4.2. Дифференциальные усилители

4.2.1. Схема, особенности ду

Исключительно важную роль в схемотехнике интегральных схем (ИС) играют дифференциальные усилители (ДУ). Выпускаются отдельные самостоятельные ДУ, содержащие один или два каскада. Но чаще ДУ используются в качестве первых каскадов в более сложных усилительных ИС. ДУ определяют наиболее значимые параметры всего усилителя, такие как уровень шумов, чувствительность, стабильность параметров и др. Поэтому к ДУ предъявляются жесткие требования. Разработано и выпускается много разновидностей ДУ. В принципе ДУ могут быть созданы и из дискретных компонентов, но наиболее эффективны интегральные ДУ (ИС-ДУ). На рис.4.5 приведена принципиальная схема простого ДУ. Собственно ДУ включает в себя два простых усилительных каскада на транзисторах –V1, V2, включенных по схеме ОЭ, имеет два входа (Вх.1, Вх.2) и два выхода (в, г). ДУ представляет собой мостовую (балансную) схему. Два верхних плеча моста – резисторыR_к1 иR_к2, два нижних плеча – транзисторыV1, V2.К одной диагонали моста аб подключено напряжение питанияЕ_п, с другой диагонали вг снимается выходной сигналU_вых. Уже это позволяет уменьшить дрейф нуля. Так, в сбалансированном мосте колебанияЕ_п(в диагонали аб) не передаются на выход (в диагональ вг). Однако для получения высококачественного ДУ этого недостаточно. Чтобы получить высококачественные ДУ, необходимо выполнить определенные условия. Сформулируем эти условия:

1. Постоянство тока I₀ независимо от изменения режима транзисторов ДУ (V1,V2). ТокI₀ является суммой токов эмиттеров транзисторов ДУ. ПостоянствоI₀ обеспечивается специальным стабилизатором тока. На рис.4.5 этот стабилизатор обозначен как ГСТ (генератор стабильного тока). Это важнейшее условие обеспечивает высокую стабильность режима покоя, постоянство параметров ДУ, малый дрейф нуля и др.

2. Идентичность пары транзисторов V1,V2 (одинаковость всех параметров), резисторовR_к1, R_к2. Эту идентичностьобеспечивает современный высокий уровень технологии ИС. В дискретной электронике приемлемая идентичность транзисторов не могла быть гарантирована. По этой причине дискретные ДУ не находили широкого применения.

3. Большое входное сопротивление ДУ. Обеспечивается схемными решениями и режимом покоя транзисторов V1, V2. Так, в ДУ, используемых в первых каскадах более сложных микроэлектронных усилителей, для получения большого входного сопротивления применяется так называемый режим микротоков, при которых токI₀ (ток покоя) не превышает 100 мкА. Более подробно режим микротоков будет рассмотрен далее в подразделе“Интегральный ГСТ”. Высокое входное сопротивление ДУ обусловливает режим источников сигнала (e₁, e₂), близкий к режиму источника ЭДС (режим холостого хода). Только такой ДУ, в котором выполняются сформулированные выше условия, составляет основу микроэлектронных входных каскадов УПТ, он и будет рассматриваться далее.

Идеальный ДУ. Для упрощения анализа работы и расчета параметров ДУ принимают ряд упрощений. Считают стабилизатор тока I₀ идеальным (R_{i ГСТ}=,I₀ = 0), считают, что транзисторыV1,V2 ирезисторыR_к1, R_к2 совершенно идентичны (β ₁ = β₂, r_э1 = r_э2, r_б1 = r_б2, I_ко1 = I_ко2, R_к1 = = R_к2). Тогда при отсутствии входного сигнала(e₁ = 0, e₂ = 0) в левой половине ДУ (V1, R_к1) протекает половина токаI₀ (I_э1 =I₀ /2) и в правой половине ДУ (V2, R_к2) – половина токаI₀ (I_э2 =I₀ /2). Напряжения покояU_кэА1=U_кэА2одинаковы (мост сбалансирован):

U_кэА1=U_кэА2=U_кА=Е_п– (I₀ /2) R_к. (4.7)

Это напряжение (4.7) называют также напряжением баланса (U_бал). На рис.4.8 это участок от 0 до t₁. Такой ДУ считают идеальным. Токи баз транзисторовI_бА1,I_бА2устанавливаются автоматически на уровнеI₀ / (2   (1+β)). В точке б устанавливается (тоже автоматически) небольшой отрицательный потенциал (доли вольта), обеспечивающий протекание токов баз I_бА1,I_бА2от корпуса с нулевым потенциалом к точке б.

Интегральный ГСТ. Стабилизация токаI₀в ДУ решается методами, специфичными для интегральных схем, при малых напряжениях питания (Е_э6…15 В). Схема интегрального ГСТ приведена на рис.4.6,а.

В основе решения ГСТ лежит высокая степень идентич­ности параметров пары интегральных транзисторов V3,V4.Транзис­торV4включен диодом, ток I₁через него задается резисторомR₁и источникомE_э :

На базах транзисторов V3,V4устанавливаются одинаковые напряжения U_бэ, значит, при идентичных параметрах транзисторов ток I₀,протекающий через V3,равен току I₁(пренебрегая то­ком I_б). При этом на коллектор V3достаточно подать небольшое напряжениеU_кэ1(единицы вольт). Ток I₀является“копией”тока I₁, и для стабильностиI₀достаточно обеспечить стабильность I₁,что в ИС достигается при малых напряженияхE_э (5 - 10В). Такую схему называют“токовым зеркалом” (I₀ является зеркальным от-ражением тока I₁) или “токовым отражателем”. На рис.4.6 приведена схема одинарного токового зеркала. Для стабилизации токов в ИС применяют также двойное токовое зеркало, которое обеспечивает лучшую стабилизацию, но имеет более сложную схему[8].

При изменении режима в цепи протекания тока I₀ (изменениеЕ_п, параметров транзисторов и др.) возникают колебания напряже­нияU_кэ3на коллекторе транзистора V3,которые при идеальном ГСТ не должны вызывать приращений тока I₀ (при постоянствеI₁ ). Однако для приращений транзисторV3представляет конечное экви­валентное сопротивлениеR_i (хотя и очень большое), равное диффе­ренциальному сопротивлению коллекторного переходаr_к(около1МОм). Поэтому приращенияU_кэ3вызывают малые приращения токаI₀:

. (4.8)

Эквивалентом такого ГСТ по эффективности в дискретной технике при нормальной величине тока в 1 мА был бы источникE_эв 1000В (приR_i = = 1МОм). Такие напряжения не реализуемы даже в дискрет­ной технике. Это сравнение указывает на весьма высокую эффектив­ность интегрального ГСТ.

В первых каскадах ИС-ДУ используется режим микротоков (I₀ составляет несколько десятков мкА) для получения высокого вход­ного сопротивления,

(4.9)

а также для уменьшения уровня шума во входной цепи и уменьшения тока потребления от источника питания. Для получения очень малого I₀в эмиттерные цепи включают резисторы R₂, R₃, как показано на рис.4.6,б.При этом токI₀ определяется соотношением[7]:

, (4.10)

где _т –температурный потенциал (для Т = 300К_т= 26мВ).R₂ берут обычно малой величины (или R₂= 0).При легко дос­тижимых в ИС величинахR₁ = R₃ = 10кОм,E_э =5 В токи I₁ = 0,5мА, I₀ = 10мкА.

Получается, что ток I₀ в схеме на рис.4.6,б и в равенстве (4.10) повторяет (отражает) токI₁ с коэффициентом, меньшим единицы, – масштабируется (при помощи резистораR₃). Масштабирование токаI₀ может быть выполнено также заданием разных величин площадейp-n-переходов транзисторовV3, V4(без резистораR₃). Масштаб определяется отношением площадейp-n-переходов и жестко задается при производстве ИС. При помощи же резистораR₃масштаб можно изменять плавно[7].