Технические дисциплины - Электроника

Дифференциальные усилители (ДУ)

 

 

Uвых = Кдвх1 – евх2) = Кдед

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.

 

ВАХ ДУ

Считаем, что:

Rэ® ¥, тогда iэ1 + iэ2 = I0 = const

iэ1 - iэ2 = 2Diэ1 = 2Diэ2

Приращения токов равные и противоположные в обоих транзисторах.

Найдем Diк1/ iк1

Diк1/ iк1 @ D iэ1/(I0/2) = (iэ1 - iэ2)/( iэ1 + iэ2)    (1)

iэ = I0exp(Uбэ/jТ)           (2)

Uбэ1 = Uвх1 – Uэ1

Uбэ2 = Uвх2 – Uэ2

При симметричной схеме, когда Т1 º Т2:

Uбэ1 = Uд/2 - Uэ

Uбэ2 = - Uд/2 - Uэ

Uд = Uвх1 – Uвх2

Уравнения (2) и связь Uбэ подставляем в (1):

 

 

Uд @ 4jТ = 0,1 В Þ Dik @ 0,96I0/2

При Uвх >0,1 В в ДУ начинается ограничение выходного сигнала.

При Uд £ jТ, то tn ® Uд/2jТ

При малом входном сигнале < 25 мВ, ДУ линейно усиливает сигнал.

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.

 

Операционные усилители (ОУ)

 

ОУ – это усилители постоянного тока, имеющие дифференциальный вход, большой коэффициент усиления по своим усилительным характеристикам приближающийся к идеальному усилителю и используемые для выполнения различных операций с электрическими сигналами, например: усиление, масштабирование, суммирование, вычитание, умножение, интегрирование и др.

 

Структура ОУ

 

ОУ – это усилитель постоянного тока с непосредственными связями между каскадами, основу которого составляет ДУ.

ОУ имеет 2 входа, вход «-» - инвертирующий (Ивх) – это такой вход, сигнал на котором находится в противофазе с выходным; вход «+» - не инвертирующий вход (НИвх) – на котором сигнал находится в фазе с выходным. Как правило, ОУ имеет несимметричный выход (одиночный) двуполярное питание и строится по 3-х каскадной или 2-х каскадной структуре. Современные ОУ – 2-х каскадная схема.

Основные параметры по постоянному току обеспечивает ДУ; основное усиление по напряжению – в 2-х каскадной структуре. Для обеспечения работы на низкоомную нагрузку на выходе ОУ используют усилитель мощности (усилитель тока). Как правило, это каскад ОК.

 

Обозначения и эквивалентная схема ОУ

 

 

NC, NV – выводы для подключения внешних элементов

NC ® C

NR ® R

 

 

Rвх д – дифференциальное входное сопротивление (входное сопротивление между входами);

Rвх с – синфазное входное сопротивление (входное сопротивление между закороченными входами и общей шиной);

Кд – дифференциальный коэффициент усиления;

Rвых – выходное сопротивление;

КдUвх д – управляемый источник напряжения;

Rвх с >> Rвх д (как минимум в 10 раз)

Поэтому при инженерных расчетах обычно Rвх с не учитывается и упрощается схема ОУ:

 

В прецизионных схемах, когда необходима точность в десятые, сотые доли %, Rвх с необходимо учитывать.

 

 

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить