Дифференциальные усилительные каскады

Для усилительных каскадов на биполярных транзисторах в схеме с ОЭ, ОК, ОБ имеется ряд трудностей:

1. При стабилизации режима покоя (нагревание активных элементов с помощью сопротивления в эмиттерной цепи) происходит значительное уменьшение коэффициента усиления засчет ООС.

2. При связи каскадов друг с другом коэффициент усиления уменьшается засчет потерь на резистивных элементах. Для снижения этого явления применяется схема со сложным источником питания.

3. В усилителях (для всех схем включения) имеется дрейф нуля, который снижает коэффициент усиления

Дифференциальный каскад (ДК) – симметричные усилитель постоянного тока с двумя входами, выполненный на двух транзисторах с эмиттерной связью.

В идеальном ДК выходное напряжение пропорционально только разности входных напряжений и не зависит от их абсолютных величин.

Рис.1 Принципиальная схема

В идеальном ДК идентичными считают элементы в обоих плечах, а Rэ является общим эмиттером. ДК называется параллельно-балансовым каскадом. Питание осуществляется от двух источников равных по модулю Е. Таким образом суммарное напряжение на ДК составляет 2Е.В схеме имеются взаимосимметричные точки.

Сигналы, равные по амплитуде и одинаковые по знаку, действующие во взаимосимметричных точках будут называться синфазными.

Сигналы, равные по амплитуде, но противоположные по знаку – парафазные.

В общем случае если на входах ДК действуют сигналы различной величины, то такое изменение входного сигнала называется дифференциальным или разностным.

Произвольные сигналы, действующие на вход ДК, можно представить в виде суммы синфазного и парафазного сигналов.

Тогда для сигналов на входах VT1 и VT2 должно сохранятся соотношение:

Uвх1=Uвх.сф + Uвх.пф

Uвх2=Uвх.сф - Uвх.пф

О ткуда и следует способ определения этих составляющих. Тогда назначение ДК состоит в усилении разности входного сигнала U_вх.раз=U_вх1-U_вх2. Отсюда, усиление разностного входного сигнала сводится к рассмотрению усиления парафазной составляющей входного сигнала. Для идеального симметрического ДК:

П оэтому разность сигнала на выходе между коллекторами определиться как

Т.е. коэффициент усиления разностного сигнала совпадает с коэффициентом усиления парафазного сигнала в каждом плече

Uвых.раз = Ku(Uвх1 – Uвх2)

Это выражение показывает, что выходной разностный сигнал не зависит от величины синфазного сигнала. Идеальный ДК не усиливает синфазные сигналы. В идеальном ДК не будет появляться Uраз в случае возможной нестабильности источника питания, т.е. не будет появляться дрейф нуля.

Пренебрегая базовым током транзистора Iэ1= Iэ2= Iэ/2, Iк1= Iк2= Iэ/2.

При действии дифференциального сигнала увеличение коллекторного тока одного транзистора соответствует уменьшению коллекторного тока другого транзистора. Реальную симметрию каскада можно обеспечить не лучше чем на 2-4%, это приводит к появлению на выходе ложного сигнала (ошибки) вызванного синфазным сигналом. С учетом коэффициента усиления это может привести к превышению ложного сигнала над небольшим полезным сигналом. Для борьбы с этими явлением после принятия мер по симметрированию она достигается балансировкой плеч. Остается один пункт - сильное уменьшение коэффициента усиления для уменьшения синфазного входного сигнала каждым плечом. Практически нужно подключит Rэ с большим сопротивлением.

Введем коэффициент усиления синфазного сигнала в каждом плече для идеального ДК

(1- )<<1

R э>>rэ

Режим х.х. при нагрузке R~=Rк||Rн

Т .к. Rэ общее, то его необходимо увеличить в 2 раза

Rк = 5кОм Rэ = 1МОм, тогда Ксф = 10^-3

Правильно говорить, не о коэффициенте усиления, а о коэффициенте передачи синфазного сигнала или о его подавлении. Т.о. при помощи этого разность двух сигналов стремиться к нулю.

При симметрии

1 = + ∆ Rк1 = Rк + ∆Rк

2 = - ∆ Rк2 = Rк - ∆Rк

- степень асимметрии

U вых = Kпр Uвх.сф, Кпр – коэффициент преобразования синфазного сигнала в разностный сигнал на выходе (сигнал ошибки)вх1

М ожно сказать, если ток I_э1 в первом плече увеличивается, то ток I_э2 должен уменьшаться. Усилитель в схеме с ОЭ увеличивает ток, напряжение и переворачивает фазу, выходное сопротивление мало. Усилитель в схемах с ОК (эмиттерный повторитель) не переворачивает фазу, повторяет напряжение, фазу и усиливает ток, малое выходное сопротивление. Усилитель в схеме с ОБ усиливает напряжение, но не усиливает ток, более помехозащищенный. Выходное сопротивление равно 2R_к. Входное сопротивление в схеме с ОЭ равно 2_h11э. Напряжения ошибки необходимо сравнить с полезным выходным разностным напряжением, введем коэффициент ослабления синфазного входного сигнала, которое показывает во сколько раз коэффициент усиления дифференциального входного сигнала выше, чем синфазный сигнал

->0 => Kосс->∞

П ри нагрузке R_н включается параллельно R_к

Для поддержания нормального режима работы необходимо увеличить напряжение питания эмиттерной цепи, но иногда можно это не делать и включить источник стабильного тока

рис.2

Частотные характеристики

Ri – входное сопротивление источника питания