7.ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

7.1.Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления медлен- ных электрических сигналов частотой доли герц. Такая задача возникает в различ- ных радиоэлектронных устройствах, в частности, устройствах измерительной тех- ники, автоматики и управления. В таких усилителях для связи с источником сигна- ла и нагрузкой обычно используется гальваническая (непосредственная) связь с помощью элементов, обладающих проводимостью по постоянному току, таких как проводники, резисторы, полупроводниковые приборы. Применение емкостной свя- зи осложнено тем обстоятельством, что обеспечить значение нижней граничной частоты величиной в тысячные доли герца возможно при использовании раздели- тельных конденсаторов емкостью десятки–сотни миллифарад. Стремление к ми-

ниатюризации электронных устройств и реализации их в интегральном исполнении потребовало отказаться от использования RC-связей ввиду невозможности реали- зации в интегральном исполнении конденсаторов большой емкости.

Однако применение непосредственной межкаскадной связи при реализа- ции УПТ приводит к двум серьезным проблемам: наличие дрейфа нуля и не-

обходимость согласования уровней постоянного напряжения в соседних усилительных каскадах.

Дрейф нуля – медленное изменение выходного напряжения УПТ, обуслов- ленное нестабильностью источника питания, изменением температуры и старением элементов схемы, при постоянном входном напряжении. Дрейф нуля описывается

С данным явлением необходимо бороться, поскольку оно приводит к ошибкам в работе оконечных устройств автоматики, так как полезный сигнал суммируется с напряжением дрейфа. Данное явление накладывает ограничение на величину чувствительности усилителя, которая для минимизации таких ошибок должна быть во много раз больше приведенного дрейфа:

Проблема согласования уровней постоянного напряжения состоит в следую- щем. В режиме покоя в усилителе на БТ с ОЭ и эмиттерной стабилизацией напря- жение на коллекторе транзистора должно быть UК ≈ UИП 2, а напряжение на базе

ниже: UБ » URЭ + UБЭ » (0,05K0,1)UИП + 0,7 В. Таким образом, непосредствен-

ное подключение входа следующего каскада к выходу предыдущего без принятия специальных мер невозможно. Самый простой способ согласования – увеличение падения напряжения на резисторе RЭ путем увеличения сопротивления этого ре-

зистора приводит к значительному уменьшению коэффициента усиления по на-

93

пряжению во втором каскаде. Применение различных схем сдвига уровней по- стоянного напряжения с использованием резисторов, диодов и транзисторов

приводит к дополнительным потерям сигнала и значительно усложняет схему усилителя.

7.2. Устройство и принцип действия дифференциального усилителя

Одновременное решение двух проблем, возникающих при проектировании многокаскадных УПТ, возможно в дифференциальном усилительном каскаде или дифференциальном усилителе (ДУ).

Дифференциальный усилитель – УПТ, предназначенный для усиления разности сигналов, поданных на его входы. Принципиальная схема ДУ, реализо- ванного на БТ, показана на рис. 7.1. ДУ является мостовым или балансным усили- телем. Два плеча этого моста образованы транзисторами VT1 и VT2, а два других пле- ча – резисторами RК1 и R К2 . Питание уси-

ли резисторы имеют одинаковое сопротивление RК1 = RК2 = RК , а транзисто-

ры имеют одинаковые ВАХ и статический коэффициент передачи тока базы

UК1 = UК2 = UК = UИП − IКRК , поэтому Uвых1 = Uвых2 = Uвых .

94

При рассмотрении работы ДУ вводят два понятия – синфазный сигнал

(СС) и дифференциальный (разностный) сигнал (ДС). Рассмотрим изменение выходного напряжения ДУ при воздействии этих сигналов.

Синфазный сигнал. Пусть на обоих входах ДУ действуют одинаковые по амплитуде, форме и фазе сигналы. Такое входное воздействие называют синфазным сигналом. Подача СС на входы ДУ показана на рис. 7.2. Увеличе- ние входного напряжения приводит к одинаковому росту базовых токов на ве-

вождается ростом эмиттерных токов и тока IR и увеличением падения напря-

жения на резисторе R. Напряжение на эмиттерах транзисторов возрастает, а на- пряжения база – эмиттер уменьшаются. Это приводит к уменьшению базовых и коллекторных токов и росту коллекторных напряжений. Эти два процесса час- тично компенсируют друг друга, и напряжения на коллекторах практически не изменяются и остаются одинаковыми. Усиление СС не происходит. В ДУ сущест- вует отрицательная обратная связь для СС, обусловленная наличием резистора R.

Если вместо резистора R включить источник тока, то в этом случае сум- марный ток эмиттеров будет постоянным. Поэтому при увеличении напряжений на входах ДУ коллекторные токи, для которых справедливы выражения IК1 ≈ IЭ1, IК2 ≈ IЭ2 , не будут изменяться, значит, постоянными и равными будут

95

и напряжения на коллекторах. Такой идеальный ДУ оказывается нечувствителен к СС.

Дифференциальный сигнал. Пусть сигнал амплитудой Uвх приложен ме-

жду входами ДУ, как показано на рис. 7.3. Это эквивалентно тому, что на каждом из входов ДУ действуют сигналы одинаковой амплитуды Uвх 2 , одинаковой фор-

мы, но в противофазе. Такой сигнал называется дифференциальным.

Рассмотрим случай, когда напряжение на базе VT1 возрастает, а на базе VT2 уменьшается. Это приводит к увеличению тока базы IБ1 и уменьшению IБ2 , при

этом возрастает ток коллектора IК1 и уменьшается IК2 . Абсолютные изменения коллекторных токов будут одинаковыми IК1 = IК2 = IК , поскольку выполня- ется равенство IК1 + IК2 ≈ IЭ1 + IЭ2 , а суммарный ток эмиттеров, который задается резистором R, остается практически неизменным. Напряжение Uвых1 уменьшается на величину IКR , а Uвых2 на столько же увеличивается. Таким образом, в ДУ

происходит усиление дифференциального сигнала.

Усиленный дифференциальный сигнал можно снимать или с коллекторов VT1 и VT2, или включив нагрузку между коллекторами. Первые два выхода на- зываются несимметричными, а последний – симметричным. При подаче сигна- ла между базой и общей точкой вход называется несимметричным (рис. 7.1), а при подаче сигнала между базами транзисторов (рис. 7.3) – симметричным.

Один из входов ДУ является инвертирующим, а другой – неинвертирующим. Это определяется поведением фазы выходного сигнала по отношению к фазе сигна- ла на данном входе. Например, если сигнал снимается с коллектора VT2, то база VT1 является неинвертирующим входом. Действительно, увеличение напряжения на базе VT1 приводит к увеличению коллекторного тока VT1 и уменьшению коллекторного тока VT2, а значит, увеличению напряжения на коллекторе VT2. База VT2 по отно- шению к коллектору VT2 является инвертирующим входом, поскольку увеличение напряжения на базе VT2 приводит к увеличению тока коллектора VT2 и уменьше- нию напряжения на его коллекторе.

7.3. Расчет параметров дифференциального усилителя

ДУ имеет различные значения входного и выходного сопротивления и коэффициентов усиления по напряжению для дифференциального и разностно- го сигналов. Определим выражения для расчета этих параметров, пользуясь ме- тодом эквивалентных схем.

На рис. 7.4 представлена малосигнальная эквивалентная схема ДУ для диффе- ренциального сигнала в области средних частот. Считаем, что напряжение на базе VT1увеличивается,набазеVT2уменьшается.Тогда справедливы равенства

IБ2 = −IБ1; IК2 = −IК1; IЭ2 = −IЭ1,

сучетом которых для входного напряжения можно записать

Uвх = IБ1(r'б +(h21э +1)rэ + (h21э +1)rэ + r'б ) = 2IБ1(r'б +(h21э +1)rэ ).

Для выходного напряжения справедливо выражение

96

Uвых = −IК2RК2 = IК1RК2 = h21эIБ1RК2 ,

которое при RК1 = RК2 = RК преобразуется к виду

Uвых = h21эIБ1RК .

Коэффициент усиления по напряжению ДУ для дифференциального сиг-

нала определяется выражением

Необходимо отметить, что коэффициент усиления по напряжению ДУ для дифференциального сигнала достаточно большая величина (десятки – сот- ни раз), но оказывается в два раза меньше, чем коэффициент усиления по на- пряжению усилительного каскада на БТ с ОЭ.

Для увеличения коэффициента усиления дифференциального сигнала не- обходимо увеличивать R К и уменьшать дифференциальное сопротивление

эмиттерного перехода. Такие требования оказываются противоречивыми. Уве- личение R К будет приводить к уменьшению коллекторного тока покоя, по-

скольку в режиме покоя UК ≈ UИП 2 и

IК = UИП − UИП 2 = UИП ,

RК 2RК

и приведет к увеличению дифференциального сопротивления эмиттерного пе- рехода, которое определяется отношением

увеличивать напряжение источника питания, тогда коллекторный ток по край- ней мере не будет уменьшаться, и неизменным будет rэ . Причем Ku диф опре-

деляется величиной напряжения источника питания согласно следующему со- отношению:

97

Вывод. Увеличение напряжения источника питания на 1 В приводит к увеличению Ku диф на 10.

Входное сопротивление ДУ для дифференциального сигнала найдем со-

Видно, что входное сопротивление ДУ для дифференциального сигнала в два раза выше входного сопротивления БТ с ОЭ и составляет величину едини- цы килоом.

Выходное сопротивление ДУ для дифференциального сигнала определя-

ется выражением

которое с учетом очевидных соотношений r *к >> rэ , r *к >> R , r *к >> RК уп-

рощается до

Выходное сопротивление ДУ для дифференциального сигнала имеет та- кую же величину, что и выходное сопротивление усилителя на БТ с ОЭ.

На рис. 7.5 представлена малосигнальная эквивалентная схема ДУ для синфазного сигнала в области средних частот.

Рис. 7.4 Рис. 7.5

Для входного напряжения можно записать следующее выражение: Uвх = IБ1r'б +IЭ1rэ + IRR = IБ1r'б +IЭ1rэ + (IЭ1 + IЭ2 )R .

98

Поскольку для синфазного сигнала ДУ сбалансирован и выполняются ра- венства IБ1 = IБ2 = IБ , IЭ1 = IЭ2 = IЭ , то последнее выражение можно преобра-

зовать к виду

Uвх = IБr'б +IЭ (rэ + 2R)= IБ(r'б +(h21э +1)(rэ + 2R)).

Для выходного напряжения справедливо выражение

Uвых = −IК2RК2 = −IКRК = −h21эIБRК .

Коэффициент усиления по напряжению ДУ для синфазного сигнала оп-

ределяется выражением

Очевидно, что для уменьшения коэффициента усиления по напряжению синфазного сигнала необходимо уменьшать RК и увеличивать R . Такие требо-

вания также противоречивы, поскольку уменьшение RК при фиксированном

99