0 U

U_КЭ=0,2 В ВU_КЭ  50 В U₀

Рабочий диапазон ИТ по графику - около 50 В, g₀  n*1 нСм

Обозначения ИТ в схемах: Пример ИТ на p-n-p- транзисторах:

- 50 В

I₀ g₀

Если необходим симметричный диапазонU:

+15 I₂ I₂

U₀

-14.8 0.2 35 50 U₀

-15 -15

Токовое зеркало Уилсона. Меньшая зависимость от коэффициента .

I₁ = I₂. I₂ = I₀ = I₃ - I_Б = I_K3 +2I_Б - I_Б =I_K3 + I_Б = I_K1 + I_Б I₁ I₂=I₀

I_K1=I_K3 ; I₂= I₀ =I₁, I₀  I₂  I₃  I_K3.

I₂  I_K3 I_Б1  I_Б2  I_Б3

g₀=I₀/U₀=g_КЭ/(1+)=(I₀/U₀)/(1+), g₀0.4 нСм T2 g_КЭ

I_K1 I₃ U₀

(I₁-I_Б2)=>(I_K1+I_Б1), т.е. произошла компенсация (I₁+I_Б)

T1 T3

1/I₀(dI₀/dU₀)=1/[U_A(1+)]=4*10^-3%

-U_ИП -U_ИП

I₁ I₂

Токоотвод с резистивным смещением. U_см T1 T2

Напряжение смещения U_см=I₁R1+U_БЭ1=I₂R2+U_БЭ2 R1 R2

при R1=0, R_K=R₀ - это схема для источников тока

в схемах с малыми токами:

U₂ = U₂R2 = U_БЭ1-U_БЭ2, R2 = (_T/I₂)ln(I₁/I₂).

Генератор пропорциональных токов (ГПТ).

Идентичные источники Т2-Т6 - источники отрицательных токов для p-n-p- транзисторов:

U_БЭi = const +U_ИП

U_R2 = U_R3 = U_R4 = U_R5 = U_R6

Задают токи в соответствующих цепях, R1 I₃ I₄ I₅ I₆

вычисляют сопротивления.

T1

R2 I₂ R3 R4 R5 R6

-U_ИП

ГПТ на расщепленном коллекторе.U_ИП

I_K2/I_K1 = A₂/A₁

I_Б I_K2

I₁ I_K1

Источники тока на МДПТ +U

1/I₀(dI₀/dU₀)  2% I₁ I₂=I₀ I₂

g_СИ = I_C/U_A

U_ПИ = 0 !!

U_си=U_ЗИ-U_пор U_СИ

I₂/I₁ = W₂/W₁ U_пробоя

I₁ I₀ +U I₀

-U

-U I₀ U₀ -U

1/I₀(dI₀/dU₀) = 0.002%. g₀ = g_СИ 1 мкСм

Формирователи тока на стандартных элементах:

ФТ вытекающего +U (3 B) ФТ втекающего

3.5

0.4

ТТЛ I₀ ТТЛ I₀

R_Н

-U

2. Источники напряжения . Источники напряжения вырабатывают сигнал, не зависящий от величины выходного тока либо типа нагрузки. От источника напряжения требуется низкий выходной импеданс и стабильность. В зависимости от преобладания последних свойств данные схемы подразделяются на

а) источники напряжения с низким импедансом по переменному току,

б) источники опорного напряжения для схем пороговой логики (ЭСЛ), в схемах диф. каскадов для общего смещения.

Основной элемент рассматриваемых схем - схема ЭП.

Преобразование импеданса транзистором в схеме ЭП. +U

Пусть I₀ увеличивается на I₀ , в результате

ток базы увеличится на

dI_Б = dI_Э/(+1)=dI₀/(+1)  dI_БR_Б = dI₀R_Б/(+1) 

U_БЭ = U_Б - U_R, U_R, U_БЭ  f[ln(I_Д/I_Д0)] . U_Б R_Б I₀

возрастает U_БЭ  dU_БЭ = (dU_БЭ/dI_Э)dI_Э = r_БЭdI_Э 

 (_Т/I_Э)dI_Э  dU₀= -dI_БR_Б-dU_БЭ = -[dI₀R_Б/(+1) +(_T/I_Э)dI₀=

-dI₀[R_Б/(+1)+r_БЭ]

R_вых = -dU₀/dI₀ = R_Б/(+1)+r_БЭ U₀

В реальном ИН есть зависимость номинала напряжения от температуры и изменений источника питания.

Примеры схем источников напряжения

U_ИП U_ИП

U_Н = U_ИПR2/(R1+R2)

U_см и U_н = f(U_ИП), т.к. I_R=f(U_ИП) R1 U_см I I

Z_вых = _T/I + R1R2/[(R1+R2)] A U_см

R2 Z_н U_H U_см=nU_Д

Z_вых=n_T/I

dU_см/dT=n *dU_БЭ/dT=-Z_H

В качестве генератора м.б.R

R>>Z_A

U_см=U_БЭ(1+R1/R2) при >>1,

R_вых = R1/+(R1+R2)/(g_mR2) = 50 - 200 Ом = dU_см/dI₀=(R1+R2)/(1+g_mR2)=

=U_см/U_БЭ [R2/(1+g_mR2)]

при g_mR2>>1 = R_вых = U_см/U_БЭ(1/g_m)= U_см/U_БЭ(_T/I_K), I

подбираем R1,R2 так, чтобы I_Б0.

Величина I = I_K + I_н R1 U_см

R2

Источники опорного напряжения.

Могут быть различные задания на параметры схемы: U_оп  f(T), U_оп  f(U_G), U_оп  f(I_н).

Чаще всего нужна температурная стабильность порядка 10^-4/град (ТКН = -2 мВ/град). Иногда схему опорника используют для подачи на вход источника напряжения это схема стабилизатора напряжения.

Пример схемы источника напряжения: +U_ИП

Т1 - стабилитрон, на нем падает напряжение

пробоя p-n- перехода Б-Э порядка 6-7В.I₀

U_Э2 = U_Э1-U_БЭ4-U_БЭ2 T4

U_K3=U_БЭ3

U_оп=U_Э2[R2/(R1+R2)]+U_К3[R1/(R1+R2)] BU_БЭ Т2

Т1 R1

ТКН=dU_оп/dT= R2 U_оп

Поскольку отношение сопротивлений не является функцией температуры, Т3

можно получить ТКН=0:

R2(dBU_БЭ/dT) = (2R2 - R1)dU_БЭ/dT,

R1/R2 - 2 = (dBU_БЭ/dT)/(-dU_БЭ/dT);  R1/R2 = 2+3мВ.град^-1./-2мВград^-1.

U_оп = 1.6 -2.5 В.

ТКН  410^-5 град^-1.

I₁I₂, U_К2=I₂R2=(R2/R3)U_БЭ. I₀

U_БЭ =U_БЭ1-U_БЭ2=_Tln(I₁/I₂),

d(U_БЭ/dT) = (_T/T)ln(I₁/I₂)>0, a dU_БЭ/dT <0.

Можно сделать ТКН U_оп  0

(R2/R3 =10 I₁/I₂  ТКН  0, U_оп  1,2 В ) I₁ R1 R2 U_оп

U_оп = U_БЭ3 + U_R2

U₂ Т3

U_оп = U_БЭ3 + (R2/R3)_T(lnI₁/I₂).

ТКН <0 >0

I₂ R3

Схемы сдвига уровня (высокий входной и низкий выходной импеданс)

U₂ = (U₁-nU_БЭ) U₁ U₂ = (U₁-U_БЭ)R2/(R1+R2) U₁

R_вых  (n+1)_T/I

R1

U₂

R2 U₂

U₁ - U₂ = U_БЭ(2+R1/R3)

U₁ Трансляторы уровня I R1

R1 I=(U_ИП-U₁-U_БЭ)/R1 U₁

U₂=R2*I U₂

U₂ K_U  -(R2/R1)_{по перем.току} R2

R3

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ КАСКАДЫ

Дифференциальные усилители (ДУ) - мостовые схемы с высоким коэффициеном подавления сигналов синфазных помех. К таким помехам относятся дрейф нуля из-за нестабильности источника питания U_ИП и температурный дрейф.

ДУ - это входной блок ОУ, самого распространенного класса АИС. Такая область применения связана с такими достоинствами схемы, как:

• высокая стабильность по постоянному току;

• 2 входа и 2 выхода;

• легко осуществляется сдвиг уровня выходного сигнала;

• легко строить инвертирующие и неинвертирующие усилители;

• выходной сигнал не зависит от величины входного сигнала, а только от разности входных сигналов, разностный усилитель.

Термины.

Если уровни U_вх1 и U_вх2, действующие во взаимно симметричных точках, изменяются одновременно, равны по амплитуде и одного знака, то это синфазное изменение сигналов.

Сигналы, равные по амплитуде, но противоположные по знаку, называются парафазными или дифференциальными.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КООС) - отношение выходного полезного сигнала к выходному синфазному сигналу (при условии, что полезный и синфазный входные сигналы имеют одинаковую амплитуду). КООС измеряется в децибеллах. Хороший ДУ - высокий КООС, отсюда применение ДУ для выделения полезного сигнала на фоне шумов.

Базовая схема ДУ. Идеальный ДК - полностью согласованная схема, т.е. полная идентичность симметричных элементов и параметров: R, I_0Д, r_Б, r_К, r_Э=_T/I_Э, А_Э1=А_Э2.

Если выход №2 рассматривать как

выход схемы - то другой вход вх.1

будет неинвертирующим, а вход-

вх.2 - инвертирующим.

+U

R_K I₁ I₂

U₁ вых2

вх1 вх2U₂ (1)

I₀

Произвольные сигналы на входах U₁ и U₂ (I₁ и I₂) можно представит в виде комбинации синфазных и парафазных сигналов:

U₁ = U_с/ф + U_п/ф , U₂ = U_с/ф - U_п/ф  U_с/ф = (U₁ + U₂)/2 ; U_п/ф = (U₁ - U₂)/2;

i₁ = i_с/ф + i_{п/ф ,} i₂ = i_с/ф - i_п/ф , i_с/ф = (i₁ + i₂)/2 ; i_п/ф = (i₁ - i₂)/2.

вх1 вх2 вх1 вх2

U₁ U₂ + ^{- + -}

U_п/ф/2 U_п/ф/2

U_с/ф

Теорема бисекции (расщепления, замещения).

При действии в схеме только синфазных сигналов потенциалы во взаимно симметричных узлах равны. Если соединить эти точки - ток будет равен нулю, поэтому эти точки можно разомкнуть и исследовать только половину схемы:

U₁=U₂=U_с/ф

U₁ U₂ U₁ U₂ U₁ U₂

Резисторы удваиваются, генераторы тока делятся пополам I₀/2. Покажем на типовой схеме.

R1 R3 R6 2R3 R6

вх1 вх2 Т3 R1 T3

T1

R4  U_вхс/ф Т1 2R4

R2

R5 2R2 2R5

При действии только парафазных сигналов рассматривается только приращения токов, они разнонаправлены, поэтому в перемычках тока не будет вследствие компенсации, потенциалы точек на оси симметрии не изменятся. Точки на схеме, не получающие приращений напряжений, можно заземлить.

R1 R6

U_1п/ф Т3

Т1

Рассматриваем токовую пару ДУ. Возможная неидентичность транзисторов ведет к рассогласованию коллекторных потенциалов, или напряжению смещения нуля U_0см:

пусть есть разница в падениях напряжений на р-n- переходах Т1 и Т2,

ее можно определить через начальные токи в уравнении Э.-М.:

I_Б1 I₁

, I_Б2 I₂

I₁ = I_K1 = I_K0exp(U_БЭ/_T) I₀

I₂ = I_K0exp[(U_БЭ2+U_0см)/_T],

I₁ + I₂ = I₀, отсюда можно получить систему уравнений для токов :

при U_0см=0 U_ = U₁-U₂ , a U_{п/ф(диф)} = (U₁-U₂)/2.

Передаточная характеристика каскада определяется следующим выражением:

.

Величина U_0см  1-2 мВ для кремниевых ИБТ. Изобразим характеристику переключения с учетом напряжения смещения нуля.

I₂/I₀ I₁/I₀

I₁ 0.99

A_Uc/ф = dU_вых/dU_с/ф =R_K/(r_вх + 2R₀),

r_вх = r_Э+(R1 +r_Б)/,

A_Uдифmax_Ud=0 = - I₀R_K/_T,

I₂ 0.01

-50 U_-U_0см +50 мВ

Ток переключается на 99% при U_=55 мВ.

Рассмотрим выходное напряжение и коэффициент усиления по напряжению в дифференциальном каскаде.

g_fдиф=I₁I₂/(I₀_T)=I₁(I₀-I₁)/(I₀_T), g_fсинф = g₀I₂/I₀.

.

Коэффициент усиления парафазного и синфазного сигнала в схеме ДУ.

Коэффициенты усиления для двух типов сигнала определяются при дифференцировании:

Для схем ДУ вводят характеристику проводимость всей схемы ДУ g_f :

g_f = g₀I₂/I₀,

если U_ = U₁ - U₂ , U_Б1 g_fU_ U₀₁

A_U1 = U₀₁/U_ = -g_fR_н,

A_U2 = U₀₂/U_ = g_fR_н. U_ g_f(U₁-U₂) R_н

g_f = I₁I₂/(I₀_T), g_{f max} = I₀/4_T,

I₀ = I₁ + I₂ U_Б2 g_fU_

U₀₁=-g_fR_нU_ U₀₂ R_н

U₀₂=g_fR_нU_.

ВДУ с симметричным выходом к-т усиления g_fU_

в2 раза выше:

A_U = U₀/U_ = -2g_fR_н,

R_н = 2R_нR_вх, R_н

A_U = -g_f/(G_н/2 + G_вх). U g_fU_ U₀= -2g_fR_нU_

R_н

Расчет коэффициента ослабления синфазного сигнала КООС.

Для схемы диф. Усилителя (рис. По раздаточному материалу)

I₁  I₃, I₃  I₄ , тогда ток узла 01

I₀₁ = I₄ - I₂  I₁ – I₂ Т3 Т4 Т7

g_f1синф = g₀I₁/I₀ I₀₁

g_f2синф = g₀I₂/I₀ Т5 Т6

g₀ = g₁₃

I₀₁ = I₁ – I₂ = (g_f1cинф-g_f2cинф)U_{вх.синф}= U₀₁ -U

= g₀₁₃U_вхсинф(I₁-I₂)/I₀ .

величина напряжения в узле 01 теперь

V_01синф=I₀₁/g_01 = [(I₁-I₂)/I₀](g₀₁₃/g_01)U_{вх.синф} . T1 T2

I₀

При помощи полученных выше выражений запишем уравнение для коэффициента

усиления синфазного сигнала в узле 01 рассматриваемой схемы

и КООС:

Дифференциальный каскад на МДПТ. I₁ I₂

U₁ I₀ U₂

T3 T4

U_вых=U₀₁

A_Uдиф60 -

U₁ T1 T2 U₂

Способы улучшения характеристик ДУ

Основные характеристики ДК:

напряжение смещения U_0см;

входные токи I_{вх1, вх2};

входное сопротивление R_вх; - U

коэффициент усиления дифференциального и синфазного сигнала А_uдиф, А_Uсинф и

КООС;

частотные характеристики.

Для увеличения коэффициента усиления по напряжению можно вести еще один ДК, но при этом увеличивается фазовый сдвиг.

Напряжение смещения связано с разностью падений напряжений на р-п-переходах входной пары транзисторов вследствие чего через них протекают разные эмиттерные (коллекторные) токи. Рассогласование коллекторных токов можно снизить, применяя эмиттерные сопротивления (эмиттерная отрицательная обратная связь, см. схему выше (1)). При этом уменьшается эффективная крутизна каскада. Правда, рассогласование собственно эмиттерных сопротивлений может ухудшить согласование коллекторных токов. Для согласования коллекторных токов на 1% требует согласованности эмиттерных сопротивлений гораздо лучше этой величины.

Включение эмиттерных сопротивлений также улучшают температурную стабильность ДК (до +/-3-10 мкВ/град).

R_Б

R_Э

R1 (1) (2)

Для сниженияU_K из-за эффекта модуляции ширины базы

Вставляют R_Э (около 70 кОм).

, А_Uсинф=-R_K/(2R₁+R_Э)0,5, Здесь R_K, 

А_Uдиф=5000

А_Uдиф=R_K/2(R_Э +r_Э)30-100.

Но входное сопротивление снижается от 250 до 50ком

Использование активной нагрузки (токового зеркала (2)) в качестве коллекторной нагрузки. Такой вариант обеспечивает высокое значение сопротивления нагрузки, благодаря этому коэффициент усиления достигает 5000 и выше (без внешней нагрузки, которая должна иметь большой импеданс). Для запитки транзисторов используют источники тока в каждой цепи (Э,Б,К).

I_Б

I_Б

Низкий КООС, много входных транзисторов.

Использование составных транзисторов Дарлингтона (3) (либо комплементарный вариант) позволяет увеличить входное сопротивление до 10-20 МОм и снизить входные токи до 5-10 нА, но при этом хуже согласование, поэтому лучше использовать каскодное включение. (4)

Для увеличения коэффициента усиления используют составные транзисторы, правда, повышаются требования к идентичности, поскольку ухудшается напряжение смещения. Частотные характеристики тоже будут хуже.

(3)

Составные транзисторы лучше по I_вх, R_вх (с к-том ²)

Лучший составной вариант – каскодная схема: 

+15

R_н

(4)

+3 Т2

I_K

R_и

Т1

Эффект Миллера. Транзистор имеет усилительные свойства, небольшой сигнал на входе порождает на коллекторе сигнал в А раз больший, на коллекторе инвертированный. Для источника сигнала емкость С_КБ в (А_U+1) раз больше, чем при подключении такой емкости между базой и землей. Емкость обратной связи ведет себя как конденсатор емкостью С_КБ(А_U+1), подключенный между входом и землей. Эффективное увеличение емкости К- перехода называется эффектом Миллера. Он играет основную роль в спаде усиления на высоких частотах.

Эффект Миллера можно устранить, используя усилительный каскад с ОБ. Чаще для этой цели применяют каскодное включение транзисторов, кроме того, каскоды дают хорошие результаты и для точности согласования. +U

Распространенный вариант ДУ:

I₁=I₂, I₃=I₄

I_B5=I_B6 Т3 Т4 Т7

I_E5=I_E6

I_E5=I_B3+I_B4, I_E6=I_B7

I_B7=I_B3+I_B4 Т5 Т6

I_K7=I₃+I₄=I₂+I₁=I₀

-U -U

T1 T2

I₀

Перечисленные выше варианты построения ДУ с изменением параметров схемы обусловлены, главным образом, требованиями ко входным каскадам операционных усилителей ОУ