11

ГЛАВА 5

ЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Вводные замечания

Линейные интегральные усилители(ЛИУ) предназначаются для повышения уровня входного сигнала и передачи его в нагрузку с допустимыми искажениями, а также и для выполнения различных линейных и нелинейных преобразований входного сигнала. В последнем случае они называются операционными усилителями, представляющими ЛИУ с линейными и нелинейными обратными связями. Отличительной особенностью ЛИУ от усилителей на дискретных элементах является высокая плотность упаковки элементов. Так плотность упаковки активных элементов современных ЛИУ составляет 60-250 единиц на 1мм² для биполярных транзисторов и до 2000 ед. –для полевых. Современная интегральная технология не позволяет получить столь большие плотности для пассивных элементов-резисторов и конденсаторов. Например, резистор номиналом 20 килоом занимает площадь в 50 раз большую, чем интегральный транзистор, кроме того, с возрастанием номинала и площади пассивного резистора сказывается увеличение его распределенной паразитной емкости, которая уменьшает его общее сопротивление с повышением частоты. Поэтому в современных интегральных схемах наметилась тенденция при реализации больших номиналов резисторов и емкостей использовать транзисторы, применяя при этом ряд схемных решений. Рассматривая структуру дифференциального параметра Y₂₂ полевого и биполярного транзистора -гл 2, нетрудно заметить, что выходное сопротивление, обусловленное выходной комплексной дифференциальной проводимостью в области нижних и средних частотах будет очень велико ввиду малой величины его частотно независимой составляющей g₂₂. В то же время сопротивление выходной цепи транзистора постоянному току R₌ равное отношению U₂₀/I₂₀ ( рис. 4.2) оказывается существенно меньше величины 1/g₂₂. Следовательно, если необходимо реализовать между двумя узлами схемы сопротивление переменного тока большой величины равное 1/g₂₂,. то его можно выполнить, помещая между ними выходную цепь транзистора, обеспечив в транзисторе необходимый стационарный режим U₂₀,I₂₀ .

Поскольку сопротивление постоянному току R₌ невелико, то напряжение питания схемы с таким транзистором обычно не превышает единицы или десятки вольт. Чтобы выходная цепь транзистора оказалась пассивной следует исключить генератор тока Y₂₁U₁( рис.2.1), что достигается замыканием по переменному току промежутка эмиттер-база входной цепи транзистора. Указанный способ реализации больших номиналов сопротивлений позволяет получить плотность упаковки таких пассивных элементов в ЛИУ близкую к плотности упаковки интегральных транзисторов. В последующих разделах гл.5 приводятся схемные реализации ЛИУ, в которых используется такой способ имитации сопротивлений. Очень часто в ЛИУ связь между каскадами осуществляется непосредственно, без разделительных конденсаторов, поэтому основной ступенью в таких усилителях является дифференциальный каскад, в котором отсутствуют базовые (истоковые) делители напряжения, при этом требуется два источника питания разной полярности. Ниже рассматриваются основные схемные реализации ЛИУ, а также их использование в операционных усилителях.

5.1. Токовое зеркало, генератор стабильного тока

Принципиальная схема простейшего токового зеркала (ТЗ) приведена на рис.5.1. В этой схеме реализуется практическое равенство токов I₁ и I₂ коллекторов транзисторов или их заданное отношение. Из рисунка видно, что в транзисторе VT1 осуществлено его диодное включение. Оба транзистора VT1 и VT2 находятся в активном режиме. Считая транзисторы одинаковыми и токи коллекторов практически не зависящими от напряжения между коллектором и эмиттером, запишем для них уравнения:

где h₂₁-коэффициент усиления тока транзистора. Таким образом, при h₂₁>>1 отношения этих токов приближенно равно:

Рис.5.1

(5.1)

и любое изменение тока I₂ повторяет изменение тока I₂ .Пусть, например, в транзисторе коэффициент h₂₁=100, тогда их отношение: I₂/I₁=100/102=0,98, следовательно, токи отличаются лишь на 2%. В усовершенствованных схемах токового зеркала отношение токов удается сделать практически равным единице. Соотношение (5.1) получено в предположении идентичности транзисторов. Однако даже при выполнении транзисторов на одном кристалле и в едином технологическом цикле их ширина базы получается несколько различной и это приводит к тому, что при одинаковых напряжениях на переходе эмиттер-база токи базы оказываются неодинаковыми, а, следовательно, неодинаковыми будут и токи коллекторов.

Найдем соотношение аналогичное (5.1) при неодинаковых транзисторах, что будем учитывать с помощью напряжения смещения U_CM,полагая:

где V_T=кТ/q -температурный потенциал, к- постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура, q-заряд электрона, I_T(0)-тепловой ток базы. В (5.2) коэффициент m принят равным единице.

Из рис.5.1 следует, что:

Подставляя сюда I_Б(1) и I_Б(2) из (5.2), получим:

При U_CM=0 (5. 1^/) переходит в (5.1). Обычно величина U_CM составляет единицы милливольт, например, если U_CM=1,5 мВ, тогда при h₂₁=100 и V_Т=26 мВ:

т.е. учет разброса параметров транзисторов дает несколько большее, но все же незначительное различие в величине отношения их токов. Включением в цепь эмиттера транзистора резистора R_Э удается получить заданное отношение токов в схеме. Согласно рис.5.2 и полагая, что транзисторы в схеме одинаковые, запишем:

Следовательно,

(5.1^//)

Из (5.1^//) можно определить величину резистора при заданных токах I₁ и I₂

Последнее соотношение справедливо при h₂₁ >>1.

Рис.5.2

Рассмотрим применение ТЗ в интегральных схемах. В разделе 4.4 показано, что для ослабления синфазного сигнала на несимметричном выходе дифференциального каскада (ДК) необходимо вводить глубокую последовательную отрицательную обратную связь по току. Эта ООС осуществляется включением в эмиттерную цепь ДК сопротивления R_Э. Чем больше величина этого сопротивления, тем в целом глубже обратная связь и меньше уровень синфазного сигнала на несимметричном выходе дифференциального каскада. Поскольку в ЛИУ применение пассивных резисторов с большими номиналами исключено по причинам указанным во введении, то вместо резистора R_Э используют схему токового зеркала, включая его правую ветвь в схему ДК так, как изображено на рис. 5.3 а. Обведенная на рис.5.3а штриховыми линиями часть ТЗ является эквивалентом сопротивления R_Э дифференциального каскада. Стационарный ток I_Э выбирается из условия обеспечения необходимого тока покоя транзисторов VT1,VT2. Сопротивление постоянному току ветви, обведенной штриховой линией обычно не превышает единиц кОм. Дифференциальное сопротивление R_Э(дифф.) в заштрихованной ветви оказывается существенно больше.

Рис.5.3.а

Действительно, наличие резистора R_Э в эмиттере транзистора VT4 образует в правой ветви ТЗ последовательную ООС по току. Тогда, согласно результатам гл.3 (табл.3.1), дифференциальное сопротивление:

(5.4)

где g₂₂(VT4)- дифференциальная проводимость между коллектором и эмиттером транзистора VT4, K_Y(КЗ,VT4)=S₀(VT4)-крутизна транзистора VT4. Вследствие этого синфазный сигнал:

на несимметричном выходе, например, левого плеча ДК согласно (4.22) без дополнительного учета коэффициента будет ослаблен в величину

(5.5)

где , S₀(VT1), g_i(VT1)- крутизна и дифференциальная проводимость выходной цепи транзистора VT1, g_k=1/R_k, - коэффициент ослабления сигнала во входной цепи каскада, g₁₁- входная дифференциальная проводимость транзистора VT1. Как указано в разделе (4.4), это ослабление может быть существенным. Аналогичное ослабление синфазного сигнала будет и на правом плече ДК.

Детальное исследование показывает, что при больших номиналах резистора R_Э существует величина R_Э^*, при которой синфазный сигнал в выходной цепи полностью исчезает. Это происходит за счет явления просачивания синфазного сигнала из входной в выходную цепь по четырехполюснику обратной связи. При этом учитывается, что каскад изменяет полярность (фазу) выходного сигнала по отношению ко входному. Можно показать[cм. раздел 4.4.1.ч.1], что величина сопротивления R_Э^*, при которой синфазный сигнал полностью исчезает в выходной цепи оказывается равной:

.

Большая величина дифференциального сопротивления R_Э(дифф) приводит к тому, что при наличии входных сигналов U_а и U_б мгновенный ток в коллекторной цепи транзистора VT4-I₄(t) мало отличается от стационарного тока I_Э. Это обстоятельство позволяет считать правую ветвь токового зеркала рис.5.3.а, выделенную штриховыми линиями, источником тока с величиной I_Э и большим внутренним сопротивлением R_Э(дифф).По этой причине правую ветвь ТЗ полагают генератором стабильного тока (ГСТ) и упрощенно изображают схему дифференциального каскада с токовым зеркалом так, как показано на рис. 5.3.б.

Рис.5.3.б

5.2.Активная нагрузка в дифференциальных каскадах

При исследовании ДК в разделе 4.4 показано, что комплексный коэффициент усиления напряжения дифференциального сигнала на несимметричном выходе каскада имеет вид:

где

-коэффициент усиления напряжения каскада в области нижних и средних частот. Для получения высокого К₀ ,близкого к предельному: