4. Дифференциальные каскады. Схемотехника дифференциальных каскадов. Схемотехника компараторов

4.1. Дифференциальные каскады. Схемотехника дифференциальных каскадов усиления

Дифференциальный усилитель (ДУ) является одним из наиболее универсальных и распространенных видов усилителей. Он имеет два симметричных входа, и его функциональное назначение состоит в усилении разности входных сигналов.

Дифференциальный усилитель образует пара схем с общим истоком, где выводы истоков соединены друг с другом и подключены к общему источнику тока. В интегральных дифференциальных усилителях на МОП транзисторах вывод подложки n-канальных МОП-транзисторов соединяется с отрицательным напряжением питания, а p-канальных – с положительным. В качестве нагрузки дифференциальной пары могут использоваться резисторы и различные комбинации МОП-транзисторов: транзистор в диодном подключении, источники тока, токовое зеркало (отражатель тока).

Схема дифференциального каскада усиления на n-канальных транзисторах с резистивной нагрузкой и идеальным источником тока приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема дифференциального каскада усиления на n-канальных МОП-транзисторах с резистивной нагрузкой и идеальным источником тока

Сумма токов через источник тока постоянна:

, (4.1)

где – ток, протекающий через левую ветвь ДУ;

– ток, протекающий через правую ветвь ДУ.

В последующем изложении принимается, что . Кроме того, входные напряжения и заменяются синфазным напряжением и разностным напряжением :

, (4.2)

, (4.3)

Отсюда следует:

, . (4.4)

При равных входных напряжениях ( , ) реализуется симметричный режим, и ток от источника тока разделяется поровну между обоими транзисторами:

.

В этом случае для выходных напряжений можно записать:

,

где – напряжение питания (B).

Изменения синфазного напряжения называются синфазным сигналом. Он ничего не меняет в распределении тока, пока транзисторы и источник тока не подвергнутся перегрузкам. Следовательно, при синфазном сигнале выходные напряжения остаются неизменными. Усиление синфазного сигнала

. (4.5)

В идеальном случае равно нулю, но на практике оно характеризуется небольшой отрицательной величиной . Причиной тому служит наличие внутреннего сопротивления реального источника тока. При наличии разностного входного напряжения распределение тока изменяется, а вместе с ним меняются и выходные напряжения. Такой сигнал называют дифференциальным сигналом, а соответствующее усиление – дифференциальным коэффициентом усиления:

. (4.6)

Эта величина отрицательная и лежит в интервале . При использовании резистивной нагрузки или при замене их источником тока.

Отношение дифференциального коэффициента усиления к синфазному называется ослаблением синфазного сигнала:

. (4.7)

В идеальном случае и, следовательно, . В зависимости от внутреннего сопротивления источника тока реальный дифференциальный усилитель характеризуется ослаблением синфазного сигнала .

Среди особенностей дифференциального усилителя центральное место занимает следующее положение: он усиливает разностное напряжение между обоими входами независимо от напряжения синфазного сигнала, пока оно остается меньше некоторой предельной величины.

Таким образом, выходные напряжения в допустимом интервале определяются током источника тока, а не напряжением синфазного сигнала . Поэтому рабочая точка малосигнального режима также не зависит от в широких пределах. Хотя вслед за изменениями варьируются и некоторые другие напряжения, величины, определяющие положение рабочей точки (выходные напряжения и токи), остаются практически неизменными. Это качество отличает дифференциальный усилитель от всех остальных и облегчает установку рабочей точки и связей в многокаскадных усилителях. Здесь не нужны цепи для согласования уровней постоянного напряжения, например в виде разделительных конденсаторов связи.

Еще одно преимущество дифференциального усилителя заключается в подавлении влияния температурных колебаний в обеих ветвях, поскольку они действуют аналогично синфазной модуляции. В интегральных схемах по той же причине эффективно ослабляется влияние разброса параметров элементов, так как соседние транзисторы и резисторы дифференциального усилителя в первом приближении характеризуются допусками одного и того же знака.

На рис. 4.2 приведены малосигнальные эквивалентные схемы для разностного и синфазного сигналов для схемы ДУ.

а)

б)

Рис. 4.2. а) Дифференциальный n-канальный усилитель:

а – эквивалентная схема с общим истоком для разностного сигнала;

б – эквивалентная схема с общим истоком для синфазного сигнала

По малосигнальной эквивалентной схеме для синфазного сигнала найдем усиление синфазного сигнала A_Gl, выходное r_a,Gl и входное r_e,Gl сопротивления для синфазного сигнала:

, (4.8)

, (4.9)

, (4.10)

, (4.11)

, (4.12)

, (4.13)

, (4.14)

где S – крутизна транзистора по подложке (А/В).

Коэффициенты усиления разностного и синфазного сигналов могут быть выражены соответственно через выходные сопротивления для этих сигналов, что с учетом выражений (4.8) – (4.14) позволяет записать следующие основные соотношения для симметричного дифференциального усилителя:

, (4.15)

, (4.16)

. (4.17)