Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель (ДУ) предназначен для усиления разности двух напряжений U_{ВЫХ ДУ}=К_{U ДУ}×(U_ВХ2-U_ВХ1). В идеальных ДУ выходное напряжение пропорционально только разности входных напряжений и не зависит от их абсолютной величины.

Принципиальная схема ДУ на биполярных транзисторах приведена на рисунке 2.4а. А принцип работы поясняется с помощью рисунков 2.4б и 2.4в.

а)

б)

в)

Рисунок 2.4

Если на вход 1 подать гармонический сигнал (рисунок 2.4б), а вход 2 соединить с общим проводом, то ток коллектора первого транзистора I_К1 будет изменяться в соответствии с сигналом. При положительном полупериоде сигнала на входе ток коллектора VT1 увеличивается, падение напряжения на резисторе R1 также увеличивается и напряжение на коллекторе транзистора VT1, (на выходе 1) уменьшится. Таким образом, выход 1 по отношению ко входу 1 является инвертирующим. Если теперь напряжение подавать на вход 2, то при положительном полупериоде сигнала на входе ток коллектора I_К2 также будет расти, но на эту же величину снизиться ток I_К1 (в цепи эмиттеров стоит источник тока I_К1+ I_К2= I₀) и напряжение на выходе 1 будет увеличиваться. Т. е. вход 2 по отношению выхода 1 является неинвертирующим.

Коэффициент усиления дифференциального усилителя в первом случае равен

K_{U ДУ}=U_{ВЫХ 1} / U_{ВХ 1} (1),

U_{ВЫХ 1}= I_К1×R1 (2). I_К1= h_21Э× I_Б1 (3)

Входное напряжение распределяется на двух эмиттерных pn-переходах

U_{ВХ 1} =(I_Б1×h_11Э+ I_Э2× h_11Б). (4)

I_Э2= (h_21Э+1) ×I_Б1 (5) и h_11Б= h_11Э / (h_21Э+1) (6)

Подставляя (2, 3, 4, 5 и 6) в (1) получим K_{U ДУ}= h_21Э×R1 / 2×h_11Э. Входное сопротивление R_ВХ= U_{ВХ 1}/ I_Б1= 2×h_11Э.

Таким образом, для получения большого входного сопротивления необходимо работать при малых токах базы, но при этом значительно снижается коэффициент передачи по току h_21Э, а, следовательно, и К_{U ДУ}.

В ДУ, выполненных таким образом, коэффициент усиления составляет

K_{U ДУ}=10-20, а входное сопротивление десятки кОм, что далеко от идеала.

Составной транзистор

Биполярный составной транзистор (схема Дарлингтона) состоит из двух транзисторов, включенных, как показано на рисунке 2.5. Ток коллектора составного транзистора состоит из I_К= I_К1+I_К2. I_К1=h_21Э(1)×I_Б1 , I_К2=h_21Э(2)×I_Б2= h_21Э(2)×I_Э1= h_21Э(2)× I_Б1(1+h_21Э(1))× Индекс в скобках указывает номер транзистора. Тогда коэффициент передачи по току составного транзистора будет равен h_21Э=I_К/ I_Б= h_21Э(1)+ h_21Э(1) × h_21Э(2)+ h_21Э(2)» h_21Э(1) × h_21Э(2). А входное сопротивление h_11Э= h_11Э(1)+ (1+h_21Э(1))× h_11Э(2) или h_11Э» h_21Э(1) × h_11Э(2).

Рисунок 2.5 Таким образом, входное сопротивление и

коэффициент передачи по току составного транзистора увеличивается примерно в h_21Э(1) раз. Заменяя в ДУ транзисторы VT1 и VT2 на составные, получим значительное увеличение входного сопротивления ДУ (сотни кОм), однако, коэффициент усиления почти не изменится.

Дальнейшее увеличение входного сопротивления ДУ можно получить, используя полевые транзисторы, а увеличение K_U применением динамической нагрузки [3] .

Источник тока

Неизменное значение постоянного тока I₀, независимое от параметров цепи (нагрузки), может обеспечить только идеальный генератор тока с бесконечно большим динамическим сопротивлением, ВАХ которого параллельна оси напряжения (рисунок 2.6а). ВАХ реального генератора тока приближается к ВАХ идеального генератора только в некотором интервале значения напряжения. При этом его динамическое сопротивление хотя и очень большое, но не бесконечно большое.

Заметим, что выходная характеристика биполярного транзистора в схеме с ОБ близка к ВАХ идеального генератора тока. Следовательно, транзистор, включенный по схеме с общей базой, практически может выполнять функцию генератора тока. Cхема с ОЭ несколько уступает схеме с ОБ.

Однако на практике используется не один, а два и более транзисторов (рисунок 2.6б и 2.6в), которые обеспечивают не только получение большого динамического сопротивления, но и слабую зависимость самого тока генератора от нестабильности напряжения источников питания и температурной нестабильности элементов схемы.

а)

б)

в)

Рисунок 2.6

Схема сдвига уровня

Отказ от разделительных конденсаторов при соединении отдельных каскадов ИС требует применения элементов, обеспечивающих согласование выхода каскада со входом следующего каскада по величине (уровню) постоянного потенциала для сохранения работоспособности ИС.

Включение резисторных делителей для понижения потенциала приводит к снижению коэффициента усиления сигнала, так что этот способ в ИС не находит практического применения.

Простейшая схема сдвига уровня (ССУ) показана на рисунке 2.7а. Она представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT₁, принцип работы и параметры которого будут рассмотрены ниже. Эмиттерная цепь состоит из резистора R₁ и источника стабильного тока, обеспечивающего постоянство тока I₀. В качестве источника тока используются схемы, рассмотренные выше. Уровень постоянной составляющей напряжения на выходе сдвинут на величину DU= I₀×R₁+ U_БЭ1 по сравнению с ее значением на входе.

Каскад ослабляет переменный сигнал незначительно, так как динами -ческое (выходное) сопротивление источника тока значительно больше сопротивления R₁. Тем не менее, следует заметить, что сопротивление R₁ из условий согласования приходится выбирать достаточно большим, поэтому выходное сопротивление каскада, равное R₁, оказывается значительным и при работе на низкоомную нагрузку будет проявляться ослабление переменного сигнала. Для борьбы с этим явлением в схему на выходе вводится дополнительный эмиттерный повторитель, исключающий влияние низкоомной нагрузки.

Температурную стабильность можно увеличить также включением в цепь эмиттера одного или нескольких диодов, как показано на рисунке 2.7б. Для более точного согласования включается резистор R₁. Очевидно, что DU = U_БЭ +2U_д + R₁I₀. В качестве диодов используются интегральные транзисторы в диодном включении. Варьированием величин I₀ и R₁ можно получить любое значение сдвига.

а)

б)

в)

Рисунок 2.7