4.5.3. Схема «токового зеркала»

В основной схеме, изображенной на рис. 4.25, эмиттерный потенциал возрастает на 2 мВ на каждый градус. Этот температурный эффект можно компенсировать путем уменьшения базового потенциала U_B на 2 мВ на каждый градус. Для этого можно соединить последовательно диод и резистор R₂, как показано на рис. 4.28.

Рис 4.28 Простая схема «токовото зеркала»

Тогда получим

Благодаря тому что ток Ia пропорционален току Ie, схема называется токовым зеркалом. Для того чтобы выполнялось соотношение U_BU_BEA, вместо диодов часто используют транзисторы, в которых коллектор соединен с базой (рис. 4.29).

Рис 4.29 Схема «токового зеркала» с транзистором в диодном включении

В этом режиме U_CE = U_BE > U_CEнас. Следовательно, T₁ ненасыщен. Поскольку U_BE1 = U_BE2, то при хорошо подобранных транзисторах I_B1 = I_B2 = I_B и I_C1 = I_C2 = BI_B. При этом

Таким образом, схема работоспособна и при закороченном эмиттерном резисторе. Однако его иногда используют для повышения внутреннего сопротивления источника тока и компенсации различия в параметрах пары T₁ и T₂.

4.6. Схема дарлингтона

В некоторых случаях, особенно при использовании эмиттерных повторителей, усиление по току одного транзистора оказывается недостаточным. В этих случаях цепь можно дополнить транзистором, согласно рис. 4.30. Полученную схему Дар-лингтона можно представить как некоторый транзистор с выводами Е', В и С. Рассчитаем его параметры.

Рис 4.30 Схема Дарлингтона

Поскольку эмиттерный ток T₁ равен базовому току T₂, то коэффициент усиления по току

Для расчета выходного сопротивления применим основные уравнения (4.6) и (4.7) к транзисторам T₁ и T₂ с учетом соотношений

Для того чтобы транзистор Т₂ быстрее закрывался, часто параллельно его переходу эмиттер-база включают сопротивление.

Комплементарная схема Дарлингтона

Можно также соединить параллельно два комплементарных транзистора для получения схемы Дарлингтона, приведенной на рис. 4.31.

Рис 4.31 Комплементарная схема Дарлингтона

При этом функции схемы определяются транзистором Т₁, тогда как транзистор T₂ служит лишь для усиления тока. Если, как показано на рис. 4.31, транзистор T₁ заменяется на транзистор р-n-р-типа, то вся схема ведет себя как р-n-р- транзистор с эквивалентными параметрами, полностью идентичными обычной схеме Дарлингтона. При этом, для того чтобы через транзистор T₁ протекал коллекторный ток, нужно приложить входное напряжение U_B’E’ = U_BE1 ~ 0>6 В.

Входное сопротивление схемы определяется как

Поскольку коллекторный ток Г, равен базовому току Гд, то через 7д протекает коллекторный ток:

Таким образом, коэффициент усиления по току

такой же, как и в предыдущей схеме. Для выходного сопротивления получим

4.7. Дифференциальные усилители

4.7.1. Основная схема

Дифференциальный усилитель-это симметричный усилитель постоянного напряжения с двумя входами и двумя выходами. Основная схема его представлена на рис. 4.32.

Рис 4.32 Основная схема дифференциального усилителя

Коэффициент усиления дифференциального сигнала

В общую эмиттерную цепь включен источник стабильного тока. Он обеспечивает постоянство суммы эмиттерных токов I_E1 + I_E2. При отсутствии сигнала U_e1= U_e2=0. В этом случае ток I_k вследствие симметрии равномерно распределяется между обоими транзисторами T₁ и T₂. Тогда получим

I_E1 = I_E2 = ¹/₂I_k

Пренебрегая базовым током, найдем

Эти соотношения не изменятся, если оба входных напряжения получат приращения на одну и ту же величину (синфазный сигнал). Так как в этом режиме коллекторные токи остаются равными друг другу, постоянна и разность выходных напряжений, т е коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю.

Если U_e1i > U_e2, то изменяется распределение токов в дифференциальном усилителе I_C1 увеличивается, а I_C2 уменьшается Их сумма при этом остается равной I_k. Поэтому

Таким образом, разность входных напряжений в отличие от синфазного управления вызывает изменение выходного напряжения.

Изменение напряжения база эмиттер, происходящее под воздействием температуры, действует как синфазный сигнал и, следовательно, не влияет на работу схемы. Поэтому дифференциальный усилитель хорошо приспособлен к работе в качестве усилителя постоянного тока. Из-за малого дрейфа дифференциальный усилитель используют также, когда требуется усилить не разность напряжений, а только входное напряжение. В этом случае один из двух входов имеет нулевой потенциал. При этом U_D = U_e или U_D = -U_e в зависимости от того, какой вход использован.

Для точного определения коэффициента усиления по напряжению разложим входные напряжения на две части -напряжение синфазного сигнала U_G1 и дифференциальное напряжение U_D:

Рассмотрим сначала случай подачи дифференциального сигнала, т е выберем

При этом из соображений симметрии понятно, что эмиттерный потенциал останется постоянным и равным

Таким образом, оба транзистора как бы включены в схему с общим эмиттером и обеспечивают следующие коэффициенты усиления по напряжению

Следовательно, приращения коллекторных напряжений равны, имеют противоположные знаки и по величине вдвое меньше, чем в схеме с общим эмиттером, так как входное напряжение равномерно распределяется между двумя транзисторами.

Чтобы определить коэффициент усиления синфазного сигнала, будем считать, что в эмиттерную цепь включен источник тока с внутренним сопротивлением г_k. Если к обоим входам приложить одно и то же напряжение U_Gl, то ток равномерно распределится между обоими транзисторами. При этом они работают как два параллельно включенных эмиттерных повторителя с общим эмиттерным сопротивлением r_k. Поэтому эмиттерный потенциал изменяется на dU_Gl, а приращение тока равно dI_k = dU_Gl/r_k. Приращения коллекторных токов в два раза меньше, причем каждое из них вызывает на своем коллекторе синфазное изменение выходного напряжения

Отсюда получим коэффициент усиления синфазного сигнала

Типовое значение коэффициента усиления дифференциального сигнала составляет 50100, а синфазного-10^-3.

Параметром качества дифференциального усилителя является отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала. Оно называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала

Из числового примера, приведенного в разд. 4.5.1, для источника тока величиной 1 мА получим внутреннее сопротивление 6,7 МОм.

Крутизна характеристики транзистора при I_C = ¹/₂I_k = 0,5 мА составляет

S = 0,5 мА/26 мВ = 19 мВ/В.

При этом коэффициент ослабления синфазного сигнала G примерно равен 130000 = 102 дБ. Практически в большинстве случаев получается более низкое значение и, кроме того, выходные напряжения изменяются не синфазно в отличие от результата, приведенного в формуле (4.38). Это можно объяснить тем, что параметры транзисторов лишь приближенно равны тем, которые приняты в расчете. Поэтому верхняя граница коэффициента ослабления синфазного сигнала определяется исходя из разброса параметров пары транзисторов. Для двух транзисторов дифференциальной пары эта величина достигает 80100 дБ. Вследствие наличия паразитных емкостей коллектор-база модуль коэффициента синфазного усиления увеличивается с ростом частоты и, следовательно, уменьшается коэффициент ослабления синфазного сигнала. Граничная частота ослабления синфазного сигнала намного ниже, чем для дифференциального усиления, так как частотнозависимым сопротивлением в первом случае является высокоом-ное сопротивление источника тока, а во втором - сравнительно низкоомное коллекторное сопротивление R_C. Типовая частотная характеристика, представленная на рис. 4.33, обеспечивает коллекторный ток, равный 1 мА. При меньших токах частотная характеристика располагается ниже.

Рис 4.33 Частотная характеристика коэффициента дифференциального усиления A_D и коэффициента ослабления синфазного сигнала G