40. Дифференциальные усилительные каскады

40.1 Схемные построения на эмитерно связанных транзисторах(полная версия)

Та или иная модификация дифференциального каскада входит в состав большинства аналоговых микросхем, в том числе в основу усилительной микросхемотехники – операционный усилитель (ОУ). Принципиальная схема простейшего базового дифференциального усилителя (ДУ) – с симметричной нагрузкой и симметричным входом приведена на рис. 7.1.

Нагрузка включена в сбалансированную по постоянному току диагональ моста. У идентичных транзисторов V1 иV2 все параметры при любом дестабилизирующем воздействии (изменении питания, температуры, старении) меняются одинаково, следовательно потенциалы коллекторов транзисторов V1 иV2 равны, а на нагрузке не наводится постоянное напряжение (дрейф нуля). Дрейф нуля, то есть медленно меняющееся напряжение на выходе усилителя при отсутствии входного сигнала, является характерным недостатком усилителей постоянного тока (УПТ) с непосредственной связью между каскадами. (Большинство микросхем по структуре – УПТ с непосредственной связью). Самым эффективным методом борьбы с дрейфом нуля является использование ДУ в качестве первых каскадов УПТ. Реально, конечно, из-за разброса параметров транзисторов дрейф не исчезает, а уменьшается в 10-100 раз.

Свое название ДУ получил из-за того, что напряжение на его нагрузке (т.е. дифференциальном выходе) пропорционально разности входных сигналов (или дифференциальному входному сигналу):

Различают воздействие на ДУ противофазного U вх1 = -U вх2 и синфазного U вх1 = U вх2 сигналов.

При противофазном воздействии переменные составляющие эмиттерных токов V1 иV2 противофазны, следовательно, через эмиттер протекает только постоянный ток

а по переменному

току потенциал точки a равен 0. Поэтому можно считать, что V1 иV2

включены по схеме с ОЭ и показатели ДУ определяются показателями

каскада с ОЭ. Тогда для одного плеча

(Здесь R~ = R ,так как Rн >> R) .

Учитывая противофазность входных напряжений, дифференциальное входное напряжение и относительно дифференциального входного напряжения коэффициент усиления напряжения одного плеча

Входное сопротивление одного плеча

Входное сопротивление ДУ

При воздействии синфазного сигнала для симметричной схемы Uвхд = 0 , т.е. синфазный входной сигнал (например, синфазные наводки) полностью подавляются. Степень симметрии схемы зависит от Rэ , на котором за счет протекания переменных составляющих токов эмиттера ( I ~ = I э1 + I э 2 = 2 I э ) создается ООС. Коэффициент усиления синфазного сигнала (по отношению к одному плечу) Ku c = U вых1 U вх с , где U вх с = U вх1 = U вх2 . Поскольку для синфазного сигнала в ДУ действует ООС, то

где Rв х ос входное

сопротивление ДУ для синфазного сигнала

Rв х ос = U вх с / I б ;

Для оценки степени подавления синфазного сигнала вводят коэффициент ослабления синфазного сигнала

характеризующий способность выделять слабый противофазный сигнал на фоне сильной синфазной помехи. Учитывая (7.1) и (7.2), а также (5.2), из (7.3) получим

Следовательно, для большего подавления синфазной помехи нужно увеличивать Rэ . Известны разные модификации ДУ. Они бывают как с симметричными входами и выходами, так и с несимметричными. Как уже отмечалось, часто используется схема с несимметричным выходом (нагрузкой). На рис. 7.2. схема представлена в упрощенном виде без цепей смещения. Здесь по-прежнему напряжение на выходе пропорционально разности входных сигналов, так как транзистор V 2 управляется разностным сигналом (двойное управление). Коэффициент усиления напряжения ДУ определяется коэффициентом усиления плеча Ku д

Как показано выше, чем больше Rэ , тем больше подавление синфазной помехи, меньше дрейф нуля, большая симметрия схемы, что объясняется действием ООС по переменному току. В то же время увеличение сопротивления постоянному току в цепи эмиттера приводит к увеличению напряжения источника питания Е , к снижению коэффициента усиления K и , что недопустимо. Следовательно, в качестве Rэ используется не резистор, а генератор стабильного тока (ГСТ), обеспечивающий большое сопротивление по переменному току и малое по постоянному.

40.1 Схемные построения на эмитерно связанных транзисторах(полная версия)

Та или иная модификация дифференциального каскада входит в состав большинства аналоговых микросхем, в том числе в основу усилительной микросхемотехники – операционный усилитель (ОУ). Принципиальная схема простейшего базового дифференциального усилителя (ДУ) – с симметричной нагрузкой и симметричным входом приведена на рис. 7.1.

Нагрузка включена в сбалансированную по постоянному току диагональ моста. У идентичных транзисторов V1 иV2 все параметры при любом дестабилизирующем воздействии (изменении питания, температуры, старении) меняются одинаково, следовательно потенциалы коллекторов транзисторов V1 иV2 равны, а на нагрузке не наводится постоянное напряжение (дрейф нуля). Дрейф нуля, то есть медленно меняющееся напряжение на выходе усилителя при отсутствии входного сигнала, является характерным недостатком усилителей постоянного тока (УПТ) с непосредственной связью между каскадами. (Большинство микросхем по структуре – УПТ с непосредственной связью). Очевидно, чем ближе ко входу усилителя возникает дрейф нуля, тем он опаснее так как в результате усиления уровень выходного паразитного сигнала может быть заметным. Самым эффективным методом борьбы с дрейфом нуля является использование ДУ в качестве первых каскадов УПТ. Реально, конечно, изза разброса параметров транзисторов дрейф не исчезает, а уменьшается в 10-100 раз.

Свое название ДУ получил изза того, что напряжение на его нагрузке (т.е. дифференциальном выходе) пропорционально разности входных сигналов (или дифференциальному входному сигналу):

Различают воздействие на ДУ противофазного U вх1 = -U вх2 и синфазного U вх1 = U вх2 сигналов.

При противофазном воздействии переменные составляющие эмиттерных токов V1 иV2 противофазны, следовательно, через эмиттер протекает только постоянный ток

а по переменному

току потенциал точки a равен 0. Поэтому можно считать, что V1 иV2

включены по схеме с ОЭ и показатели ДУ определяются показателями

каскада с ОЭ. Тогда для одного плеча

(Здесь R~ = R ,так как Rн >> R) .

Учитывая противофазность входных напряжений, дифференциальное входное напряжение и относительно дифференциального входного напряжения коэффициент усиления напряжения одного плеча

Входное сопротивление одного плеча

Входное сопротивление ДУ

При воздействии синфазного сигнала для симметричной схемы U вх д = 0 , т.е. синфазный входной сигнал (например, синфазные наводки) полностью подавляются. Степень симметрии схемы зависит от Rэ , на котором за счет протекания переменных составляющих токов эмиттера ( I ~ = I э1 + I э 2 = 2 I э ) создается ООС. Очевидно, на выходе каждого из плеч ДУ будет действовать напряжение синфазного сигнала, которое важно оценить и учитывать при переходе на несимметричный вход. Коэффициент усиления синфазного сигнала (по отношению к одному плечу) Ku c = U вых1 U вх с , где U вх с = U вх1 = U вх2 . Поскольку для синфазного сигнала в ДУ действует ООС, то

где Rв х ос входное

сопротивление ДУ для синфазного сигнала

Rв х ос = U вх с / I б ;

Для оценки степени подавления синфазного сигнала вводят коэффициент ослабления синфазного сигнала

характеризующий способность выделять слабый противофазный сигнал на фоне сильной синфазной помехи. Учитывая (7.1) и (7.2), а также (5.2), из (7.3) получим

Следовательно, для большего подавления синфазной помехи нужно увеличивать Rэ . Отметим, что Rэ играет роль и автобалансировки схемы. Если, например, при подаче противофазного сигнала по какойлибо

Причине Ku 1 ¹ Ku 2 , то в точке a появляется переменная составляющая U ос , увеличивающая сигнал на входе того транзистора, у которого коэффициент усиления меньше и наоборот. Известны разные модификации ДУ. Они бывают как с симметричными входами и выходами, так и с несимметричными. Как уже отмечалось, часто используется схема с несимметричным выходом (нагрузкой). На рис. 7.2. схема представлена в упрощенном виде без цепей смещения. Здесь попрежнему напряжение на выходе пропорционально разности входных сигналов, так как транзистор V 2 управляется разностным сигналом (двойное управление). Коэффициент усиления напряжения ДУ определяется коэффициентом усиления плеча Ku д

Как показано выше, чем больше Rэ , тем больше подавление синфазной помехи, меньше дрейф нуля, большая симметрия схемы, что объясняется действием ООС по переменному току. В то же время увеличение сопротивления постоянному току в цепи эмиттера приводит к увеличению напряжения источника питания Е , к снижению коэффициента усиления K и , что недопустимо. Следовательно, в качестве Rэ используется не резистор, а генератор стабильного тока (ГСТ), обеспечивающий большое сопротивление по переменному току и малое по постоянному.

40.2 Фазоинверсный каскад с эмиттерной связью

Транзистор V1 включен по схеме с ОЭ, а транзистор V2 – с ОБ. Возбуждения на выходы транзисторов V1 и V2 подаются в противофазе (последовательное возбуждение) и

uв х = uв х1 + u вх2 . Таким образом, транзисторы V1 и V2 работают в противофазе, переменные составляющие эмиттерных iэ1 и iэ2 и коллекторных iк 1 и iк 2 токов сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180o , что обусловливает противофазность выходных напряжений uв ых1 и uв ых2 . Очевидно, что uв ых1 всегда несколько больше uв ых2 , так как напряжение возбуждения ведомого плеча uв х2 создается за счет разности переменных составляющих эмиттерных токов ( iэ 1 iэ 2 ). С другой стороны, для примерного равенства выходных напряжений должно выполняться и примерное равенство входных управляющих напряжений.

Для ведомого плеча схемы рис. 6.24 имеем:

где Sэ крутизна эмиттерных токов транзисторов по напряжению на входе.

Из (6.7)

, откуда видно, что, хотя U вх2 < U вх1 , но с увеличением Rэ степень симметрии схемы возрастает. Для оценки асимметрии вводят коэффициент асимметрии

Для рассмотренной схемы

Если считать, что U вх 2 = U вх1 = 0, 5 U вх , то входной ток транзистора V1 вдвое меньше входного тока в резисторном каскаде, а следовательно, вдвое больше входное сопротивление и вдвое меньше динамическая входная емкость, что улучшает частотные и переходные искажения каскада.

40.3 Генераторы стабильного тока

ГСТ является базовым каскадом интегральных микросхем и наиболее широко применяется в ОУ в качестве высокоомного динамического сопротивления нагрузки или источника фиксированного тока в эмиттерной цепи ДУ.

Простейшим ГСТ является транзистор, включенный с ОЭ, в котором используется переход кэ. имеющий большое сопротивление по переменному току и небольшое по постоянному, что видно из рис. 7.3.

На рис. 7.4 приведена упрощенная схема ДУ с ГСТ, в которой выходное сопротивление транзистора по переменному току еще более

увеличено за счет введения ООС по току.

Здесь в качестве Rэ ~ используется Rв ых ос транзистора V3 (сотни кОм). Транзистор V4 в диодном включении совместно с резисторами R1 , R2 обеспечивают выбор режима работы транзистора V3 и его термостабилизацию.