ЛЕКЦИЯ 22. БАЗОВЫЕ ЯЧЕЙКИ АНАЛОГОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

П л а н л е к ц и и

22.1. Базовые ячейки аналоговых интегральных схем. 22.2. Дифференциальные усилители.

22.1.Базовыеячейкианалоговыхинтегральныхсхем.

Ваналоговой схемотехнике существует небольшое количество типовых решений, которые служат основой для большинства остальных схем. Простейшими из них являются усилительные каскады на биполярных и полевых транзисторах, работа которых была рассмотрена ранее в лекциях 6–8 и 12. В эпоху микроэлектроники роль усилителей стала еще более важной, так как они стали выполнять самые разнообразные функции.

Что касается аналоговых ИС, то их особенности лучше всего характеризуются на примере операционного усилителя, основу которого составляет дифференциальный усилитель.

ЛЕКЦИЯ 22. БАЗОВЫЕ ЯЧЕЙКИ АНАЛОГОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

22.2. Дифференциальные усилители.

напряжение будет равно нулю. В силу симметрии нулевое значение Uвых сохраняется при одновременном и одинаковом изменении токов в обоих плечах, какими бы причинами такое изменение ни вызывалось.

Следовательно, в идеальном ДУ дрейф выходного напряжения отсутствует,

хотя в каждом из плеч он может быть сравнительно большим.

Подадим на базы одинаковые напряжения (∆Uб1 = ∆Uб2). Такие сигналы называют синфазными. Под действием синфазных сигналов потенциал эмиттеров изменится на такую же величину, как и потенциалы баз: ∆Uэ = ∆Uб (поскольку напряжения на эмиттерных переходах U* можно считать неизменными). Если источник тока I0 идеальный (т. е. Ri = ∞), то приращение ∆Uэ не вызовет изменения токов в ветвях ДУ. Коллекторные потенциалы не изменятся и выходное напряжение останется равным нулю. Если же Ri ≠ ∞, то появится приращение тока ∆I0, но оно поровну распределится между обеими ветвями ДУ и коллекторные потенциалы изменятся одинаково. Соответственно и в этом случае Uвых = 0. Значит, в идеальном ДУ синфазные сигналы не влияют на выходное напряжение.

Теперь подадим на базы напряжения равной величины, но противоположных знаков (∆Uб1 = – ∆Uб2). Такие сигналы называют

дифференциальными.

Их разность, Uвх = ∆ Uб1 – ∆Uб2 по определению, является входным сигналом ДУ. В силу симметрии сигнал Uвх поделится поровну между обоими эмиттерными переходами: на одном из них напряжение U* увеличится на 1/2Uвх, а на другом – уменьшится на ту же величину. Соответственно приращения токов и коллекторных потенциалов в плечах ДУ будут одинаковыми по величине, но разного знака. В результате появится выходное напряжение

Как видим, идеальный ДУ реагирует только на дифференциальный сигнал, отсюда название этого типа усилителей.

Поскольку дифференциальный сигнал делится поровну между эмиттерными переходами, потенциал средней точки, т. е. потенциал эмиттеров, остается неизменным. Следовательно, при анализе дифференциальных сигналов можно считать потенциал Uэ заданным, а точку Э заземленной для переменных составляющих.

Любую комбинацию напряжений∆ Uб1 и ∆ Uб2 можно представить в виде суммы синфазной и дифференциальной составляющих (рис. 22.2, а):

ЛЕКЦИЯ 22. БАЗОВЫЕ ЯЧЕЙКИ АНАЛОГОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

22.2. Дифференциальные усилители.

Удобство такого представления в том, что действие каждой из составляющих можно анализировать раздельно.

Синфазная и дифференциальная составляющие входного сигнала согласно (22.2) выражаются следующим образом:

Выходное напряжение тоже можно представить как сумму синфазной и дифференциальной составляющих (рис. 22.2, б):

Рис. 22.2. Синфазные и дифференциальные составляющие входного (а) и выходного (б) сигналов

ЛЕКЦИЯ 22. БАЗОВЫЕ ЯЧЕЙКИ АНАЛОГОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

22.2. Дифференциальные усилители.

Если же источник тока не идеален, т. е. имеет конечное сопротивление Ri, то приращение ∆Uэ вызывает приращение тока ∆I0 = ∆Uэ / Ri. Это приращение делится между обоими плечами ДУ и вызывает приращения коллекторных потенциалов ∆UKl и ∆UК2. В том случае, когда плечи идентичны, эти приращения одинаковы: ∆UK1 = ∆UК2. Тогда на выходе, согласно (22.4), получается только синфазная составляющая. В том случае, когда плечи не идентичны, приращения коллекторных потенциалов неодинаковы: ∆UК1 ≠ ∆UК2. Тогда на выходе наряду с синфазной получается паразитная дифференциальная составляющая.

Поскольку в идеальном ДУ синфазный сигнал на входе не должен вызывать синфазного и тем более дифференциального сигнала на выходе, к внутреннему сопротивлению источника тока предъявляют самые высокие требования.

Тот факт, что работа ДУ основана на идентичности его плеч, объясняет популярность этих усилителей в микроэлектронике. Только в ИС, где элементы расположены друг от друга на расстояниях единицы и десятков микрометров, можно обеспечить идентичность параметров, температурных коэффициентов и т. п. Кроме того, в микроэлектронике не критично количество элементов, способствующих повышению качества схемы.

Коэффициенты усиления. В реальном ДУ, в котором оба плеча неидентичны, а источник тока имеет конечное сопротивление, имеют место влияние синфазной составляющей входного сигнала на дифференциальную составляющую выходного сигнала и влияние дифференциальной составляющей входного сигнала на синфазную составляющую выходного сигнала.

В общем случае соотношение между синфазными и дифференциальными составляющими можно записать с помощью двух уравнений:

Здесь коэффициенты К являются коэффициентами передачи соответствующих составляющих со входа на выход. В идеальном ДУ взаимные коэффициенты Ксд и Кдс равны нулю.

Рассмотрим главный параметр ДУ – коэффициент усиления дифференциальной составляющей Кдд. Его часто называют просто коэффициентом усиления и обозначают К.

Как уже подчеркивалось ранее, потенциал эмиттера при подаче дифференциального сигнала остается неизменным, а значит, для переменных составляющих его следует считать равным нулю. Поэтому коэффициент усиления каждого плеча можно получить, полагая Rэ = 0. Поскольку в каждом плече усиливается сигнал 1/2Uвх, а на выходе усиленные сигналы

ЛЕКЦИЯ 22. БАЗОВЫЕ ЯЧЕЙКИ АНАЛОГОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

22.2. Дифференциальные усилители.

складываются, коэффициент усиления ДУ равен коэффициенту усиления отдельного плеча.

Полагая Rэ = 0, можно получить

Очевидно, что коэффициент усиления ДУ значительно больше, чем у простейшего усилителя. Разница может составлять десятки раз. Следовательно, помимо отсутствия (или гораздо меньшего) дрейфа, ДУ свойствен гораздо больший коэффициент усиления, что является его вторым важным преимуществом.

В случае низкоомных источников сигнала (Rr менее 1 кОм) и небольших рабочих токов (менее 1 мА) вторым слагаемым в знаменателе (22.6) можно пренебречь, тогда

Пусть, например, Ек = 12 В и Uк0 = 2 В, тогда К = – 400. Как видим, коэффициент усиления ДУ, как и у простейших усилителей, связан с напряжением питания и коллекторным напряжением в режиме покоя. Однако знаменатель в выражении (22.8) имеет такое малое значение, которое недостижимо в простейших усилителях по соображениям стабильности. Как и в других рассмотренных схемах, коэффициент усиления (при заданном Uк0) не зависит от рабочего тока. От температуры он зависит непосредственно через величину φТ.

Кроме рассмотренного коэффициента усиления дифференциальный усилитель характеризуется еще целым радом важных параметров, таких как коэффициент подавления синфазной составляющей, динамический диапазон, входное сопротивление и ряд других. Указанные параметры ДУ более подробно рассматриваются в курсе «Схемотехника аналоговых электронных устройств».

Схема токового зеркала. Токовым зеркалом называют электронное устройство с одним входом и одним или несколькими выходами, выходной ток (или токи) которого повторяет как по величине, так и по направлению его входной ток.

ЛЕКЦИЯ 22. БАЗОВЫЕ ЯЧЕЙКИ АНАЛОГОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

22.2. Дифференциальные усилители.

Iвых = Iк T3;

Iб T2 = Iб T1 = IБ;

Iэ T3 = Iк T3+ Iб T3 = Iк T1 + 2 Iб;

Iк T2 = Iк T1.

Найдем из полученных выражений связь между выходным током

Из приведенного выражения следует, что в схеме на рис. 6.23 повторяемость входного и выходного токов значительно выше, чем в исходной схеме токового зеркала на рис. 22.3.

Следует заметить, что в этом случае стабильность тока в схеме на рис. 22.4 будет значительно выше, чем в схеме на рис. 22.3. Это объясняется тем, что транзистор T2 фактически выполняет роль усилителя, включенного в цепи отрицательной обратной связи транзистора T3.

Если входной ток в рассмотренных схемах будет поддерживаться неизменным, то они превращаются в источники постоянного тока. Для этого входы обеих схем достаточно подключить через ограничительные резисторы к источнику входного напряжения.