ЛекцииСАиЦУ_ФКП

Каскодное соединение ОЭ-ОБ по усилительным свойствам соответствует одиночному каскаду ОЭ, но по сравнению с ним обеспечивает повышенную устойчивость работы схемы при их работе на повышенных частотах. Последнее объясняется тем, что в каскодном соединении входной каскад (каскад ОЭ), работает при малом значении коэффициента усиления (КОЭ = 1), в результате чего ток паразитной обратной связи через проходную емкость транзистора VT1 имеет очень малое значение.

5.3.2. Схемные построения на эмиттерно-связанных транзисторах

Широкое распространение в аналоговых схемах, выполненных как по интегральной, так и по дискретной технологии, находит схемное построение рис. 5.7.

Основной составной частью этого схемного построения является эмиттерно-связанная пара транзисторов VT1 и VT2 с идентичными (согласованными) характеристиками. На базе этой конфигурации реализуются не только схемы усиления, но и устройства перемножения сигналов, регулировки усиления, функционального преобразования. Эта конфигурация является

83

основным звеном усилителей постоянного тока. Рассмотрим режим работы этой схемной конфигурации на постоянном токе.

Типовое ее включение предполагает использование двух разнополяр-

ных источников напряжения E−п и E+п и подключение базовых выводов тран-

зисторов на переменном токе к точке нулевого потенциала. В силу симметрии схемы в ней в коллекторных цепях транзисторов протекают одинаковые токи. При этом IЭ02

Пример. Какое сопротивление R0 надо включить в схеме рис. 5.7,а для того чтобы рабочий ток ее транзисторов составлял 2,1 мА при напряжении источника E−п = –5В ?

Решение. В соответствии с тем, что искомые токи IК 0 = I0/2, а также с учётом (5.2)

В ряде случаев условия работы схемы отличаются от типовых. Часто базовые выводы транзисторов VT1 и VT2 подключены к точкам с ненулевым значением постоянных потенциалов, например к средней точке резистивного делителя постоянного напряжения. Такая ситуация часто встречается на практике, когда рассматриваемая схема питается от однополярного источника питания (рис. 5.7,б), а также в многокаскадных усилительных трактах, когда в их состав входят несколько непосредственно или кондуктивно связанных каскадов. В этих условиях особое внимание обращается на обеспечение симметрии схемы на постоянном токе, которая достигается строгим вырав-

84

ниванием токозадающих потенциалов U01 и U02 в точках подключения базовых выводов транзисторов VT1 и VT2, например подбором сопротивлений в резистивных делителях, питающих базовые цепи транзисторов в схеме рис. 5.7,б.

Необходимость выполнения условия симметрии связана с тем, что рассматриваемая схема весьма чувствительна к разности потенциалов между базовыми выводами транзисторов VT1 и VT2, то есть к разности потенциалов U0 = U01 – U02. Возникновение этой разности потенциалов хотя и не приводит к заметным изменениям тока I0, но вызывает его перераспределение между двумя ветвями схем. В результате этого коллекторно-эмиттерный ток одного транзистора увеличивается, а другого — уменьшается. Появление разности потенциалов между базами транзисторов в 70…80 мВ вызывает практически полную асимметрию в работе схемы на постоянном токе, при которой один из транзисторов оказывается закрытым, а другой — в состоянии насыщения, вследствие чего схема теряет способность усиливать сигналы.

Сниженные влияния разбаланса U0 входных потенциалов U01 и U02.на работу схемы рис. 5.7. может быть достигнуто за счет введения в эмиттерные

или фазорасщепляющего каскада, то есть каскада, задачей которого является фор-

85

мирование из одиночного сигнала uВХ двух противофазных сигналов равных амплитуд. При использовании схем рис. 5.7,а в качестве фазоинвертора, как показано на рис. 5.9., в коллекторных цепях транзисторов VT1 и VT2 на ре-

зисторах RК1 и RК2 образуются два выходных противофазных сигнала — uВЫХ1

и uВЫХ2. (см. рис. 5.9.).

Преобразование входного сигнального напряжения uВХ в напряжение uВЫХ 2 осуществляется двухтранзисторным усилительным трактом по схеме

ОК-ОБ, то есть K2 = uВЫХ 2 = KОК ·KОБ .f

uВХ

Для уменьшения различия коэффициентов усиления К1 и К2 и соответ-

ственно напряжений uВЫХ 1 и uВЫХ 2 необходимо увеличивать сопротивление резистора R0.

86

Глава 6. Базовые схемные конфигурации аналоговых микросхем

иусилителей постоянного тока

6.1.Дифференциальный усилительный каскад

Схемные конфигурации, предназначенные для выполнения в виде микросхем, обладают рядом особенностей. По своему построению они, как правило, являются усилителями постоянного тока, при их организации используется ряд типовых схемных построений, таких как генератор стабильного тока (ГСТ), схема сдвига уровня, конфигурация «токовое зеркало» и др.

Одной из широко используемых в микросхемах и усилителях постоянного тока конфигураций является схемное построение типа дифференциальный усилительный каскад (ДК) или усилитель разности, усиливающий разность двух напряжений. Остановимся на общих свойствах дифференциального каскада и связанных с ним основных понятиях и определениях.

Дифференциальный усилитель — это усилитель с двумя входами, относительно которых коэффициенты передачи равны по величине и противоположны по знаку. Дифференциальный усилитель, у которого указанные условия выполняются, называется идеальным дифференциальным усилителем. Один из входов ДК называется неинвертирующим (или прямым), другой — инвертирующим. Усиление сигнала, поступающего на неинвертирующий вход, происходит без изменения знака (без изменения фазы), а поданного на инвертирующий вход — с изменением (инверсией) знака на противоположный. В дальнейшем параметры, характеризующие свойства ДК по неинвертирующему входу, будем отмечать индексом «+», по инвертирующему — «– ». На схемах зажим, соответствующий инвертирующему входу, отмечается символом инверсии (рис.6.1).

Выходной эффект ДК определяется наложением (суперпозицией) результатов усиления сигналов, воздействующих на оба входа, то есть

87

где K+, К− — коэффициенты передачи ДК относительно неинверти-

рующего и инвертирующего входов.

Рис. 6.1.

В идеальном ДК K+ = К−, в результате чего его выходной сигнал не-

зависимо от уровней сигналов uВХ +и uВХ − определяется только их различи-

ем, поэтому ДК часто называют усилителем разности.

Во входном сигнале ДК различают дифференциальную (разностную) u Д и синфазную (парафазную) uС составляющие:

метрию) сигналов uВХ +и uВХ −, а синфазная uС — степень их совпадения

(симметрии).

В реальных ДК коэффициенты передачи К+ и К− могут различаться, в

результате чего выходной сигнал зависит не только от дифференциальной (разностной) составляющей сигналов uВХ + и uВХ −, но и от синфазного зна-

чения (от синфазного сигнала), при этом

88

КС — коэффициент передачи синфазной uС составляющей сигналов

uВХ + и uВХ −.

Первый коэффициент характеризует усиленные свойства ДК в среднем,

Качество усилителя как дифференциального в первую очередь определяется степенью относительного различия коэффициентов КД и КС . Отно-

значают как μС . Из (6.4.а) и приведенного определения параметра μС следу-

ет

В ДК высокого качества этот коэффициент может достигать значений 105…106. Для идеального ДК μС = ∞. Обычно значения коэффициентов ос-

лабления синфазного сигнала приводятся в децибелах, а именно

μС,дБ = 20Lg μС .

На рис. 6.2. приведена эквивалентная схема, при составлении которой учтены возможные отклонения свойств реальных ДК от идеальных. В ней отражены такие свойства реальных дифференциальных усилителей, как его чувствительность к воздействию синфазного сигнала, ненулевое значение его

выходного сопротивления RВЫХ , конечность входных сопротивлений RВХ Д

.

и RВХ С для дифференциальной и синфазной составляющих сигналов uВХ +и

.

89

uВХ −. Вследствие того, что RВХ. Д ≠ ∞ и RВХ.С ≠ ∞ в схеме возникают вход-

ные сигнальные токи iД и iС при этом

Рис. 6.2.

Обычно при схемной организации ДК ориентируются в первую очередь на использование эмиттерно-связанных транзисторов.

Рассмотрим возможности использования схем рис. 5.7. и 5.9. в качестве ДК. Для этого в этих схемах выделим пару входных зажимов 1 и 2 и один выходной 3 (рис. 6.3.).

Рис. 6. 3.

90

По отношению к выходу 3 вход 2 — неинвертирующий, так как передача К2.3 от этого входа до точки 3 определяется двухкаскадной схемой ОК

– ОБ, в которой оба каскада не инвертируют фазу, т.е. К1.3 = К−, где К1.3 —

Выражения (6.5)…(6.7) относятся к схемным построениям, в которых отсутствуют дополнительные резисторы RF в эмиттерных цепях транзисто-

ров. Включение в состав схемы ДК этих резисторов (см. рис. 5.8.) снижает дифференциальный коэффициент усиления КД , при этом

μC = g2.1(R0 + R f ) ≈ g2.1R0 .

Последние соотношения указывают на то, что включение резисторов R f практически не отражается на коэффициенте передачи КС синфазного сигнала и его коэффициенте ослабления.

Работа схемы рис. 5.7,а на постоянном токе при ее использовании в качестве простейшего ДК рис. 6.3. имеет ряд особенностей. Эти особенности обусловлены возможным воздействием на вход ДК существенного постоянного синфазного напряжения UC . В схеме рис. 6.3. в качестве токозадающей разности потенциалов выступает не только напряжение источника питания

91

EП−, но и постоянная составляющая UC 0 самого синфазного напряжения. В

Следует отметить, что ненулевое по значению постоянное синфазное напряжение UC 0 может вызвать выход РТ за пределы линейной области выходных ВАХ транзисторов, так как это напряжение передается в эмиттерную цепь транзисторов VT1 и VT 2 , изменяя потенциалы их эмиттеров и соответственно разность потенциалов UКЭ 0. В связи с этим необходимо, чтобы зна-

чение напряжения источника питания EП+ отвечало условию

EП+ ≥U НАЧ +UC +uМ. ВЫХ , где uМ. ВЫХ — амплитуда сигнального напряжения на коллекторах транзисторов VT1 и VT 2 .

6.2. Генератор стабильного тока и его применение в схеме дифференциального усилительного каскада

Недостатком ДК, выполненного по простейшей схеме рис. 6.3. является низкое значение коэффициента ослабления синфазного сигнала. Повышение значений этого коэффициента может быть достигнуто согласно (6.6) за счет увеличения сопротивления резистора R0 . Но непосредственно увеличение сопротивления резистора R0 в схеме рис. 6.3. вызывает уменьшение коллек-

торных токов и соответственно ухудшение согласно (6.5) усилительных свойств каскада. В связи с этим в эмиттерную цепь целесообразно включить схему, называемую генератором стабильного тока (ГСТ).

Схема ГСТ способна создавать требуемые значения тока I0 при отно-

сительно невысоких напряжениях источника питания EП−. В то же время она является высокоомным источником постоянного тока, т.е. двухполюсником, в

92