каскады усилителей

Выходные каскады – это усилители мощности. Они служат для получения максимальной мощности в нагрузке при максимально возможном КПД и минимальных нелинейных искажениях.

В микроэлектронике класс А обычно используется редко из-за низкого КПД. Более популярны двухтактные усилители класса В и АВ.

1.2.1 Простейшая двухтактная схема

Рассмотрим простейшую двухтактную схему усилителя класса В на комплементарных транзисторах (см. рисунок 1.5).

Т ранзистор VT₁ – n-p-n, VT₂ – p-n-p –типа.

Нагрузка R_н включена в эмиттерной цепи, т.е. транзистор включен по схеме с общим коллектором, следовательно, этот эмиттерный повторитель дает большое усиление по мощности, обусловленное высоким коэффициентом усиления тока.

В режиме покоя оба транзистора закрыты, т.к. U_эб = 0 (класс В).

 При подаче на вход положительной полуволны переменного напряжения VT₁ – открывается, VT₂ – закрывается. Течет ток от +Е₁ ‑ КЭ₁ ‑ R_н ‑  – Е₁.

При подаче отрицательной полуволны переменного напряжения VT₁ – закрывается, VT₂ – открывается. Течет ток от +Е₂ ‑ R_н ‑ЭК₂ ‑ – Е₂. Таким образом, схема работает в два такта: в первом такте открыт  VT₁, во втором ‑ VT₂, т.е. на выходе усилителя имеет место двуполярный сигнал. Коэффициент усиления по мощности .

Н о недостаток схемы в том, что она имеет высокий коэффициент нелинейных искажений. На рисунке 1.6 приведена совмещенная передаточная характеристика . Длительность положительной и отрицательной полуволн на выходе меньше полупериода сигнала (часть синусоиды не усиливается). Выходной ток I_э носит импульсный характер, т.е. имеет большое число высших гармоник в своем спектре. Это особенно существенно при малых U_вх, соизмеримых с U*.