10.3. Простейший усилитель переменного тока

Принципиальная схема простейшего усилительного каскада с резисторно-ёмкостными связями, выпол­ненного на одном биполяр­ном n-р-n-транзисторе, приведена на рис. 10.3.

Р езисторы R1 и R2 образуют делитель постоянного напряжения, подводимого к базе транзистора VT1. Соотношение R1 и R2 задает рабочую точку каскада – напряжение коллектора при отсутствии сигнала (точку покоя). Эмиттерное сопротивление R4 обеспечивает стабилизацию точки покоя при колебаниях U_п и температуры за счет сильной отрицательной обратной связи (пояснить). Коллекторное сопротивление R3 наряду с R4 обеспечивает режим работы транзистора по постоянному току. Компонент R_н – это нагрузка каскада, обладающая сопротивлением, а также паразитными пара­метрами: индуктивностью и ёмкостью. Паразитная ёмкость нагрузки включает ёмкость монтажа и входную ёмкость очередного каскада, подсоединённого к рассматриваемому каскаду.

Конденсатор С3 шунтирует R4, чтобы устранить ООС по переменному току и тем самым не допустить уменьшения коэффициента усиления переменного сигнала.

Конденсаторы С1 и С2 называются разделительными, они обеспечивают протекание переменного тока, но препятствуют протеканию постоянного тока.

На низких частотах сопротивление разделительных конденсаторов возрастает  образуется делитель напряжения и К_U падает.

При поступлении на вход каскада сигналов со средними часто­тами, ёмкостные сопротивления конденсаторов С1 и С2 низки, и они не оказывают значительного воздействия на функционирование устройства. Паразитное ёмкостное сопротивление нагрузки на средних частотах также мало. В результате на средних частотах усиление сигнала устройством наиболее велико.

При усилении сигнала высокой частоты паразитное ёмкостное сопротивление нагрузки весьма мало и оно значительно шунтирует выход каскада, что вызывает снижение усилительных свойств. Кроме того, с возрастанием частоты усиливается влияние емкостей транзистора и падает , так что по целому ряду причин К_U уменьшается на ВЧ даже при отсутствии емкости нагрузки.

10.4. Дифференциальный усилительный каскад

Дифференциальный усили­тель­ный каскад (рис. 10.4), иначе – дифференциальный усилитель (ДУ), имеет два входа и усиливает разность напряжений, приложенных к ним. Разность входных напряжений называется дифференциальным сигналом. Таким образом, входной сигнал ДУ U_вх.д = U_вх1 – U_вх2 , а его выходным сигналом является разность U_вых = U_вых1 – U_вых2 .

Коэффициент усиления дифференциального сигнала

При изменении U_вх.д в силу симметрии U_э не меняется, а изменения U_вх.д приводят к симметричному разнополярному изменению U_бэ обоих транзисторов. Таким образом, U_вх.д = ΔU_бэ1 – ΔU_бэ2 = 2 ΔU_бэ1.

Точно так же изменение тока ΔI_к обоих транзисторов одинаково и имеет противоположные знаки, а суммарный ток через R_э не меняется и U_э не меняется. Выходное напряжение U_вых = 2 ΔI_к1∙R_к.

Тогда мы можем определить К_у.д так же, как находили коэффициент усиления в схеме с ОЭ.

Отсюда

Если на оба входа подать одинаковое напряжение (синфазный сигнал U_вх.с), то коллекторные токи меняются одинаково, и выходной синфазный сигнал отсутствует: U_вых.с = U_вых1 – U_вых2 = 0. Сказанное относится к идеальному ДУ, в котором оба транзисторных каскада идеально симметричны. В реальном ДУ из-за разброса параметров резисторов и транзисторов при подаче входного синфазного напряжения U_вх.с = U_вх1 = U_вх2 возникает выходное напряжение U_вых.с ≠ 0. Отношение К_у.с = U_вых.с /U_вх.с называется коэффициентом усиления синфазного сигнала. Способность ДУ подавлять синфазный сигнал характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала К_ос.с = К_у.д/К_у.с . У хороших ДУ К_ос.с равен 80…100 дБ.

Для лучшего подавления синфазного сигнала лучше всего было бы, если бы коллекторные токи вообще не менялись при синфазном сигнале. Этого можно достичь, если вместо R_э установить источник тока I_г. При изменении U_вых.с , так как I_г = const, то и I_к1 = I_к2 = I_г /2 = const.

Еще один плюс установки источника тока – повышение R_вх (пояснить).

Как уже сказано, важнейшим параметром усилителя является К_у. Как правило, желательно иметь К_у как можно больше. Как этого достичь? Как следует из выражения для К_у.д., увеличения коэффициента усиления можно достичь, увеличивая сопротивление нагрузки. Но это не рационально, так как возрастает требуемое напряжение питания при том же токе и увеличивается выходное сопротивление каскада.

Р ешение проблемы заключается в замене резисторной нагрузки на транзисторный источник тока с высоким внутренним сопротивлением. Простейшая структура транзисторной нагрузки показана на рис. 10.5, а. Этот узел называют отражателем тока или токовым зеркалом. Задающим является ток I₁, отраженным – ток I₂. Напряжения база-эмиттер U_бэ транзисторов VT1 и VT2 равны. Если транзисторы выполнены на одном кристалле в едином технологическом процессе, то их параметры практически идентичны, и при достаточно большой величине h_21э токи также будут равны: I₁ = I₂.

Ток I_Г также - формируется транзисторным источником тока. Одна из распространенных схем (рис. 10.5, б) представляет собой модификацию отражателя тока.

ДУ является основным схемотехническим узлом аналоговых ИМС. Важным его достоинством является высокая стабильность при воздействии возмущающих факторов (температура, напряжение питания), так как они действуют на оба плеча одинаково.