4.7.5 Балансные усилители

В транзисторных и интегральных усилителях распространение получили усилители параллельного баланса (рисунок 7.5).

Рисунок 7.5 – Схемы усилителей параллельного баланса с симметричными

входами и выходами на биполярных (а) и полевых (б)

транзисторах

Активные элементы VT1 и VT2 образуют два плеча моста. Еще два плеча образованы резисторами R1 и R2. Эмиттирующие электроды активных элементов имеют общий резистор R_э. Источник входного напряжения u_вх включен между управляющими электродами активных элементов, а выходным напряжением u_вых является напря­жение между выходными электродами. Таким образом, данный УГС имеет симметричные вход и выход.

Если элементы симметричных плеч одинаковы, т. е. R1= R2, и параметры активных элементов VT1 и VT2 оди­наковы, то при u_вх = 0 мост сбалансирован и u_вх = 0. Из­менение напряжения питания, температуры окружающей среды и других факторов в симметричной мостовой схеме приводит к одинаковому изменению токов i₁ и i₂. В ре­зультате напряжения выходных электродов (коллекторов или стоков) изменяются одинаково, и разность напряже­ний между ними по-прежнему остается равной нулю.

Под действием напряжения и_вх изменения напряже­ний управляющих электродов оказываются одинаковыми по значению и противоположными по полярности (фазе): и_вх/2 и – и_вх/2. Эти напряжения вызывают изменения токов i₁ и i₂ таким образом, что ∆i₁ = –∆i₂.Напряжение на резисторе R_э при этом не изменяется, так как

∆и₃ = (∆i₁ + ∆i₂)R_э = 0.

Это означает, что для парафазных напряжений резистор R_э не является резистором R₁ и R₂ образуют однокаскадные усилители без ООС. Коэффициент усиления можно определить, используя эквивалентные схемы отдельных каскадов, представленные на рисунке 7.5. Знаки «минус» перед обозначениями генераторов тока отображают инвертирующие свойства каждого каскада.

В соответствии с этими схемами имеем:

откуда

u_вых = u_вых1 – u_вых2 = – SRu_вх

и

(7.3)

К_{u п.б.} = u_вых/ u_вх = – SR

где

(7.4)

Рисунок 7.5 – Эквивалентные схемы левого (а) и правого (б) плеч

усилителя параллельного баланса

Сравнение выражений (7.3) и (5.15) показывает, что усилитель параллельного баланса имеет такой же коэффициент усиления, что и усилительный каскад без ООС.

4.7.6 Дифференциальные усилители

Дрейф нуля практически отсутствует в схемах параллельно-балансных УПТ, называемых дифференциальными усилителями (ДУ). Они отличаются от балансных усилителей наличием двух несимметричных входов, Интегральные ДУ строятся по принципу уравновешенного моста (рисунок 7.6), образованного идентичными транзисторами VT1, VT2 и резисторами R_к1, R_к2 (отметим, что во всех интегральных схемах роль резисторов выполняют динамические сопротивления – определенным образом включенные транзисторы). В одну диагональ моста введены два источника питания +Е_к1 = | – Е_к2| и источник стабильного тока I_э. Источник стабильного тока создает в общей цепи эмиттеров транзисторов неизменный суммарный ток I_э= I_э1 + I_э2 = const. При отсутствии входных сигналов мост уравновешен, и выходное напряжение усилительного каскада U_вых = 0.

.

Рисунок 7.6 – Дифференциальный усилитель

Дрейф нуля практически отсутствует в схемах параллельно-балансных УПТ, называемых дифференциальными усилителями (ДУ). Интегральные ДУ строятся по принципу уравновешенного моста (рисунок 3.40), образованного идентичными транзисторами VT1, VT2 и резисторами R_к1, R_к2 (отметим, что во всех интегральных схемах роль резисторов выполняют динамические сопротивления – определенным образом включенные транзисторы). В одну диагональ моста введены два источника питания +Е_к1 = | – Е_к2| и источник стабильного тока I_э. Источник стабильного тока создает в общей цепи эмиттеров транзисторов неизменный суммарный ток I_э= I_э1 + I_э2 = const. При отсутствии входных сигналов мост уравновешен, и выходное напряжение усилительного каскада U_вых = 0.

Пусть на оба входа ДУ подаются одинаковые (синфазные) сигналы. При одновременном увеличении или уменьшении амплитуд синфазных сигналов на входах усилителя, коллекторные токи обоих транзисторов и напряжения на их коллекторах изменятся соответственно на одни и те же величины. Выходное же напряжение U_вых, определяемое разностью коллекторных напряжений транзисторов, будет по-прежнему равным нулю. Значит, дифферен­циальный усилитель не усиливает (подавляет) синфазные сигналы.

Проанализируем реакцию ДУ на дифференциальные (разностные) сигналы. Пусть сигнал на входе U_вх1 получил положительное приращение, а сигнал на входе U_вх2 – равное, но отрицательное приращение. В этом слу­чае коллекторный ток транзистора VT1 увеличится, а коллекторный ток транзистора VT2 уменьшится точно на такую же величину. Соответствую­щим образом изменятся и потенциалы на коллекторах транзисторов, что приведет к изменению напряжения на выходе ДУ.

Пусть выходной сигнал в схеме рисунок 7.6 снимается с выхода U_вых2, входной сигнал подключен к входу U_вх2, а вход U_вх1 заземлен. При подаче на вход U_вх2 положительного приращения усиливаемого напряжения ∆U_вх2, увеличатся коллекторный ток I_к2 и падение напряжения ∆U_к = I_к2R_к2 на резисторе R_к2. Выходное (коллекторное) напряжение ∆U_вых2 = Е_к1 – I_к2R_к2 при этом уменьшится и окажется в противофазе с входным. Поэтому вход U_вх2 по от­ношению к выходу U_вых2 называют инвертирующим.

Теперь допустим, что входной сигнал подается на вход U_вх1, а вход U_вх2 дифференциального усилителя заземлен. При увеличении входного сигнала возрастет ток эмиттера I_э1 транзистора VT1, а ток эмиттера I_э2 транзистора VT2 уменьшится (ведь I_э = I_э1+ I_э2= const). При этом ток коллектора I_к2 тран­зистора VT2 и падение напряжения на сопротивлении R_к2 уменьшатся, а вы­ходное напряжение U_вых2 увеличится. Таким образом, выходное напряжение U_вых2 оказалось в фазе с входным U_вых1, вследствие чего вход U_вх1 является неинвертирующим для выходного сигнала.

Как правило, применяют ДУ для сравнения с высокой точностью значений или разности двух напряжений. Это, в частности, объясняет название «дифференциальный» усилитель.

Схема ДУ с генератором стабильного тока на биполяр­ных транзисторах показана на рисунке 7.7, а. Такую схему имеет интегральный ДУ типа К118УД1. ГСТ выполнен на биполярном транзисторе VT3. Режим работы транзи­стора и, следовательно, ток в его коллекторной цепи опре­деляются делителем R'R" в цени базы VD и резистором термостабилизации R3 в цепи эмиттера. В качестве диода VD в интегральных ДУ обычно используется транзистор в диодном включении.

Рисунок 7.7 – Схема ДУ с генератором стабильного тока (а) и выходные

характеристики токостабилизирующего транзистора (б)

Большое динамическое и малое статическое сопротивления ГСТ обусловлены характером зависимости коллекторного тока от коллекторного напряжения транзистора VT3, отображаемой выходными характеристиками БТ (рисунок 7.9, б). При токе I_к0 и напряжении U_КЭ0 статическое напряжение равно R_c = U_КЭ0/ I_к0, а динамическое r_i = 1/h_22э = ΔU_КЭ/ΔI_к. Ввиду малого наклона выходных характеристик к оси тока I_к при сравнимых значениях U_КЭ0 и ΔU_КЭ приращение тока ΔI_к значительно меньше его стационарного значения I_к0. Поэтому r_i >> R₀.