
0 U
UКЭ=0,2 В ВUКЭ 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 диапазонU:
+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
-
IБ
= IK3
+2IБ
- IБ
=IK3
+
IБ
= IK1
+
IБ
I1
I2=I0
IK1=IK3 ; I2= I0 =I1, I0 I2 I3 IK3.
I2
IK3
IБ1
IБ2
IБ3
g0=I0/U0=gКЭ/(1+)=(I0/U0)/(1+),
g00.4
нСм
T2 gКЭ
IK1
I3
U0
(I1-IБ2)=>(IK1+IБ1),
т.е.
произошла
компенсация
(I1+IБ)
T1 T3
1/I0(dI0/dU0)=1/[UA(1+)]=4*10-3%
-UИП
-UИП
I1 I2
Токоотвод
с резистивным смещением. Uсм
T1 T2
Напряжение
смещения Uсм=I1R1+UБЭ1=I2R2+UБЭ2
R1 R2
при
R1=0, RK=R0
- это схема для источников тока
в схемах с малыми токами:
U2 = U2R2 = UБЭ1-UБЭ2, R2 = (T/I2)ln(I1/I2).
Генератор пропорциональных токов (ГПТ).
Идентичные источники Т2-Т6 - источники отрицательных токов для p-n-p- транзисторов:
UБЭi
=
const +UИП
UR2
=
UR3
=
UR4
=
UR5
=
UR6
Задают
токи в соответствующих цепях, R1
I3
I4
I5
I6
вычисляют
сопротивления.
T1
R2
I2
R3 R4 R5 R6
-UИП
ГПТ
на расщепленном коллекторе.UИП
IK2/IK1
= A2/A1
IБ
IK2
I1
IK1
Источники
тока на МДПТ +U
1/I0(dI0/dU0)
2% I1
I2=I0
I2
gСИ
=
IC/UA
UПИ
= 0 !!
Uси=UЗИ-Uпор
UСИ
I2/I1
= W2/W1
Uпробоя
I1
I0
+U
I0
-U
-U I0 U0 -U
1/I0(dI0/dU0) = 0.002%. g0 = gСИ 1 мкСм
Формирователи тока на стандартных элементах:
ФТ вытекающего +U (3 B) ФТ втекающего
3.5
0.4
ТТЛ
I0
ТТЛ
I0
RН
-U
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
dIБ
= dIЭ/(+1)=dI0/(+1)
dIБRБ
= dI0RБ/(+1)
UБЭ
=
UБ
-
UR,
UR,
UБЭ
f[ln(IД/IД0)]
. UБ
RБ
I0
возрастает
UБЭ
dUБЭ
= (dUБЭ/dIЭ)dIЭ
= rБЭdIЭ
(Т/IЭ)dIЭ dU0= -dIБRБ-dUБЭ = -[dI0RБ/(+1) +(T/IЭ)dI0=
-dI0[RБ/(+1)+rБЭ]
Rвых = -dU0/dI0 = RБ/(+1)+rБЭ U0
В реальном ИН есть зависимость номинала напряжения от температуры и изменений источника питания.
Примеры схем источников напряжения
UИП
UИП
UН
= UИПR2/(R1+R2)
Uсм
и Uн
= f(UИП),
т.к. IR=f(UИП)
R1 Uсм
I I
Zвых
= T/I
+ R1R2/[(R1+R2)]
A
Uсм
R2
Zн
UH
Uсм=nUД
Zвых=nT/I
dUсм/dT=n
*dUБЭ/dT=-ZH
В качестве генератора м.б.R
R>>ZA
Uсм=UБЭ(1+R1/R2) при >>1,
Rвых
= R1/+(R1+R2)/(gmR2)
= 50 - 200 Ом = dUсм/dI0=(R1+R2)/(1+gmR2)=
=Uсм/UБЭ
[R2/(1+gmR2)]
при
gmR2>>1
=
Rвых
= Uсм/UБЭ(1/gm)=
Uсм/UБЭ(T/IK),
I
подбираем
R1,R2 так, чтобы IБ0.
Величина
I = IK
+ Iн
R1 Uсм
R2
Источники опорного напряжения.
Могут быть различные задания на параметры схемы: Uоп f(T), Uоп f(UG), Uоп f(Iн).
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:
+UИП
Т1
- стабилитрон, на нем падает напряжение
пробоя
p-n- перехода Б-Э порядка 6-7В.I0
UЭ2
= UЭ1-UБЭ4-UБЭ2
T4
UK3=UБЭ3
Uоп=UЭ2[R2/(R1+R2)]+UК3[R1/(R1+R2)]
BUБЭ
Т2
Т1
R1
ТКН=dUоп/dT=
R2 Uоп
Поскольку
отношение сопротивлений не является
функцией температуры, Т3
можно получить ТКН=0:
R2(dBUБЭ/dT)
= (2R2 - R1)dUБЭ/dT,
R1/R2 - 2 = (dBUБЭ/dT)/(-dUБЭ/dT); R1/R2 = 2+3мВ.град-1./-2мВград-1.
Uоп = 1.6 -2.5 В.
ТКН 410-5 град-1.
I1I2,
UК2=I2R2=(R2/R3)UБЭ.
I0
UБЭ =UБЭ1-UБЭ2=Tln(I1/I2),
d(UБЭ/dT)
= (T/T)ln(I1/I2)>0,
a dUБЭ/dT
<0.
Можно
сделать ТКН Uоп
0
(R2/R3
=10
I1/I2
ТКН
0, Uоп
1,2 В
) I1
R1 R2 Uоп
Uоп
= UБЭ3
+ UR2
U2
Т3
Uоп
= UБЭ3
+ (R2/R3)T(lnI1/I2).
ТКН
<0 >0
I2
R3
Схемы сдвига уровня (высокий входной и низкий выходной импеданс)
U2
= (U1-nUБЭ)
U1
U2
= (U1-UБЭ)R2/(R1+R2)
U1
Rвых
(n+1)T/I
R1
U2
R2 U2
U1
- U2
= UБЭ(2+R1/R3)
U1
Трансляторы уровня
I R1
R1
I=(UИП-U1-UБЭ)/R1
U1
U2=R2*I
U2
U2
KU
-(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 UИП 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 Uвх1 и Uвх2, 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, I0Д, rБ, rК, rЭ=T/IЭ, АЭ1=АЭ2.
Если выход №2 рассматривать как
выход
схемы - то другой вход вх.1
будет
неинвертирующим, а вход-
вх.2 - инвертирующим.
+U
RK
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 = Uс/ф + Uп/ф , U2 = Uс/ф - Uп/ф Uс/ф = (U1 + U2)/2 ; Uп/ф = (U1 - U2)/2;
i1 = iс/ф + iп/ф , i2 = iс/ф - iп/ф , iс/ф = (i1 + i2)/2 ; iп/ф = (i1 - i2)/2.
вх1
вх2 вх1
вх2
U1
U2
+
-
+ -
Uп/ф/2
Uп/ф/2
Uс/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=Uс/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
Uвхс/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
U1п/ф
Т3
Т1
Рассматриваем токовую пару ДУ. Возможная неидентичность транзисторов ведет к рассогласованию коллекторных потенциалов, или напряжению смещения нуля U0см:
пусть есть разница в падениях напряжений на р-n- переходах Т1 и Т2,
ее
можно определить через начальные токи
в уравнении Э.-М.:
IБ1
I1
,
IБ2
I2
I1 = IK1 = IK0exp(UБЭ/T) I0
I2 = IK0exp[(UБЭ2+U0см)/T],
I1 + I2 = I0, отсюда можно получить систему уравнений для токов :
при
U0см=0
U
= U1-U2
, a Uп/ф(диф)
= (U1-U2)/2.
Передаточная характеристика каскада определяется следующим выражением:
.
Величина U0см 1-2 мВ для кремниевых ИБТ. Изобразим характеристику переключения с учетом напряжения смещения нуля.
I2/I0
I1/I0
I1
0.99
AUc/ф = dUвых/dUс/ф =RK/(rвх + 2R0),
rвх = rЭ+(R1 +rБ)/,
AUдифmaxUd=0 = - I0RK/T,
I2
0.01
-50 U-U0см +50 мВ
Ток переключается на 99% при U=55 мВ.
Рассмотрим выходное напряжение и коэффициент усиления по напряжению в дифференциальном каскаде.
gfдиф=I1I2/(I0T)=I1(I0-I1)/(I0T), gfсинф = 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 gf :
gf = g0I2/I0,
если
U
= U1
- U2
, UБ1
gfU
U01
AU1
= U01/U
= -gfRн,
AU2
= U02/U
= gfRн.
U
gf(U1-U2)
Rн
gf
= I1I2/(I0T),
gf
max
= I0/4T,
I0
= I1
+ I2
UБ2
gfU
U01=-gfRнU U02 Rн
U02=gfRнU.
ВДУ с симметричным выходом к-т усиления
gfU
в2 раза выше:
AU
= U0/U
= -2gfRн,
Rн
= 2RнRвх,
Rн
AU
= -gf/(Gн/2
+ Gвх).
U
gfU
U0=
-2gfRнU
Rн
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
gf1синф
= g0I1/I0
I01
gf2синф
= g0I2/I0
Т5
Т6
g0
=
g13
I01 = I1 – I2 = (gf1cинф-gf2cинф)Uвх.синф= U01 -U
= g013Uвхсинф(I1-I2)/I0 .
величина
напряжения в узле 01 теперь
V01синф=I01/g01
= [(I1-I2)/I0](g013/g01)Uвх.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
Uвых=U01
AUдиф60 -
U1 T1 T2 U2
Способы улучшения характеристик ДУ
Основные характеристики ДК:
напряжение смещения U0см;
входные токи Iвх1, вх2;
входное сопротивление Rвх; - U
коэффициент усиления дифференциального и синфазного сигнала Аuдиф, АUсинф 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).
RБ
RЭ
R1
(1) (2)
Для
сниженияUK
из-за эффекта модуляции ширины базы
Вставляют RЭ (около 70 кОм).
,
АUсинф=-RK/(2R1+RЭ)0,5,
Здесь RK,
АUдиф=5000
АUдиф=RK/2(RЭ +rЭ)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).
IБ
IБ
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 Iвх, Rвх (с к-том 2)
Лучший составной вариант – каскодная схема:
+15
Rн
(4)
+3
Т2
IK
Rи
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 СКБ в (АU+1) раз больше, чем при подключении такой емкости между базой и землей. Емкость обратной связи ведет себя как конденсатор емкостью СКБ(АU+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
IB5=IB6
Т3 Т4 Т7
IE5=IE6
IE5=IB3+IB4,
IE6=IB7
IB7=IB3+IB4
Т5
Т6
IK7=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