Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

схема все материалы / Лекционные материалы 2012 / 20 Дифференциальный усилительный каскад

.pdf
Скачиваний:
53
Добавлен:
09.02.2015
Размер:
230.88 Кб
Скачать

Дифференциальный усилительный каскад

Дифференциальный усилитель это усилитель с двумя входами и одним выходом, выходное напряжение которого при отсутствии нагрузки при рабо-

те от входных источников ЭДС определяется формулой uвых = uвх+K+ + uвх-K- (рис. 1).

Рис. 1

В идеальном случае коэффициенты передачи по отношению к обоим входам вещественны, равны по модулю и противоположны по знаку K+ = −K- = KД , где KД называется дифференциальным коэффициентом

усиления. В этом случае uвых = KД (uвх+ uвх- ) , т. е. усиливается разность

входных сигналов. Сигнал с одного из входов сохраняет знак. Этот вход на- зывается неинвертирующим. Сигнал с другого входа изменяет знак на проти- воположный. Этот вход называется инвертирующим.

K+ коэффициент передачи по отношению к неинвертирующему вхо- ду. K- коэффициент передачи по отношению к инвертирующему входу.

Входной сигнал на двух входах можно считать состоящим из дифферен-

циальной u

= u

u

и синфазной u

вхC

= uвх+ + uвх-

составляющих.

вхД

вх+

вх-

 

2

 

 

 

 

 

 

 

Идеальный дифференциальный усилитель реагирует только на дифференци- альную составляющую сигнала. Отличие дифференциального усилителя от идеального обусловлено тем, что K+ ¹ -K- . В этом случае дифференциаль-

ный коэффициент усиления равен KД =

 

K+

 

+

 

K-

 

, а коэффициент усиления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

синфазного сигнала равен KС =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K+

 

 

K-

 

,

 

выходной сигнал определяется

 

 

 

 

 

соотношением uвых = KДuД + KСuС , а отличие дифференциального усилите-

ля от идеального характеризуется коэффициентом ослабления синфазного

1

сигнала

КОСС =

 

 

KД

 

,

часто

выражаемым

в

децибелах

 

 

KС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОСС,дБ = 20lg(КОСС).

Эквивалентная схема реального дифференциального усилителя приве- дена на рис. 2.

Рис. 2

Здесь

iвх- = iвхС iвхД , iвх+ = iвхС + iвхД ,

iвхД = uвхД , RвхД

iвхC = uRвхC . вхC

В последнем соотношении учтено, что при uвхД = 0

RвхC = 2RвхC || 2RвхC .

На биполярных транзисторах дифференциальный усилительный каскад строится по схеме с эмиттерно-связанными транзисторами (рис. 3а).

2

Рис. 3

Выходом можно считать коллектор любого транзистора. Передаточная

характеристика по отношению к обоим входам данной схемы приведена на рис. 3б и выражается соотношениями

u

вых

= i

 

R

 

и

iк

=

 

 

1

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

к

к

 

 

I0

 

 

±uвхД

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e mUT

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При подаче синфазных напряжений на оба входа коллекторные напря-

жения остаются неизменными U

к1

= U

к2

= E

R

 

I0

до тех пор, пока тран-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п

к

2

 

зисторы находятся в активном режиме работы.

Для линеаризации передаточных характеристик используются варианты внутрикаскадной обратной связи (рис. 4).

Рис. 4

Рассмотрим работу этой схемы в малосигнальном приближении.

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K = Uвых1

= K

оэF

=

 

 

 

-g21Rк

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

Uвх1

 

 

 

 

 

1+ g21RF1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В качестве 2-полюсника в цепи общего электрода выступает

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

= 2R + R

 

 

 

 

= 2R +

1

 

 

 

= 1+ 2RF g21 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F1

 

 

 

 

F

 

 

 

вхоб

 

 

 

 

F

 

 

 

g21

 

 

g21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С учетом этого

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K1 =

 

 

 

 

 

 

-g21Rк

 

 

 

 

 

=

 

-g21Rк

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ 2RF g21

 

 

2(1+ R g

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ g21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

2

= Uвых1 = K

ок

K

вхоб

K

об

=

 

 

 

g21Rнок

 

 

 

 

 

 

Rвхоб

 

g R ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

вх2

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ g

 

R

 

 

 

 

 

R

+ 2R

 

 

21 к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21 нок

 

 

 

 

вхоб

 

 

F

 

 

 

 

 

 

где Rнок

 

нагрузочное сопротивления каскада ОК, которое представляет со-

бой R

 

= 2R

 

+

1

 

 

. Тогда коэффициент передачи по отношению ко вто-

 

 

 

 

 

 

 

 

нок

 

F

 

g21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рому входу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

 

æ

2R

 

+

 

 

1

 

ö

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21ç

 

 

 

 

 

 

÷

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g21Rк

 

 

 

 

 

 

K

2 =

 

 

 

 

 

 

 

 

è

 

 

 

 

 

 

 

g21 ø

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g21Rк =

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

æ

 

 

 

 

 

 

 

 

1

ö

 

1+ 2RF g21

 

2(1+ R g

 

)

 

 

 

 

 

 

1+ g21ç 2RF

+

 

 

 

 

÷

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è

 

 

 

 

 

 

 

g21 ø

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Как видно

 

K1

 

=

 

K2

 

=

 

 

 

g21Rк

 

 

 

 

, т. е. коэффициенты передачи по от-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

(1

+ RF g21)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ношению ко входу 1 и входу 2 равны по модулю и противоположны по зна- ку.

Несколько иная ситуация складывается, если в качестве генератора тока в цепи эмиттеров используется резистор (рис. 5а).

4

Рис. 5

Для простоты анализа линеаризующие резисторы из схемы исключим.

В этом случае

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K = Uвых1 = K

оэF

=

g21Rк

 

 

, где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

Uвх1

 

 

 

 

 

 

 

1+ g21RF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R0

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

=

 

R R

 

 

 

 

 

 

=

 

 

g

21

 

 

 

=

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 вхоб

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R0 + Rвхоб

 

 

 

 

R0 +

 

 

1

 

 

 

 

1+ R0g21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В результате

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g21Rк (1+ g21R0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K1 =

 

g21Rк

 

 

 

 

 

 

= −

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ 2g R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ g211+ g

21

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По отношению к другому входу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

2

= Uвых1

= K

оэF

K

об

=

 

 

 

g21Rнок

 

 

g

 

R , где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

вх2

 

 

 

 

 

1+ g R

 

 

 

 

21 к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

 

нок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rнок = R0 || Rвхоб =

 

 

 

 

R0

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ R g

21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

В результате

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g2

R R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

2

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21 0

 

 

 

 

 

 

 

g R =

 

 

 

 

 

21 0 к

.

 

 

 

 

1+ g

 

 

R + g

 

 

R

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

 

 

 

21 к

 

 

 

+ 2g R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

0

 

 

 

 

 

 

Дифференциальный коэффициент усиления равен

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KД =

 

K

+

 

 

+

 

K

-

 

 

=

g2 R R + g R (1+ g

 

R

)

=

 

 

g R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21 0 к

 

 

 

 

21 к

 

 

 

 

 

 

 

 

21 0

 

 

 

21 к .

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(1+ 2g21R0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

5

 

Кроме того, если 2g

R ?1, то

 

K

+

 

=

 

K

-

 

=

 

g21Rк

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент усиления синфазного сигнала

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KС =

 

K+

 

 

K-

 

=

 

g212 R0Rк g21Rк (1+ g21R0 )

=

 

g21Rк

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

+

2g21R0

 

 

 

 

1+ 2g21R0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и при условии 2g R ?1 получаем

 

K

С

Rк , а коэффициент ослабления

 

 

 

 

21 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2R0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

синфазного сигнала КОСС =

 

 

KД

 

 

= g

21

R .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KС

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из приведенных соотношений следует, что в схеме рис. 5 следует уве-

личивать сопротивление R0 в пределе используя генератор стабильного тока.

 

Входное сопротивление схемы для дифференциального сигнала

 

 

 

 

 

 

 

 

R = R

 

 

= R

 

 

= R

 

 

 

 

 

= 1+ g21RF .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вхД

вх1

 

 

 

вх2

 

 

 

 

вхоэF

 

 

 

 

g11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку для данной схемы RF =

 

 

 

R0

 

 

 

 

, получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ 2g21R0 , что при 2g

 

 

 

 

1+ R0g21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

=

1

 

R

 

 

?1 дает R

 

=

2

 

= 2R

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вхД

 

g11

1+ g21R0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вхД

 

 

 

 

 

вхоэ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g11

 

 

Для синфазного сигнала транзисторы оказываются включенными парал- лельно друг другу (соединены одноименные электроды) (рис. 6а).

Рис. 6

Это эквивалентно включению одного транзистора (рис. 6б), все мало- сигнальные проводимости которого удвоены gijэкв = 2gij . Тогда входное со-

противление для синфазного сигнала равно

6

RвхС = RвхоэF = 1+ 2g21RF = 1+ 2βg11R0 βR0. 2g11 2g11

По аналогичной методике оцениваются параметры различных модифи- каций схемы дифференциального усилителя.

7