4.2.2. Работа ду

На рис.4.7 показана полная схема ИС – ДУ (со схемой ГСТ). В зависимости от способа подключения сигнала ко входу (входам) ДУ различают дифференциальный и синфазный сигналы. Реакция (усиление) ДУ на дифференциальный сигнал коренным образом отличается от реакции ДУ на синфазный сигнал.

Дифференциальный сигнал. Усиливаемый сигналU_добычно подключается между входами (Вх.1, Вх.2), как показано на рис.4.7. Такой сигнал называют дифференциальным. В цепи источника сигналаU_д(в базовой цепи) должна быть точка заземления для протекания постоянного тока (тока покоя) баз транзисторовV1,V2. Точка заземления в базовой цепи может быть произвольной – заземляется либо средняя точка источника сигналаU_д

(что предпочтительнее), либо одна из выходных клемм источника сигнала U_д(Вх.1 или Вх.2). На входы ДУ могут подключаться два источника сигналаe₁, e₂, как показано на рис.4.5. Тогда величина дифференциального сигнала определяется их разностью:

U_д=e₁- e₂. (4.11)

Дифференциальный сигнал U_драспределяется поровну между входами транзисторовV1, V2 и на входе каждоготранзистора (между базой и эмиттером) действуют одинаковые по величине, но противоположные по полярности управляющие напряжения U_у1,U_у2:

U_у1 = -U_у2=U_д/2,U_д= 2U_у1 = 2U_у2 . (4.12)

На рис.4.8 приведены графики изменения напряжения в ДУ под влиянием дифференциального сигнала U_д (под вляинием U_у1,U_у2). Сигнал U_д начина-ет увеличиваться с момента t₁. ПолярностьU_д,U_у1,U_у2 указана на рис.4.7. Под влиянием (управлением)U_у1 ток коллектора I_к1 транзистора V1 увеличивается, а напряжение коллектораU_к1 уменьшается согласно (4.7):

U_к1 =U_кA–ΔU_к1 = Е_п–I_к1R_к1.

Под влиянием U_у2(U_у2= -U_у1) ток коллектораI_к2 транзистора V2 уменьшается, анапряжение коллектораU_к2 увеличивается:

U_к2 =U_кA+ ΔU_к1 = Е_п –I_к2R_к2.

Изменения напряжений коллекторов ΔU_к1, ΔU_к2 будут одинаковыми по величине (т.к.транзисторы V1, V2 идентичны, а сумма токов эмиттеровI₀ жестко стабилизирована ГСТ –I₀ =const), но противоположны по знаку:

ΔU_к1 =ΔU_к2 .

Изменяться U_к1, ΔU_к2 будут до тех пор, пока будут изменяться токи коллекторов, т.е. до тех пор, пока ток коллектора одного из транзисторов достигнет величиныI₀ (на рис.4.7 этоI_к1), а ток другоготранзистора станет равным нулю (на рис.4.7 этоI_к2).

За полный выходной дифференциальный сигнал U_вых.дпринимается напряжение между коллекторамитранзисторов(между выходами):

U_вых.д=U_к1 -U_к2 = ΔU_к1 + ΔU_к2=2ΔU_к , (4.13)

которое равно также сумме отклонений ΔU_к1,ΔU_к2 напряжений коллекторов от напряжения балансаU_бал (от напряжения покоя). Можно снять сигнал также с одного выхода (с одного коллектора) относительно земли (корпуса) ΔU_к1 (или ΔU_к2). Тогда он будет в два раза меньше полного выходного дифференциального сигналаU_вых.д. Практически всегда используют полный сигналU_вых.д. Часто возникает необходимость приведения полного дифференциального сигнала к одному выходу, что будет подробно рассмотрено далее.

Параметры ДУ. Важнейшим для ДУ является дифференциальный коэффициент усиления по напряжениюK_ди дифференциальное входное сопротивлениеR_вх.д.

Дифференциальный коэффициент усиления K_допределяется отношением полного выходного дифференциального сигнала к входному дифференциальному сигналу:

(4.14)

Но отношение ΔU_к1 / U_у1 (ΔU_к2 / U_у2) является коэффициентом усиления каскада натранзисторе V1 (V2), который усиливает сигнал обычным порядком и определяется формулой (2.53):

, (4.15)

R_вх.эрассчитывается так же, как в формуле (2.45):

R_вх.э=r_б+r_э(1 + β).

В (4.15) принято считать, что ΔU_к1 =|ΔU_к2| = U_к, β₁= β₂= β₀,R_к1=R_к2= = R_к=R_экв,U_у1 = |U_у2| = U_у,R_вхэ1=R_вхэ2=R_вхэ.

Сравнивая (4.15) и (4.14) легко найти K_д:

. (4.16)

Коэффициент усиления K_ддифференциального усилителя из двух плеч– V1, V2,по величине равен коэффициенту усиления одного плечаK_U1 (K_U2). Объясняется это тем, что каждая половина ДУ усиливает половину входного сигнала.

Входное дифференциальное сопротивление

. (4.17)

Учитывая, что потенциал точки соединения эмиттеров (точки б на рис. 4.5) остается неизменным (для переменного тока – заземленным), входной ток (ток баз i_б) протекает только по цепи база – эмиттер транзистораV1, база – эмиттерV2, источник сигнала. Поэтому входное сопротивлениеR_вх.ддля источника сигналаU_дбудет составлять сумма входных сопротивлений транзисторовV1, V2:

R_вх.д=R_вх.э1+R_вх.э2=2R_вх.э= 2[r_б+r_э(1 + β)]. (4.18)

Соотношения (4.14) – (4.18) получены при условии ΔI₀ = 0 (R_i = ), хотя на практике ΔI₀  0. Однако всегда выполняется условие R_i > R_вх.эи погрешности формул (4.14) – (4.18) очень малы.

Синфазный сигнал. Синфазным называют сигналU_сф, присутствующий одновременно (в фазе) на обоих входах. Его можно представить как сигнал, подключенный между параллельно соединенным входами Вх.1, Вх.2 и землей (корпусом). Конечно, на практике входы ДУ не запараллеливают, но синфазный сигнал на входах присутствует. Например, в общем случае с двумя источниками сигналаe₁, e₂ (см. рис.4.5) величина синфазного сигнала определяется их полусуммой:

. (4.19)

Качество ДУ во многом определяется его реакцией на синфазный сигнал. ДУ с идеальным ГСТ (ΔI₀ = 0, R_i = ) не должен реагировать на синфазный сигнал, т.е. коэффициент усиленияK_сф синфазного сигнала равен нулю (K_сф = 0). Это очень ценное свойство ДУ, которое позволяет выделять очень малый полезный (дифференциальный) сигнал на фоне большого синфазного сигнала (иногда на порядок и более превышающего U_сф). Роль синфазного сигнала часто играют помехи. Например, слабый сигнал датчика U_дпроводами подключается между входами Вх.1, Вх.2. На обоих проводах одновременно при этом может наводиться одинаковая по величине и фазе помеха от внешних полей, являющаяся синфазным сигналом. Величина помехи может быть очень большой. Идеальный ДУ выделяет и усиливает слабый сигнал датчика (дифференциальный сигнал) и никак не реагирует на помеху. В выходном сигналеU_вых помеха уже отсутствует.

В реальных ДУ с реальным ГСТ ΔI₀  0, R_i  . ПоэтомуK_сф  0, но очень мал, так как падение напряжения ΔI₀ R_i является сигналом ООС (отрицательной обратной связи) для синфазного сигнала. С учетом ООС можно найти K_сф для реальных ДУ:

(4.20)

Результатом отклика неидеального ДУ на синфазный сигнал (4.20) является увеличение тока I₀ на величину ΔI₀. При этом изменяется (уменьшается) напряжение баланса на ΔU_бал, как показано на рис.4.8 пунктиром. Для количественной оценки реакции ДУ на синфазный сигнал (возможности ДУ различать малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного) используется показатель (параметр) ООСС – отношение ослабления синфазного сигнала:

ООСС = 20 lg (K_сф / K_д ) [дБ]. (4.21)

Этот параметр приводится в паспортных данных. Величина K_сф обычно не указывается. Для современных ИС – ДУ ООСС находится в пределах от -60 до -120 дБ (K_сф/K_д = 10^-3…10^-6). Некоторые исследователи параметр ООСС называют и обозначают по-другому.

Входное сопротивление синфазному сигналу R_вх.сф находится с учетом ООС на R_i и того, что входы транзисторов V1, V2соединены параллельно для синфазного сигнала:

R_вх.сф = R_вхэ/2 + R_i (1+β)  βR_i, (4.22)

R_i = r_к  1 МОм.