3 Аналоговые интегральные схемы

3.1 Дифференциальный усилитель. Режимы работы

Дифференциальный усилитель (ДУ) усиливает разность входных сигналов (рисунок 3.1). Его можно строить на биполярных и униполярных транзисторах. Он представляет собой параллельно-балансный каскад или сбалансированный мост. Строится на двух усилителях постоянного тока с общим эмиттерным сопротивлением R_э. Коллекторные нагрузки R_к1 = R_к2. Идентичные транзисторы VT₁ и VT₂ вместе с резисторами R_к1 и R_к2 представляют собой плечи моста, в одну диагональ которой включен источник питания Е_к, в другую – нагрузка R_н.

П итание каскада осуществляется от двух источников , следовательно, суммарное напряжение питания . С помощью снижается потенциал эмиттеров относительно общей точки, при этом отпадает необходимость в дополнительном источнике компенсирующей ЭДС.

Рассмотрим возможные режимы работы ДУ.

а) режим покоя. Оба входа закорочены на землю, т.е. ; Напряжения база-эмиттер покоя равны минус U_э

следовательно,

,

.

Оба транзистора открыты, работают в активном режиме. Текут токи покоя . Они создают одинаковое падение напряжения на R_к1 и R_к2. Следовательно, , а

. Токи эмиттеров , .

Достоинства схемы:

а) не нужен источник компенсирующей ЭДС;

б) уменьшается дрейф от нестабильности напряжения питания и от температурной нестабильности. Например, при увеличении Е_к или температуры окружающей среды приращение напряжения на коллекторе одинаковые по величине и по знаку, следовательно .

б) режим со входным сигналом. Рассмотрим три способа подачи сигнала

1) сигнал е_с подается между базами транзисторов (рисунок 3.2,а).Тогда , . Приращение коллекторных токов , приращение коллекторных напряжений . Выходное напряжение .

Приращения токов эмиттеров .Общий эмиттерный ток является постоянной величиной. На эмиттере нет приращения напряжения, также постоянно. Т.е. имеет место стабилизация напряжения по постоянной составляющей, отсутствует обратная связь по переменной составляющей.

2 ) сигнал подается на одну из баз, а другая база заземлена (рисунок 3.2,б) – дифференциальный вход

, увеличивается ток базы . Следовательно, увеличивается ток коллектора и ток эмиттера . Напряжение на коллекторе уменьшается. Сумма эмиттерных токов постоянна. Следовательно, , , . Выходное напряжение, как и в предыдущем случае .

3) сигналы поданы на обе базы на базу первого транзистора, ‑ на базу второго. Здесь справедлив принцип суперпозиции и , где к – коэффициент усиления усилителя.

3.1.1 Дифференциальный усилитель с генератором стабильного тока

Разность входных сигналов называется дифференциальным сигналом.

Синфазный сигнал – сигнал, действующий одновременно на обоих входах усилителя – помеха, влияние которой надо уменьшить. Для уменьшения действия синфазного сигнала необходимо стабилизировать ток эмиттера. Например, допустим, что на оба входа действует синфазное напряжение, стремящееся увеличить токи коллекторов I_к1 и I_к2, а их сумма равна I_э, которая является постоянной величиной. Т.е. ток коллектора не будет увеличиваться, и напряжения коллекторов и выходное не будет изменяться. Для стабилизации тока эмиттера можно увеличить . Но тогда необходимо увеличить напряжение питания, а его не нужно изменять. Поэтому вместо эмиттерной нагрузки целесообразно ставить источник тока или генератор стабильного тока (ГСТ). ГСТ – это транзисторный каскад, у которого небольшое сопротивление по постоянному току, а по переменному – велико (рисунок 3.3).

В схему ГСТ входят: транзистор VT₃, диод VD, резисторы R₁, R₂, R₃ и источник питания -Е_э.

Ток I_э является сумой токов эмиттеров транзисторов VT₁ и VT₂ дифференциального усилителя и задается он генератором стабильного тока на VT₃. Схема ГСТ – это усилитель по схеме с общей базой. Его выходное сопротивление много больше R_Э в схеме на рисунке 3.1. Смещение на базу VT₃ подается через делитель R₁, VD, R₂. Диод VD служит для термокомпенсации.

По первому закону Кирхгофа справедливо . Ток I₁ является постоянным, так как R₁ большое ( )и от температуры не зависит.

При повышении температуры входная характеристика VT₃ смещается влево, т.е. увеличивается ток эмиттера I_э3. Одновременно уменьшается сопротивление диода VD, увеличивается ток I₂, следовательно, уменьшается ток I_б3, равный I₁ ‑ I₂. Ток I_к3 =  I_б3 также уменьшится. Ток эмиттера ДУ I_э поддерживается стабильным.

Определим I_э аналитическим путем.

Так как I_б3  I_э и можно считать I_э3  I_к3 = I_э, то

. (3.1)

Поскольку I_б3  I₁, то I₁ = I₂. Из рисунка 3.3 находим

. (3.2)

Из (3.1), учитывая, что находим I_э

, т.е. ток I_э зависит от температуры незначительно, что и требуется от ГСТ.