1.2.Малосигнальные усилительные параметры ду

Проведем анализ работы ДУ с целью определения его усилительных параметров при различных схемах включения источников сигнала и подключения нагрузки. Для упрощения расчетов будем считать, что внутреннее сопротивление генератора тока имеет конечную величину.

В схеме рис. 4.3, а генератор стабильного тока моделируется резистором R_э и источником напряжения Е_К^- – U_эб.

Рис. 4.3. Распределение потенциалов и токов в схеме ДУ: а эквивалентная схема ДУ по переменному току; б — эквивалентная схема входной цени ДУ

Предположим также, что схема рис. 4.3, а абсолютно симметрична, т. е. сопротивления резисторов, входящих в каждое плечо, и параметры транзисторов одинаковы. Предполагаются одинаковыми и входные сопротивления транзисторов VT1, VT2. Допустим также, что внутреннее сопротивление источника сигнала R_г намного меньше входного сопротивления, а напряжение U_г близко к нулю.

Так как схема ДУ симметрична, то ток I₀ делится поровну между усилительными транзисторами. В режиме малого сигнала приращение коллекторных токов I_к много меньше 0,5I₀. Во входной цепи усилителя от источника U_г течет ток сигнала:

I_вх = I_c = U_г / (R_г + 2h_11э) = U_г /(2 h_11э).

Цепь входного сигнала показана на рис. 4.3, б пунктирной линией. В базу транзистора VT1 ток втекает, и его коллекторный ток увеличивается, а из базы транзистора VT2 вытекает, и коллекторный ток уменьшается. Соответственно на коллекторных резисторах создаются приращения выходных сигналов

U_RК = ± IR_к = ± I_гR_к

Подставив в приведенное выражение значение входного тока, определим дифференциальный коэффициент усиления

К_д = U_вых/U_вх = 2R_к /(2h_11э) = SR_к, (4.1)

где S = I_к/U_эб =/h_11э — крутизна усиления транзистора.

Минимальный коэффициент усиления по напряжению ДУ соответствует К_Uэ для одиночного каскада с ОЭ. Это происходит потому, что в режиме, близком к балансу, на каждый транзистор поступает половинное входное напряжение U_вх/2 а приращения сигналов между выходами двух транзисторов суммируются. В этом режиме крутизна усиления наибольшая.

Формула (4.1) верна как для биполярных, так и для униполярных дифференциальных каскадов, усилительные транзисторы которых имеют крутизну S. Если в выражение (4.1) подставить значение крутизны биполярного транзистора

S=I_э/_T = I₀/2_T,

то получим зависимость К_д от тока

К_д = R_к I₀ /(2_T).

Дифференциальный коэффициент усиления биполярного ДУ прямо пропорционален сопротивлению нагрузки R_к, уровню тока I₀ и обратно пропорционален температурному коэффициенту. Значение К_Д от коэффициента  не зависит (при »1).

На рис. 4.3, б показана малосигнальная эквивалентная схема входной цепи ДУ, нагружающая дифференциальный источник сигнала. Так как эмиттерный ток каждого транзистора в (+1) раз превышает базовый, то сопротивление резистора пересчитывается в контур входного тока с коэффициентом (+1). Так как сопротивление R_э велико, то можно считать, что входное дифференциальное сопротивление ДУ, наблюдаемое между его входами Вх. 1 и Вх. 2:

.

Рис. 4.4. Определение коэффициента передачи синфазного сигнала: а — схема для расчета синфазного коэффициента передачи; б — эквивалентная схема входного сопротивления ДУ для синфазного сигнала; в — обобщенная эквивалентная схема входной цепи ДУ

Рассмотрим теперь случай, когда оба входа ДУ объединены и на них подан общий синфазный сигнал Е_с. (см. рис. 4.4). В синфазном режиме за счет тока синфазного сигнала I_сс/2 уровень тока I_c увеличивается на величину I_cc(+1) . Соответственно приращение коллекторных токов составляет I=0,5 I_сс. На рис. 4.4, б показана эквивалентная схема входной цепи ДУ для синфазного сигнала. Так как

,

то приращение коллекторного напряжения

.

Таким образом, если входное сопротивление транзистора много меньше сопротивления R_э, то абсолютное значение коэффициента синфазной передачи

К_с = R_к/2R_э (4.2)

и уровень тока I_cc оказывается тем меньше, чем больше выбрано сопротивление резистора R_э. Выражение (4.2) приблизительно, так как оно не отражает увеличение К_с за счет асимметрии плеч ДУ и не учитывает R_г. Реально К_с имеет большое число составляющих, которые сложным образом зависят от разбаланса элементов, структуры схемы и частоты сигнала.

Если синфазная ошибка накладывается на выходной дифференциальный сигнал одного плеча, то ее можно пересчитать во входную цепь через полный дифференциальный коэффициент усиления, т. е. К_д. Выходные синфазные ошибки усиления сигнала, приведенные к входу, позволяют определить минимальный уровень входного сигнала между входами, который может быть обнаружен на фоне выходных сигнальных ошибок.

Таким образом, напряжение Е_г, присутствующее на входах ДУ, вызывает между этими входами эквивалентное дифференциальное напряжение ошибки

Качество ДУ характеризуется отношением К_с/К_д., показывающим способность ДУ различать малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного напряжения. Отношение

пригодно для анализа любых (полевых и биполярных) ДУ.

Для биполярного ДУ

.

Наиболее часто используется логарифмическая форма этого параметра: относительное ослабление синфазного сигнала (ООСС)

ООСС = 20 lg (К_с / К_д)

Для современных полупроводниковых ДУ значение ООСС находится в пределах от –60 до –100 дБ.

Синфазное входное сопротивление R_с, как и К_с, определяется выходным сопротивлением генератора стабильного тока R_э. Значение R_с всегда на несколько порядков больше, чем R_{вх д}.:

.

На рис. 4.4, в показана обобщенная схема входной цепи ДУ. Согласно этой схеме между входами ДУ наблюдается сопротивление R_{вх д}. Им нагружается источник дифференциального сигнала. Эквивалентное сопротивление 2R_{вx c} включается между каждым входом и общей шиной, поэтому в режиме подачи синфазного сигнала этот источник нагружается на сопротивление R_{вх с}. Выходное сопротивление ДУ определяется параллельным включением резистора коллекторной нагрузки R_к и выходным сопротивлением усилительного транзистора.