10.2.2. Истоковый повторитель

Принципиальная схема повторителя приведена на рис. 10.11,а, а эквивалентная малосигнальная схема – на рис. 10.11,б. В схеме использован полевой транзистор с управляющим р-n-переходом. Выводы, сделанные для этой схемы, могут быть применимы и к истоковому повторителю на МДП-транзисторе. В приведенной схеме (рис. 10.11) сток через очень малое сопротивление источника пита­ния Е_C соединен с общей шиной каскада, т.е. вывод стока является общим для входной и выходной цепей. Поэтому истоковый повтори­тель включен по схеме с общим стоком (ОС), как и эмиттерный пов­торитель по схеме с общим коллектором (ОК).

Для каскада с ОС по эквивалентной схеме, приведенной на рис. 10.11, можно вычислить коэффициент усиления по напряжению:

(10.20)

Из формулы следует, что К_U < 1, но при увеличении . При этом нетрудно убедиться, что каскад с ОС не инвертирует фазу сигнала. Оба эти фактора и определили название «повтори­тель напряжения».

Выходное сопротивление для каскада с ОС на низких частотах, определенное как и ранее,

(10.21)

Если , тои в случае

(10.21а)

Таким образом, чем меньше крутизна полевого транзистора (а она снижается при уменьшении рабочего тока), тем выше .

Что касается входного сопротивления истокового повторителя, то оно принципиально велико – это дифференциальное сопротивле­ние обратновключенного управляющего перехода, а в случае схемы на МДП-транзисторе – еще выше, так как определяется сопротивле­нием диэлектрической пленки под затвором.

10.3. Усилительный дифференциальный каскад

Усилительный дифференциальный каскад (ДК) предназначен для усиления разности двух напряжений. В идеальных ДК выход­ное напряжение пропорционально только разности входных напря­жений, приложенных к двум его входам, и не зависит от их абсо­лютной величины.

Принципиальная схема базового ДК показана на рис. 10.12,а. У идеального ДК идентичными (одинаковыми) считаются элемен­ты в обоих его плечах: транзисторыи, резисторы ив коллекторных цепях, а резисторявляется общим для обоих плеч. Каждое плечо является каскадом с ОЭ. Дифференциальный каскад является реальным воплощением принципа согласования цепей (см. § 10.1.1).

Питание ДК осуществляется от двух источников, напряжения ко­торых равны (по модулю) Е. Таким образом, суммарное напряжение питания ДК составляет 2Е. Использование двух источников питания позволяет поддерживать потенциалы эмиттеров иблизкими к потенциалу общей шины (земли). Это, в свою очередь, позволяет подводить на входы ДК сигналы от заземленных источников (без применения компенсирующих цепей).

Схема на рис. 10.12,а характерна тем, что в ней имеются взаим­но симметричные точки: базы транзисторов, эмиттеры транзисторов и коллекторы транзисторов. Сигналы, равные по амплитуде (вели­чине) и одинаковые по знаку, действующие во взаимно симметрич­ных точках, будем называть синфазными. Сигналы же, равные по амплитуде (величине), но противоположные по знаку, действующие во взаимно симметричных точках, логично называть парафазным¹ сигналами, однако обычно применяют менее удачное название – дифференциальные сигналы.

Произвольные сигналы, действующие в каждой паре взаимно симметричных точек, можно представить в виде суммы синфазного и парафазного(рис. 10.12,б). Например, для сигналов на входах (базах) транзисторовиииможно записать

(10.22)

Откуда следует и способ определения этих составляющих:

(10.23)

Последнее нашло отражение на рис. 10.13. Представление в виде двух составляющих облегчает расчет ДК.

Как отмечалось, назначение ДК состоит в усилении разности входных сигналов, т.е.

(10.24)

Но в соответствии с (10.22)

(10.25)

Таким образом, рассмотре­ние усиления разностного входного сигнала сводится к рассмотрению усиления парафазной составляющей входных сигналов. Если на входе положитель­ное, то на входеоно от­рицательное, а их разность как раз и составит.

Разностный входной сигнал (10.25) создает в идеально симметричном ДК между взаимно симметричными точками коллек­торовии, так что выходное разностное напряже­ние между коллекторами

(10.26)

где по определению (10.22) и, можно также представить синфазной и парафазной составляющими:

(10.27)

Поэтому разностный (или дифференциальный) сигнал на выходе (в диагонали моста между коллекторами) подобно (10.25)

(10.28)

Назовем коэффициентом усиления ДК отношение разностных сигналов на выходе и входе:

(10.29)

Используя (10.28) и (10.27), сведем (10.29) к виду

(10.29а)

т.е. коэффициент усиления разностного сигнала совпадает с коэф­фициентом усиления парафазного сигнала в каждом плече, если они идентичны. С учетом (10.29)

(10.29б)

Это выражение показывает, что выходной разностный сигнал не за­висит от величины синфазного сигнала (последний не вошел в фор­мулу). Эта независимость от синфазного сигнала получилась пото­му, что предполагалась идентичность (равенство) параметров сим­метричных элементов ДК: транзисторов и, резисторов ии др. Действительно, при таком предположении обеспечивается точный баланс моста и разность потенциалов между коллекторами при отсутствии разностного сигнала на входе обязательно равна ну­лю, так как потенциалы коллекторовипри наличии синфазного сигнала (одинакового по величине и знаку) будут увеличивать­ся или уменьшаться на одну и ту же величину. Аналогично не будет появляться разность потенциалов в случае возможной нестабиль­ности напряжения источников питания, т.е. не будет наблюдаться так называемый дрейф нуля.

Однако реально симметрию можно обеспечить не лучше 2...4 %. Это приводит к появлению в разностном выходном сигнале ложного сигнала (ошибки), вызванного синфазным сигналом. Следует доба­вить, что синфазный сигнал на входе может значительно превышать парафазный сигнал. Если бы коэффициенты усиления синфазного и парафазного сигналов были одинаковы, то это могло привести на выходе к превышению ложного сигнала над небольшим полезным сигналом, вызванным парафазным сигналом на входе. Таким образом, для борьбы с этим явлением после принятия мер по симметри­рованию остается только один путь – сильное уменьшение коэффи­циента усиления для синфазного входного сигнала каждым плечом ДК по сравнению с коэффициентом усиления парафазного сигнала. Это достигается в схеме на рис. 10.12 включением в общую эмиттерную цепь ибольшого сопротивления, которое, как гово­рят, вызывает сильную отрицательную обратную связь в ДК. Пояс­ним качественно роль .

Введем коэффициент усиления синфазного сигнала в каждом плече (в идеальном ДК они равны):

(10.30)

Значение его может быть вычислено по обычной формуле (10.5) для простейшего усилителя. Но в ДК является общим сопротивлени­ем эмиттерных цепейи. Схему ДК для синфазного сигнала можно разбить на две схемы, как показано на рис. 10.13,а, в каждую схему необходимо включить . Поэтому вместо в (10.5) надо ставить, т.е.

(10.31)

При = 5 кОм,= 1 МОм10^-3.

В ДК сопротивление на несколько порядков больше, чем в обычном усилительном каскаде, где оно используется для темпе­ратурной компенсации. Поэтому и коэффициент усиления синфаз­ного сигнала для плеча ДК, т.е. правильнее говорить не о коэффициенте усиления, а о коэффициенте передачи синфазного сигнала или о его подавлении. Таким образом, задача ослабления синфазного сигнала решается в каждом плече идеального ДК. При полной симметрии разность двух сильно ослабленных в каждом плече сигналов будет равна нулю. При несимметрии должна поя­виться некоторая разность, вызванная синфазным сигналом. В случае неодинаковости плеч коэффициенты усиления синфазного сигнала в плечах будут разными из-за отличия в значениях коэф­фициента передачи транзисторови сопротивлений. Примем для оценки, что отклоненияидля транзисторов одинаковы, но отличаются знаками (более неблагоприятный случай), так что,,,. Тогда разница в коэффициентах передачи синфазного сигнала плеч при пренебреже­нии малыми величинами второго порядка

(10.32)

где характеризует степень асимметрии. Используя (10.32), можно найти на выходе разностный сигнал ошибки, обязан­ный синфазному сигналу на входе:

(10.33)

где можно назвать коэффициентом преобразования синфазного сигнала в разностный сигнал на выходе (сигнал ошибки). С учетом (10.32)

(10.34)

В нашем примере = 5 кОм,= 1 МОм. Тогда при= 0,04=2·10^-4.

Таким образом, разностный сигнал на выходе с учетом напряже­ния ошибки (10.33) . Используя (10.29 б) и (10.33), можно написать

(10.35)

Для нахождения связи коэффициента, определяемого выра­жением (10.29а), с параметрами схемы можно воспользоваться эк­вивалентной схемой усиления парафазного сигнала в одном плече (рис. 10.13,б) и точной формулой (10.4) для коэффициента усиления простейшего каскада. Поясним происхождение эквивалентной схе­мы. Если при парафазном сигнале потенциал базы , например, возрастает, то потенциал базыдолжен убывать на одну и ту же величину. Следовательно, токтранзисторавозрастает, а токуменьшается на одну и ту же величину. Поэтому результирующий ток через общее сопротивлениеоста­нется прежним (исходным) и потенциал общей точки эмиттерных це­пей (верхняя точка резистора) не изменится. Другими словами, изменения тока плеч не вызывают изменения падения напряжения на , т.е. общую эмиттерную цепь можно считать для сигнала экви­валентной короткому замыканию, полагая для расчета коэффици­ента передачи парафазного сигнала (10.29а) в каждом плече =0. Таким образом, можно воспользоваться формулой (10.4), полагая в ней = 0, но учитывая обязательно дифференциальное сопротив­ление . Принимая для оценок, получаем

(10.36)

Используя данные в нашем примере = 5 кОм,= 50 Ом, получа­ем= –100. Это более высокое значение, чем в простейшем усили­теле без сопротивления, что способствует увеличению полезного первого слагаемого в (10.35).

Напряжение ошибки (10.33) необходимо сравнивать с полезным выходным разностным напряжением (10.28), создаваемым входным разностным сигналом .

Для объективной оценки свойств различных усилителей недос­таточно знать абсолютную ошибку на выходе в (10.35). В па­спортных данных приводится коэффициент ослабления синфаз­ных входных напряжений. Он определяется как отношение синфазного входного напряжения к пересчитанному на вход каска­да напряжению ошибки:

(10.37)

где – коэффициент усиления (10.29):

(10.38)

Используя (10.33), получаем

(10.39)

Подставив (10.34) и (10.36) в (10.39), найдем связь коэффициента ослабления синфазного сигнала с параметрами ДК:

(10.40)

Если симметрия идеальная (= 0), то. В нашем примере при= 1 МОм,= 50 Ом и= 0,04= 5·10⁵ (примерно 57 дБ), т.е. достаточно велик.