Технические дисциплины - Электроника

Дифференциальные каскады.

 

Дифференциальные цепи позволяют реализовать УПТ с ничтожно малым дрейфом нуля. Рассмотрим важнейшие свойства дифференциальной цепи, в которой нагрузочное устройство подключая ют к внутренней диагонали моста (точкам а и 6), как показано на рис. 1, а.

 

Балансировка (равновесие) моста по постоянному току обеспечивается выполнением условия

 

 

Рис. 19.12. Мостовая дифференциальная схема (а) и ее транзисторный аналог (б)

 

Тогда для потенциалов точек а и б диагонали моста имеем

 

В результате ток через нагрузочное устройство при балансе моста

 

Особенности дифференциальных цепей состоят в следующем: изменение параметров источника питания не нарушает условия балансировки; при пропорциональном изменении параметров резисторов смежных плеч

 

балансировка также не нарушается. Все это позволяет значительно улучшить характеристики УПТ.

 

При анализе дифференциальных цепей пользуются понятиями синфазного и противофазного (несинфазиого, парафазного) сигналов. Синфазными называют сигналы равной амплитуды и одного знака (фазы), воздействующие на взаимно симметричные участки дифференциальной цепи; противофазными — сигналы равной амплитуды, но противоположного знака, воздействующие на те же симметричные участки цепи. Нетрудно заметить, что особенности дифференциальных цепей обусловливают их стойкость к синфазным воздействиям.

 

Простейший дифференциальный усилитель может быть получен из рассмотренной дифференциальной цепи (рис. 1, а) заменой в ней резисторов R3 и R4 транзисторами VT1 и VT2, как показано на рис. 1, б. В микроэлектронном исполнении УПТ транзисторы VT1 и VT2 выполняются в едином кристалле полупроводника и потому сохраняют одинаковые параметры в широком температурном диапазоне. В этом случае несложно обеспечить идентичность параметров и для резисторов R1 и R2.

 

Для возможности как синфазного, так и противофазного управления каскадом необходимо питать его от сдвоенного источника питания с заземленной средней точкой.

Рассмотрим работу дифференциального усилителя (см. рис. 1,6) при различных видах воздействия на его входы, один из которых uвх1 назовем прямым, а другой uвх2 — инвертирующим (инвертирует входной сигнал по фазе).

При воздействии сигнала на прямой (неинвертирующий) вход 1 (uвх1>0, uвх2=0) транзистор VT1 открывается и его коллекторный ток iк1 возрастает, вызывая снижение потенциала ja  (за счет увеличения падения напряжения на резисторе R1). Поскольку потенциал jб остается неизменным, через резистор Rн будет протекать ток iн, создавая на нем выходное напряжение uн, совпадающее по фазе с напряжением uвх1.

 

При воздействии сигнала на инвертирующий вход 2 (uвх1=0, uвх2>0) открывается транзистор VT2, а следовательно, происходит рост тока iк2, что вызывает изменение направления тока нагрузки iн. Выходное напряжение uн меняет фазу на противоположную.

 

Рис. 2. Представление управляющего воздействия на входы ОУ в виде суммы двух сигналов.

 

В случае противофазного воздействия на входы сигналом u12 (показано на рис. 1, б пунктиром) этот сигнал можно выразить в виде разности частных воздействий на транзисторы VT1 и VT2, т. е.

 

В результате такого дифференциального воздействия (отсюда и название — дифференциальный усилитель) транзистор VT1 открывается, а VT2 закрывается. Соответственно потенциал ja понижается (из-за сигнала uвх1

), а потенциал jб повышается (из-за сигнала uвх2). Поэтому имеет место более существенное увеличение выходного напряжения uн чем при воздействии только сигнала uвх1 или uвх2.

 

Рассматривая   дифференциальный   усилитель в классе усиления А и учитывая его схемную симметрию, можно полагать, что входное воздействие u12 распределяется поровну между входами транзисторов VT1 и VT2.

Это обусловливает одинаковые изменения их коллекторных токов, а потому выходное напряжение схемы

 

где  Duк1 и Duк2  — изменения коллекторных потенциалов точек а и 6 соответственно.

 

Любую комбинацию входных сигналов дифференциального усилителя можно представить в виде алгебраической суммы синфазного и противофазного сигналов (рис. 19.13), т. е.

 

 

Рис3. Передаточные характеристики дифференциального   усилителя при отсутствии (а) и наличии (б) дрейфа нуля: 1 —неинвертирующий вход усилителя; 2 — инвертирующий вход

 

Отсюда синфазная и противофазная составляющие входного сигнала

 

Аналогичный подход справедлив и для выходного напряжения uн, которое можно также представить в виде синфазной uн сф и противофазной uн пф составляющих.

Передаточная характеристика дифференциального усилителя инвертирующего и неинвертирующего входов имеет вид, приведенный на рис. 3, а. Одной из важнейших особенностей дифференциального усилителя является возможность получения на нагрузочном устройстве разнополярного напряжения, что значительно расширяет возможности усилителя.

 

В заключение следует отметить, что возможности современной технологии не позволяют обеспечить в дифференциальных усилителях точного выполнения условия балансировки, что приводит к смещению передаточных характеристик на величину напряжения смещения (Uсм) и конечному значению дрейфа нуля (рис. 3, б).

Идеальный ДУ усиливает только разностный дифференциальный сигнал. Дифференциальный сигнал (вход) – это сигнал между входами 1 и 2, где Кд – дифференциальный коэффициент усиления.

Uвых = Ксс = 0, Кс = 0.

Идеальный ДУ не усиливает синфазный сигнал.

Синфазный сигнал: ес = ½(евх1 + евх2) – общий сигнал относительно земли

Реальный ДУ: Uвых = Ксес + Кдед

Косс = Кдс

Степень идеальности ДУ определяется коэффициентом ослабления синфазного сигнала.

Коссдб ~ 60 дб (простые усилители)

~ 120 дб (хорошие усилители).

 

 

ДУ на БТ

Его свойства

 

Если VT1 º VT2 и находится в одинаковых условиях, а это достигается при интегральном изготовлении таких транзисторов (расположены вплотную и имеют одинаковые размеры), тогда

b1 = b2

Если Rk1 =Rk2 , то iэ1 = iэ2

Если Uвх1 = Uвх2, то iк1 = iк2

Uвых = Uk1 – Uk2 = ik1*Rk1 – ik2*Rk2 = 0

При дрейфе, если Dik1 = Dik2, то DUвых = 0

При согласованных транзисторах, несмотря на то, что каждый из них в отдельности изменяет свой режим работы, как при изменении питания, так и при изменении температуры, а разница выходных сигналов VT1 и VT2 остается постоянной, т. е. дрейфы транзисторов вычитаются. Это и есть основное свойство ДУ, которое используется при построении УПТ.

В усилителях постоянного тока в качестве входного каскада используют ДУ, как на БТ, так и на ПТ. В реальных схемах не удается достичь точного согласования характеристик транзистора, т. е. простой ДУ все равно имеет какой-то дрейф. Для уменьшения этого дрейфа современные ДУ 4-го поколения содержат 10-15 транзисторов.

Усилительные параметры ДУ в режиме малого сигнала

Ik1*Rk1 @ Ik2*Rk2 < E1 - Uсинф

Оба транзистора находятся в усилительном режиме даже при большом Uсинф

Rk1 = Rk2 < Rэ

Iэ01 = Iэ02 = I0/2 при Uд = 0

Транзисторы одинаковы и через них протекает одинаковый ток.

Rг = 0;

Ku1 =

входное сопротивление VT1 , у которого в цепи эмиттера нагрузка в виде ОБ.

RвхобТ2 @ rэ2; rэ1 @ rэ2 = 2jT/I0

Ku2 =

Кд = DUвых/DUд = Ku2 – Ku1 @ bRk/rбэ @ RkI0/2jT

Дифференциальный коэффициент усиления ДУ = коэффициенту усиления одиночного транзистора ОЭ.

Усиление ДУ зависит от величины Rk и от режимного тока, следовательно, для увеличения усиления необходимо увеличить Rk

Кс = DUвых/DUс = Ku1 + Ku2 @ Rk/2Rэ

Синфазный коэффициент усиления зависит от величины Rэ и для уменьшения Кс необходимо увеличить Rэ

Косс @ Кдс @ Rэ/rэ = RэI0/jT

Для того, чтобы Косс ® ¥ , необходимо, чтобы Rэ ® ¥

Простой ДУ не обладает высоким Косс

Rвхд = 2rбэ - дифференциальное входное сопротивление между входами.

Входное сопротивление простого ДУ невысокое, соответствует входному сопротивлению ОЭ.

Rвхс - синфазное Rвх - между объединенными входами 1 и 2 и землей.

сопротивлению ОЭ.

Rвхс @ bRэ

Rвых = Rk||1/h22э - соответствует выходному сопротивлению усилителя ОЭ.

 

Недостатки простого ДУ

Трудно получить большой коэффициент усиления по напряжению. Если использовать большое Rk , то необходимо использовать и высоковольтное питание. Входное сопротивление невысокое, невысокое Kocc. Из-за технологического разброса не удается полностью устранить дрейф.

 

Способы улучшения характеристик ДУ

 

1. Повышение Косс

Косс = Rэ/rэ; Rэ® ¥ (желательно)

пит ­

Для повышения Косс необходимо увеличивать Rэ, но при больших Rэ1 и сохранении I0 необходимо увеличивать напряжение питания, а это ограничивает использование таких усилителей. Выход из ситуации: I0 = const. По постоянному току цепь имеет небольшое сопротивление, а по переменному - очень большое. В качестве такого элемента используются источники тока.

 

Если VT1 º VT2

R2 = R3, то I1 = I0 = (E2 – 0,7 В)/(R1 + R2) @ E2/R1 приR1 >> R2

Такой источник тока обеспечивает режимный ток I0 для ДУ и обладает высоким эквивалентным (динамическим) сопротивлением как источник тока.

Rэ ~ rк ~ 0,1¸1МОм

Использование источника тока на согласованных транзисторах VT1 и VT2 эквивалентно использованию в цепи эмиттеров ДУ большого сопротивления Rэ, т. е. такая схема является высокоомной динамической нагрузкой в цепи эмиттера, следовательно

Косс ~ rк/ rэ ~ 103¸105

2. Увеличение Rвх

1) БТ заменяем на ПТ

Использование ДУ на ПТ (в качестве входных транзисторов).

2) Использование входных транзисторов со сверхбольшим b или составных транзисторов.

Rвх ~ rбэ = bjт/I0

3) Использование на входе каскада с ОК.

 

 

ДУ составляют VT1 и VT2, и они обеспечивают усиление.

VT3 и VT4 -буферный каскад ОК на входе ДУ, т. к. это ОК, то

Rвх = Rвхокт3,т4 >Rвхоэ

I0 и I1 - генераторы стабильного тока

I0 - режимный ток

Источники тока I1 обеспечивают смещение и режим работы VT3 и VT4. Использование источника тока I1, а не смещающих резисторов, позволяет дополнительно обеспечить высокое Rвх схемы ОК. Однако при этом могут быть ухудшены тепловые параметры (дрейф больше, т. к. элементов на входе стало больше).

3. Увеличение Ku

Для повышения Ku необходимо увеличить Rk , а это связано с повышением питания. Кроме того, в ДУ симметричный выход, поэтому следующий каскад, желательно, чтобы тоже был симметричным. При симметричном выходе сохраняется условие баланса и можно обеспечить согласование режимов по постоянному току, если использовать p-n-p и n-p-n транзисторы. Однако интегральные p-n-p транзисторы имеют худшие характеристики, чем n-p-n.

В качестве нагрузки ДУ может быть использована динамическая нагрузка - это источник тока, в частности - токовое зеркало.

 

ДУ с динамической нагрузкой с использованием токового зеркала (рисунок).

VT1 VT2 - ДУ; VT3 и VT4 - токовое зеркало или нагрузка для ДУ.

Такая нагрузка обеспечивает как полное использование токов VT1 и VT2 и обеспечивает одиночный выход, что позволяет легко согласовать с последующими усилительными схемами.

Т. к. I0 = const = ik1 + ik2, тогда

Dik1 = -Dik2

Dik1 = Dik3

Если VT3 º VT4, то Dik4 = Dik3 = Dik1

DikSвых = 2Dik

Т. к. Ku ~ bRk/rэ

Rk ~ rк Þ Ku @ brk/ rэ ~ b(102¸105)

В этом случае даже при относительно небольшом b обеспечивает высокое усиление по напряжению (больше, чем в 100 раз). Предельное усиление ещё более можно повысить, если использовать многокаскадное токовое зеркало. Таким образом, использование источника тока как в цепях эмиттера, так и в цепях коллектора ДУ позволяет обеспечить высокие усилительные параметры такого ДУ. Т. к. можно на сложном ДУ обеспечивает основное усиление УПТ.

ДУ четвертого поколения

 

Входные транзисторы VT1, VT2 включены по схеме с ОК, поэтому такой ОУ обладает высоким Rвх.VT1 и VT2 усиливает по току, но не усиливает по напряжению (т.к. ОК). VT3, VT4 – промежуточные транзисторы, включены как ДУ с ОБ. Обеспечивают развязку нагрузки от выходных транзисторов VT1, VT2. Т. к. ОБ обладает высоким Rвых, то при динамической нагрузке можно обеспечить предельное усиление по напряжению. VT5, VT6, VT7 – токовое зеркало, динамическая нагрузка для VT3, VT4. VT7 включен по схеме ОК, он выполняет фиксацию потенциала коллектора VT5 и передачу сигнала напряжения с транзистора VT3 в цепь выходного транзистора VT4, VT6. Всё вместе обеспечивает одиночный однополюсный выход.

Источник тока I0 задает базовый ток VT3, VT4 Þ и токи остальных транзисторов – VT1 – VT6, т. е. обеспечивают режим работы этого ДУ.

Rвых такого ДУ высокое Þ чтобы сохранялось высокое усиление необходимо, чтобы последующие каскады также имели высокое Rвх, это можно обеспечить с помощью схемы ОК.

Использование резисторов Rk, Rk2 обеспечивает дополнительные ООС для источника тока, что повышает динамическое сопротивление токового зеркала. Резистор Rэ является нагрузкой VTз.

 

ДУ на ПТ

 

 

VT1 и VT2 – дифференциальная пара, т. к. это ПТ, то такой ДУ обладает большим Rвх. Транзисторы VT3, VT4, VT5 являются динамической нагрузкой, аналогично предыдущей схеме.

Вместо Т3 – Т5 могут быть использованы также ПТ.

Из-за большого разброса параметров ПТ, ДУ на них обладают более высоким дрейфом, чем ДУ на БТ, поэтому прецезионные УПТ строятся на БТ.

ДУ на ПТ имеют преимущества в усилителях с малым или сверхмалым потреблением тока. ДУ на ПТ используют в быстродействующих усилителях, там, где дрейф не является определяющим фактором.

 

 

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить