61

Методическое пособие

по курсу

«СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ»

Глава 7. Базовые схемные конфигурации аналоговых микросхем и усилителей постоянного тока.

7.1. Дифференциальный каскад.

При построении аналоговых электронных схем, выполняемых в виде ИС, в частности усилителей постоянного тока, используется ряд типовых схемных построений. Это, например:

• генератор стабильного тока;

• схема сдвига уровня;

• “токовое зеркало“;

• источники опорного напряжения и т.д.

Следующей разновидностью использования эмиттерных свойств является дифференциальный каскад (ДК) (усилитель разности).

Дифференциальный усилитель– это усилитель с двумя входами, относительно которых коэффициенты передачи равны по величине и противоположны по знаку (ДК с такими параметрами является идеальным).

ДК имеет два входа:

неинвертирующий (усиление сигнала без изменения знака – вход “+”);

инвертирующий (соответственно усиление с изменением знака – инверсия – вход “-“);

Рис.7.1.

Выходной сигнал ДК определяется соотношением:

(7.1.)

В идеальных ДК К ₊=К _- .

Во входном сигнале ДК различают дифференциальную (характеризует различие (асимметрию) сигналов U_вх+ и U_вх- ) и синфазную ( характеризует степень совпадения сигналов U_вх+ и U_вх-) составляющие.

U_д=U_вх+ - U_вх-;

U_с=(U_вх+ + U_вх-)/2; (7.2.)

Поскольку в реальных ДК коэффициенты передачи К₊ и К_- могут различаться, следовательно, выходной сигнал зависит не только от дифференциальной составляющей, но и синфазной:

U_вых=U_дK_д+U_cK_c; (7.3.)

При этом :

К_д=(К₊+К_-)/2 ; К_с=(К₊+К_-) (7.4.) – соответственно дифференциальный и синфазный коэффициенты передачи.

Количественно ДК определяется степенью относительного отличия К_д и К_с:

К_д/К_с=_c – коэффициент ослабления синфазного сигнала.

Чем меньше К_с, тем лучше ДК.

Из (7.4.а.) следует:

(7.4.б.)

В

R_{вх д}

U_вх-

U_вх+

ДК высокого качества_c=10⁵…10⁶ или в дБ  _{c дб}=20Ln(_c).

2R_{вх с}

2R_{вх с}

R_вых

U_дK_д

U_сK_с

Рис.7.2. Эквивалентная схема ДК.

На рисунке отражены свойства ДК, такие как его чувствительность к действию синфазного сигнала, ненулевые значения его выходного сопротивления (R_вых), конечность входных сопротивлений R_{вх д} и R_{вх с}. Так как R_{вх д} , R_{вх с}  появляются входные токи

Эмиттерно-связанная пара транзисторов представляется в виде (рис.7.3.):

Е⁺_пит

Е^-_пит

Рис.7.3.

Вход 1- инвертирующий (К_1.3=К_-), вход 2 - не инвертирующий (т.к. К₂=К_окК_об=К₊).

С учетом того, что:

Эти соотношения соответствуют ДК, в котором отсутствуют дополнительные резисторы R_f в эмиттерных цепях транзисторов. С введением этих резисторов g₂₁ заменяем на

Следовательно, К_с не зависит от R_f.

В схеме ДК (рис.7.3.) на величину I_о и ,соответственно, входных потенциалов оказывает влияние постоянная составляющая самого синфазного напряжения (U_cо):

Пример.

Согласно рис.7.3. определить изменение U_вых, вызванного одновременным воздействием на схему входных постоянных потенциалов:

U_вх1=0.1 в, U_вх2=0.12 в, R_о=1 кОм, Е^-_пит =-5.7 в, R_к=1 кОм.

Имеем:

__________________________________________________________________________

Так как постоянная синфазная составляющая сигнала передается в эмиттерную цепь транзисторов, то уменьшается U_кэ и увеличивается I_к,  возможен выход РТ каскада за пределы линейной области, поэтому Е_и⁺ должен отвечать условию:

Все соотношения рассмотренные ранее соответствуют малосигнальному режиму работы. Если же это не так, то

7.3. Дифференциальный усилительный каскад с дифференциально-подключенной дополнительной нагрузкой.

Съем сигнала с выходов ДК может быть, как однофазный (рис.7.5.а.) (с каждого выхода ДК отдельно), так и двухфазный (рис.7.5.б.) (то есть дифференциальный).

Е⁺_пит

Рис.7.5.а. Рис.7.5.б.

При дифференциальном съеме сигнала в качестве выходного сигнала выступает разность потенциалов U_аб (рис.7.5.б.). Фактически при дифференциальном съеме сигнала между выходными зажимами ДК включается дополнительная нагрузка R_н (рис.7.5.б.) и поскольку присутствует разность потенциалов, то протекает и ток:

i_н=U_аб/R_н.

Е⁺_пит

Рис.7.5.в.

Рассмотрим передаточные свойства подобной схемы. Можно характеризовать их дифференциальный и синфазный коэффициенты передачи:

Предполагается, что схема рис.7.5. симметрична (R_к1=R_к2=R_к).

R_н разбито на две части R_н/2  исходно U_а=U_б  U_аб=0 и i_н=0.

Изменяя синфазно U_вх+ и U_вх- при симметрии схем получим U_а и U_б изменяющиеся также синфазно, однако U_аб остается равным нулю и следовательно i_н=0, следовательно, синфазная составляющая сигнала U_вх+ и U_вх- не оказывают влияния на величину U_аб и i_н – в идеале.

При подаче на входы ДКдифференциальной составляющей сигнала U_д возникает асимметрия в распределении I_о  U_а и U_б претерпевают одинаковые, но противоположные по фазе изменения. При этом потенциалы точек в и г остаются неизменными. Следовательно, эти точки можно интерпретировать как точки нулевого сигнального потенциала. Эквивалентная схема этого каскада представлена на рис.7.5.г.

Рис.7.5.г.

Следовательно, для эквивалентной схемы (рис.7.5.г.) можно утверждать, что эквивалентные сопротивления коллекторной нагрузки каждого плеча равны параллельно включенным R_к и R_н/2. Тогда, учитывая, что К_д=g₂₁R_к/2 можно записать для рассматриваемого случая:

Эти вычисления соответствуют малошумящему режиму работы. При невыполнении этого условия применяют приближенные расчеты, так как возможен дополнительный разбаланс схемы.

7.4. Входное сопротивление ДК.

Рассматривая шунтирующее влияние ДК на входе предыдущего каскада следует учитывать составляющие входного сопротивления: дифференциального R_{вх д} (рис.7.6.) и синфазного R_{вх с} (рис.7.7.а.).

Рис.7.6.

НайдемR_{вх д} и R_{вх с} . Считаем, что U_вх+ и U_вх- - малошумящий режим  g-параметры.

Рис.7.7.

При U_с=0 наличие U_д вызывает на входах ДК равные по величине, но противоположные по знаку токи I_д+ и I_д-  R_вх+=R_вх-. Их можно определить как для схемы ОЭ_f

где R_f – параллельное соединение R_о и R_{вх об} = 1/g₂₁

При вычислении R_{вх с} учтем, что U_аб=0  два транзистора схемы (рис.7.7.а.) можно объединить в один (рис.7.7.б.).

Рис.7.7.б.

Следовательно, R_вх схемы ОЭ_f, где в качестве R_f выступает R_о. Значит

Так как R_о увеличивается, то при расчете схем R_{вх с} можно не учитывать.

7.4.1. Генератор стабильного тока в АЭУ.

Реальные источники тока широко используются в АЭУ, например, в

а. б. в. г. д.

Рис.7.7.

дифференциальных усилителях, каскадах смещения уровней сигнала. Широко используемые схемы источников тока приведены на рис.7.8.

Весьма часто ИТ используются В ДК, где R_о заменяется на ИТ. Из соотношения: K_с= - R_к/2R_о , видно, что ДК при малом R_о имеет слабое ослабление синфазного сигнала. Увеличение R_о вызывает ослабление синфазных сигналов, но при этом уменьшается I_к и , следовательно, уменьшаются частотные свойства и стабильность ДК. Включая же в эмиттерную цепь транзисторов ДК ГСТ, выбираем тот ток, который лучше и при этом в качестве R_о выступает дифференциальное сопротивление коллектора транзистора достаточно большое  повышается подавление синфазной составляющей сигнала.

I_о ГСТ выбирают при малых Е_п , следовательно, низкой потребляемой мощности : I_оf(Е_п).

Обычно в ГСТ транзистор включают по схеме ОЭ_f или ОИ_f (рис.7.8.а., рис.7.8.в.). Так как выходная проводимость каскада ОЭ_f , ОИ_f равна:

Например при R_f=1 кОм, U_эрл=100 в, m_T=0.026 в R_о будет равно:

При этом ослабление синфазного сигнала достигает 60-80 дБ при использовании ГСТ мы не будем останавливаться на вопросах стабильности, например I_о=f(T). Работа этих схем на постоянном токе идентична работе ОЭ, ОИ. Однако, следует учитывать влияние паразитных проводимостей транзисторов (С_кб, С_с3), а в интегральном исполнении (С_кп и С_сп), которые могут существенно снизить выходной импеданс ГСТ особенно на высоких частотах.

7.5. Схемы сдвига уровня постоянного напряжения.

Использование в качестве межкаскадных связей конденсаторов в аналоговых ИС затруднительно, поскольку трудно изготовить конденсаторы большой емкости. Кроме того в составе одного кристалла ИС трудно изготовить хорошие транзисторы p-n-p типа проводимости. Следовательно, ИС стараются строить на базе транзисторов n-p-n типа. При этом для согласования каскадов между собой по постоянному напряжению используют в качестве межкаскадных связей схемы сдвига уровня (ССУ).

Введение ССУ вызвано тем, что в усилителях (например каскад ОЭ) потенциал коллектора больше потенциала базы  соединение нескольких каскадов последовательно приведет к тому, что в последнем каскаде потенциал коллектора будет близок к Е_п+ . Следовательно трудно получить неискаженный сигнал. Введение ССУ это компенсирует.

ССУ должна уменьшать уровень постоянного потенциала, но при этом не приводить к искажениям переменного сигнала. При этом ССУ не должен перегружать (шунтировать) выход предыдущего каскада и иметь достаточно низкое выходное сопротивление. Поэтому в большинстве случаев ССУ строят на базе эмиттерных повторителей (ОК). Ряд ССУ приведен на рис7.8.

+Е_пит

а. б. в. г.

Рис.7.8.

На схеме (рис.7.8.а.) а) нельзя получить малые и близкие к нулевым значения напряжения.

б) ослабление переменного сигнала.

На схеме (рис.7.8.б.) а) частично устранены недостатки схемы (рис.7.8.а.) – однако увеличилась потребляемая каскадом мощность .

На схеме (рис.7.8.в,г.) а) коэффициент передачи близок к 1.

На схеме (рис.7.9.а.) изображены ССУ с ГСТ.

а. б. в.

Рис.7.9.

Так как выходное сопротивление ГСТ велико, то коэффициент передачи этих ССУ стремится к 1.

На схеме (рис.7.9.б.) потенциал, сдвигающей цепи на транзисторе VТ2, похож на ВАХ стабилитрона с:

/ , где =R₂/(R₁+R₂);

Пусть U_ст=U_аб, тогда:

7.6. Источники постоянного напряжения.

Источники постоянного напряжения (ИПН) – источники напряжения с малым выходным сопротивлением:

U_ИПНf(I_пот, Т, и т.д.)

Для ИН характерны высокие токи и малое выходное сопротивление R_вых. Для ИОП характерны очень стабильные U_вых, не зависящие от дестабилизирующих факторов, R_вых может быть достаточно большим.

П

+Е_пит

ростейшая схема ИН изображена на рис.7.10.

Рис.7.10.

Выходное напряжение:

Е_оU_R2Е_пR₂/(R₁+R₂)

Потенциал U_{бэ VT2} обеспечивает частичную температурную компенсацию U_{бэ VT1}, следовательно, повышается стойкость к воздействию температуры.

С возрастанием g_вых необходимо уменьшать R_б. При R_б=0 параметр g_вых максимален:

То есть уменьшение R_б повышает стабильность, так как g_вых=f(I_н)  для устранения этого вводят R₃.

Недостаток схем рис.7.10. Е_о=f(Е_п). Этого недостатка лишена схема, изображенная на рис.7.11.а.

Рис.7.11.

В этой схеме Е_о зависит от напряжения стабилитрона. Часто в качестве стабилитрона используют переход Б-Э транзистора в обратном включении. Поэтому U_ст=7-9 в. Кроме этого дифференциальное сопротивление диода и стабилитрона малы, значит уменьшение R_б приводит к уменьшению R_вых.