Дифференциальные усилители

Наиболее перспективным способом уменьшения дрейфа нуля УПТ является применение дифференциальных усилительных каскадов (ДУ; ДК). Дифференциальным, т.е. разностным, называется усилительный каскад, усиливающий разность двух напряжений. Дифференциальный каскад представляет собой симметричный усилитель параллельного баланса, принципиальная схема которого представлена на рис. 11.1.

Такие усилители просто реализуются в виде монолитных ИМС. Дифференциальный каскад выполняется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами и , а два других транзисторами VT₁ и VT₂. Выходное напряжение снимается между коллекторами транзисторов (с диагонали моста) или с коллекторов.

Для питания ДУ обычно используются два источника питания, напряжение которых равны по модулю. Часто такие источники питания называют источники с расщепленным питанием. Использование источника питания снижает потенциал эмиттеров транзисторов VT₁ и VT₂ до потенциала земли. Это позволяет подавать сигналы на входы усилителя относительно земли без введения дополнительных компенсирующих напряжений.

Если схема полностью симметрична, то изменение напряжения питания, синфазно для обоих транзисторов, не нарушает баланса моста и выходное напряжение остается без изменения. Изменение температуры воздействует на токи транзисторов также одинаково (синфазно). В идеальной симметричной схеме ДУ дрейф нуля должен отсутствовать. В реальной схеме ДУ дрейф нуля в 10…100 раз меньше чем в схеме с общим эмиттером.

Если на обоих входах ДУ действуют равные по амплитуде, форме и фазе сигналы, то такие сигналы называют синфазными. Если на входы ДУ подаются сигналы, имеющие равные амплитуды и форму, но противоположные по фазе, то такие сигналы называют дифференциальными.

Положительный потенциал источника питания , поступающий через корпус и цепи входных сигналов на базы обоих транзисторов, открывает их. Под действием источника питания и при отсутствии входных сигналов в коллекторных цепях транзисторов VT₁ и VT₂ протекают коллекторные токи . Эти токи создают одинаковые падения напряжения на резисторах и , т.е. . Если нагрузочное сопротивление включено между коллекторами транзисторов VT₁ и VT₂, то выходное напряжение на резисторе нагрузки равно нулю .

Равенство выходного напряжения нулю при отсутствии входного сигнала называют режимом покоя. В режиме покоя через сопротивление R_э протекают эмиттерные токи и , создающие на резисторе R_э падение напряжения, направленное встречно напряжению источника питания . Постоянные напряжения на входах, задающие режим покоя транзисторов ДУ, равны

. (11.1)

Резистор R_э, включенный в цепь эмиттеров, создает последовательную обратную связь по току, стабилизируя рабочую точку транзисторов. Изменения эмиттерных токов и , вызванные изменением напряжения источника питания и температуры, вызывают изменение падения напряжения на R_э, что приводит к изменению напряжения U_бэ, которое в свою очередь стремится возвратить коллекторные токи к исходному состоянию, т.е. стабилизирует схему. Эта стабилизация тем выше, чем выше сопротивление R_э и идентичность характеристик и параметров транзисторов. Анализ выражения (11.1) показывает, что для сохранения постоянным значение U_бэ, задающее исходную рабочую точку, с увеличением R_э необходимо увеличивать напряжение источника питания . А так как в практических схемах используют двухполярное питание , то значение напряжения питания уже определяет значение R_э, которое нельзя произвольно увеличивать. Таким образом, величина сопротивления резистора R_э должна быть небольшой для обеспечения режима покоя и значительно высокой в рабочем режиме. Эта задача решается с помощью генератора стабильного тока, включаемого в цепь эмиттеров транзисторов VT₁ и VT₂ (рис. 11.2,а).

Под генератором стабильного тока (ГСТ) понимается двухполюсник, сила тока через который почти не зависит от величины приложенного к нему напряжения. При приложении к ГСТ переменного напряжения его сопротивление для переменной составляющей тока будет очень высоким. Генератор стабильного тока, определяющий сумму эмиттерных токов и транзисторов VT₁ и VT₂, собран на транзисторе VT₃ (рис. 11.2,а)

ГСТ создает динамическую нагрузку потому, что потенциал остается неизменным, так как снимается с делителя напряжения, собранного на резисторах R₂ и R₃. Термостабилизацию рабочей точки транзистора VT₃ осуществляет транзистор VT₄ в диодном включении. Напряжение делителя, подводимое к базе транзистора VT₃, при пренебрежении током базы определяется падением напряжения на резисторе R₃ и падением напряжения

, (11.2)

где ток делителя I₁

.

Ток эмиттера транзистора VT₃ определяется из выражения (11.2)

(11.3)

Анализ выражения (11.3) показывает, что ток I_э определяется преимущественно сопротивлениями R₁, R₃ и током делителя I₁, поэтому зависимость тока I_э от температуры незначительна. Таким образом, при отсутствии входных сигналов и равенстве параметров транзисторов VT₁ и VT₂, равенстве , достигается баланс моста, при этом обеспечивается высокая стабильность даже при изменении напряжения питания, температуры. Это достигается за счет одинакового изменения падения напряжения на коллекторах транзисторов VT₁ и VT₂. Даже при одинаковом дрейфе по обоим усилителям, дрейф на выходе каскада отсутствует. При интегральном исполнении ДК имеется некоторый разброс параметров транзисторов, что приводит к появлению некоторого дрейфа на выходе. При подаче на оба входа синфазных сигналов, изменение и происходит на одинаковую величину и , т.е. ДК не дает усиления синфазного сигнала (не чувствителен к синфазному сигналу). Это является ценным его свойством и позволяет избавиться от помех, действующих на входах и даже наводимых на входных проводах. Однако, из-за наличия на обоих входах постоянных составляющих напряжения возможно появление на выходе выходной синфазной ошибки

. (11.4)

Рассмотрим работу дифференциального каскада, если сигналы на входы поданы в противофазе. Предположим, что на входе , а . Это приводит к тому, что транзистор VT₁ открывается, и ток коллектора возрастает на величину , а транзистор VT₂ под действием отрицательного входного сигнала начинает закрываться, и ток коллектора уменьшается на .

Противофазные напряжения на входах ДК вызывают противофазные изменения эмиттерных токов. В симметричной схеме их изменения взаимно компенсируются, и через резистор R_э протекает постоянный ток . Переменное напряжение на R_э отсутствует, и потенциал эмиттеров равен потенциалу общего провода. Каскад реагирует на разность входных сигналов, вот почему и называется дифференциальным.

Вход усилителя, сигнал с которого передается на выход усилителя без изменения фазы, называется неинвертирующим или прямым. Другой вход является инвертирующим и обозначается кружком.

Таким образом, при таком способе подачи входного сигнала выход каскада со стороны коллектора транзистора VT₁ является ИНВЕРТИРУЮЩИМ, как и вход , а со стороны коллектора транзистора VT₂ ‑ НЕИНВЕРТИРУЮЩИМ, а вход ‑ неинвертирующим (прямым) входом. Выходной сигнал снимаемый в диагонали моста с коллекторов транзисторов VT₁ и VT₂ называется дифференциальным

. (11.5)

Размах выходного напряжения U_вых может изменяться от положительного до отрицательного значения и ограничивается напряжениями источника питания. Так как для дифференциального входного сигнала в любой момент напряжения на коллекторах транзисторов VT₁ и VT₂ будут находиться в противофазе, то на нагрузке происходит выделение удвоенного выходного сигнала. Таком образом резистор R_э образует отрицательную обратную связь только для синфазного сигнала.

Поскольку даже при интегральном исполнении в реальных ДУ не удается обеспечить идеальную симметрию плеч, то и для дифференциального сигнала R_э создает ООС небольшой глубины, которая зависит от качества симметрии плеч. Вследствие симметрии каскада при отсутствии дифференциального сигнала , коллекторные токи транзисторов VT₁ и VT₂ одинаковы и . Нулевые значения U_вых сохраняются при одновременном и одинаковом изменении токов в обоих плечах, какими бы причинами такое изменение не вызывалось. В связи с этим в идеальном ДУ дрейф выходного напряжения отсутствует, хотя в каждом из плеч он может быть относительно большим. Симметрия не нарушится при синфазном изменении и , значит ДУ не чувствителен к синфазному сигналу.

Качество работы ДУ характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала , который показывает способность каскада различать малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного напряжения. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) ДУ характеризуется выражением . В ДУ всегда стремятся сделать КОСС как можно больше, что достигается увеличением сопротивления R_э. Однако, при интегральном исполнении ДУ трудно получить резисторы с большим номиналом. На практике вместо R_э используют электронный эквивалент резистора большого номинала – генератор стабильного тока. В дифференциальных усилительных каскадах КОСС лежит в пределах от –60 до 120 дБ. Он зависит от температуры, частоты синфазного напряжения. На более высоких частотах КОСС становится меньше.

Синфазный сигнал определяет диапазон входных напряжений, при подаче которых усилитель сохраняет способность усиливать малые дифференциальные сигналы. Большое синфазное напряжение приводит к нарушению линейности усилителя. Для получения большого коэффициента усиления дифференциального каскада необходимо увеличивать ток, протекаемый через транзисторы, и сопротивление резистора, включенного в цепь коллекторов. Увеличение токов, протекаемых через транзисторы VT₁ и VT₂, может привести к понижению входных сопротивлений транзисторов, что в свою очередь приводит к увеличению входных токов. А увеличение сопротивлений резисторов и приводит к уменьшению потенциалов коллекторов транзисторов VT₁ и VT₂ при отсутствии входного сигнала. При наличии входного сигнала создаются предпосылки для перехода транзисторов в режим насыщения. В практических схемах дифференциальных каскадов стремятся увеличить R_к не изменяя при этом потенциалов коллекторов транзисторов, это достигается за счет использования нелинейной нагрузки.

На рис. 11.2,б представлена принципиальная схема дифференциального каскада с симметричным входом, в котором используется нелинейная нагрузка. Данный каскад является базовой схемой входного каскада для построения различных операционных усилителей.

Дифференциальную пару образуют транзисторы VT₁–VT₄, включенные в каждом плече по каскодной схеме ОК–ОБ. Входные транзисторы VT₁, VT₂ включены по схеме с ОК, а p-n-p транзисторы VT₃ и VT₄ с ОБ. Включение p-n-p транзисторов с ОБ дает возможность использовать преимущества этой схемы включения: лучшие частотные свойства и более высокое входное сопротивление. Такая транзисторная структура ОК‑ОБ наиболее высокочастотна и обладает большим входным сопротивлением, отсутствует эффект модуляции ширины базовой области (эффект Эрли) транзисторов дифференциальной пары, проявляющийся в базовой схеме ДУ из-за разных величин коллекторных напряжений при балансе. Входные транзисторы VT₁ и VT₂ все время работают при одном и том же напряжении на коллекторах, и через них протекает одинаковый ток, что исключает эффект Эрли. В качестве динамической нагрузки транзисторов VT₃ и VT₄ используются транзисторы VT₇ и VT₈, представляющие совместно с VT₉ и резисторами R₁ и R₃ диодно-транзисторную структуру. Транзистор VT₉ обеспечивает смещение транзисторов VT₇ и VT₈ и включен в схеме с ОК. За счет чего напряжение с коллекторной цепи транзистора VT₇ через эмиттерный повторитель (транзистор VT₉) подается на базу транзистора VT₈. Поступив на базу, этот сигнал инвертируется усилительным каскадом транзистора VT₈, в коллекторной цепи транзистора VT₈ суммируются сигналы действующие между коллекторами транзисторов VT₃ и VT₄. За счет такого схемотехнического построения дифференциальный выход преобразуется в несимметричный.

При одновременном изготовлении на одной подложке транзисторов обеих структур все же не удается получить точно заданные абсолютные значения параметров p-n-p структуры. Для стабилизации рабочей точки транзисторов VT₃ и VT₄ предусмотрена цепь ООС, которая образована диодно-транзисторной структурой на транзисторах VT₅ и VT₆.

Транзистор VT₅ в диодном включении стабилизирует ток входных транзисторов VT₁ и VT₂, а также транзистора VT₆, который регулирует так же токи баз транзисторов VT₃ и VT₄ путем сложения или вычитания тока коллектора и тока источника стабильного тока, собранного на транзисторах VT₁₀–VT₁₂. За счет транзисторов VT₅ и VT₆ повышается коэффициент ослабления синфазного входного сигнала, а следовательно, и всего ОУ, за счет стабилизирующей ОС, действующей для синфазных сигналов, и не оказывает заметного влияния на коэффициент передачи дифференциального сигнала.

Для повышения входного сопротивления часто используют ДУ на полевых транзисторах. На рис. 11.3 приведена принципиальная схема ДУ на МДП транзисторах. В данной схеме использованы МДП транзисторы с каналом n-типа, это могут быть транзисторы как со встроенным, так и с индуцированным каналом.

Подложка может соединяться или с общей шиной, или с истоком. ДУ выполнен по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы транзисторами VT₁, VT₂, а два других ‑ транзисторами VT₃, VT₄. Сопротивление нагрузки включается в диагональ моста т.е. между стоками транзисторов VT₁, VT₂.

Транзисторы VT₃, VT₄ выполняют функции пассивных элементов – резисторов. Поэтому такой ДУ иногда называют усилителем с динамической нагрузкой.

Для дифференциального сигнала коэффициент усиления по напряжению определяется отношением ширины каналов МДП-транзисторов VT₁ и VT₃ (или VT₂ и VT₄). Большие значения отношения ширины каналов технологически выполнить очень затруднительно, поэтому в реальных устройствах не превышает 10. КОСС в таких каскадах значительно меньше, чем у каскадов на биполярных транзисторах. Входное сопротивление определяется токами транзисторных структур. В связи с этим входные сопротивления такого ДУ довольно велики, как для дифференциального, так и для синфазного сигналов, и составляют более 10¹⁰ Ом. Недостатками ДУ с полевыми транзисторами на входе являются большие напряжения смещения нуля и значительный температурный дрейф.

Для получения малых значений входного тока, увеличения коэффициента усиления часто используют "супер-бета" транзисторы. За счет чрезвычайно тонкой базы значение коэффициента передачи тока базы b может достигать нескольких тысяч раз. Увеличение параметра b приводит к снижению напряжения пробоя коллекторного перехода до 4 В, а параметр b в свою очередь сильно зависит от напряжения коллекторного перехода. Использование супербета транзисторов на входе дифференциального каскада приводит к увеличению входного сопротивления ДУ.

Способность дифференциального каскада не реагировать на синфазный сигнал является очень важным и полезным свойством. Это свойство дифференциальных каскадов позволяет использовать их для выделения малых сигналов на фоне больших синфазных помех, производить с их помощью сравнение сигналов между собой и с заданными уровнями и совершать еще целый ряд операций с сигналами, что делает дифференциальные каскады практически незаменимыми компонентами современных схем. Дифференциальные каскады обладают малыми нелинейными искажениями при усилении сигналов переменного тока. Дифференциальные каскады используют в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне шумов. Это передача по длинным линиям (кабелям) цифровых, звуковых, радиочастотных сигналов, напряжения электрокардиограмм, сигналов считывания информации с магнитной памяти и т.д.

11.2. Операционные усилители

Операционными усилителями (ОУ) называют многокаскадные усилители постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, большим усилением и несимметричным выходом, предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе с глубокой отрицательной ОС. Первоначально эти усилители предназначались для выполнения математических операций (сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование и т.д.) над непрерывными электрическими сигналами в аналоговых вычислительных машинах. Первые ОУ строились на электронных лампах, работали с высокими напряжениями до ±300 В, имели большие размеры и стоимость. В начале 60-х годов ОУ стали серийно выпускаться в виде интегральных микросхем. Они имеют малые размеры, низкую стоимость, высокую надежность, и область применения их необычайно широко раздвинулась за те границы, которые предвидели их первые разработчики. ОУ применяются в системах телекоммуникации, вычислительной технике, в управлении процессами производства и др. При этом ОУ остается очень хорошим усилителем постоянного тока с большим коэффициентом усиления.

11.3. Параметры операционных усилителей

Так как ОУ является универсальным устройством, то для описания его свойств используется большое число параметров.

1. Коэффициент усиления К равен отношению выходного напряжения к вызвавшему это приращение дифференциальному входному сигналу при отсутствии обратной связи (составляет 10³…10⁷) и определяется при холостом ходе на выходе. К=U_вых/U_вх.д.

2. Напряжение смещения нуля U_cm показывает, какое напряжение необходимо подать на вход ОУ для того, чтобы на выходе получить U_вых=0 (составляет 0,5…0,15 мВ). Это является следствием неточного согласования напряжений эмиттер-база входных транзисторов.

3. Входной ток I_вх определяется нормальным режимом работы входного дифференциального каскада на биполярных транзисторах. Это ток базы входного транзистора ДУ. Если в дифференциальном каскаде используются полевые транзисторы, то это токи утечек.

При подключению к входам ОУ источников сигнала с разными внутренними сопротивлениями, создаются различные падения напряжений на этих сопротивлениях токами смещения. Появившийся дифференциальный сигнал, изменяет входное напряжение. Для его уменьшения, сопротивления источников сигнала должны быть одинаковы.

4. Разность входных токов DI_вх равна разности значений токов, протекающих через входы ОУ, при заданном значении выходного напряжения, составляет 0,1…200 нА.

5. Входное сопротивление R_bx (сопротивление между входными выводами) равно отношению приращения входного напряжения к приращению входного тока на заданной частоте сигнала. R_bx определяется для области низких частот. В зависимости от характера подаваемого сигнала входное сопротивление бывает дифференциальное (для дифференциального сигнала) и синфазное (для синфазного сигнала). Дифференциальное входное сопротивление – это полное входное сопротивление со стороны любого входа, когда другой вход соединен с общим выводом, составляет десятки кОм – сотни МОм. Такое большое R_bx получается за счет входного ДУ и стабильного источника постоянного напряжения. Синфазное входное сопротивление – это сопротивление между замкнутыми выводами входов и землей. Оно характеризуется изменением среднего входного тока при приложении ко входам синфазного сигнала и на несколько порядков выше R_{вх диф}.

6. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_{осл сф} определяется как отношение напряжения синфазного сигнала, подаваемого на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, вызывающему тоже значение выходного напряжения. Коэффициент ослабления показывает во сколько раз коэффициент усиления дифференциального сигнала больше коэффициента усиления синфазного входного сигнала и составляет 60…120 дБ:

.

С ростом коэффициента ослабления синфазного сигнала точнее можно выделить дифференциальный входной сигнал на фоне синфазной помехи, тем лучше качество ОУ. Измерения проводят в диапазоне низких частот.

7. Выходное сопротивление R_вых определяется отношением приращения выходного напряжения к приращению активной составляющей выходного тока при заданном значении частоты сигнала и составляет единицы–сотни Ом.

8. Температурный дрейф напряжения смещения равен отношению максимального изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению температуры и оценивается в мкВ/град .

Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токов являются причиной температурных погрешностей устройств с ОУ.

9. Коэффициент влияния нестабильности источника питания на выходное напряжение показывает изменение выходного напряжения при изменении напряжений питаний на 1 В и оценивается в мкВ/В.

10. Максимальное выходное напряжение U_{вых макс} определяется предельным значением выходного напряжения ОУ при заданном сопротивлении нагрузки и напряжении входного сигнала, обеспечивающим стабильную работу ОУ и искажения не превышающие заданного значения. U_{вых макс} на 1…5 В ниже напряжения питания.

11. Максимальный выходной ток I_{вых макс} ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ.

12. Потребляемая мощность – мощность, рассеиваемая ОУ при отключенной нагрузке.

13. Частота единичного усиления f₁ – это частота входного сигнала, при которой коэффициент усиления ОУ равен 1: |K(f₁)|=l. У интегральных ОУ частота единичного усиления имеет предельное значение 1000 МГц. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока примерно в 30 раз.

14. Частота среза f_c ОУ – частота, на которой коэффициент усиления снижается в раз. Она оценивает полосу пропускания ОУ и составляет десятки МГц.

15. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения V_макс определяется наибольшей скоростью изменения выходного напряжения ОУ при действии на входе импульса прямоугольной формы с амплитудой равной максимальному значению входного напряжения и лежит в пределах 0,1…100 В/мкс. При воздействии максимального входного напряжения выходной каскад ОУ попадает в область насыщения по обеим полярностям. Этот параметр указывается для широкополосных и импульсных устройств на основе ОУ и приводит к наличию фронтов выходного сигнала с конечными значениями длительности. V_макс характеризует быстродействие ОУ в режиме большого сигнала.

16. Время установления выходного напряжения t_ycт (время затухания переходного процесса) – это время необходимое для возвращения усилителя из состояния насыщения по выходу в линейный режим.

Время установления – это время в течение которого после скачка входного напряжения, выходное напряжение отличается от установившегося значения на величину допустимой относительной погрешности dU_вых. За время установления выходное напряжение ОУ при воздействии входного напряжения прямоугольной формы изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения.

17. Напряжение шумов, приведенное ко входу, определяется действующим значением напряжения на выходе усилителя при нулевом входном сигнале и нулевом сопротивлении источника сигнала деленным на коэффициент усиления ОУ. Спектральная плотность шумов оценивается как корень квадратный из квадрата приведенного напряжения шума деленного на полосу частот, в которой выполнено измерение напряжения шума. Размерность данного параметра . В ТУ на ОУ иногда задают коэффициент шума (дБ), определяемый как отношение приведенной мощности шума усилителя, работающего от источника с внутренним сопротивлением R_г, к мощности шума активного сопротивления

, (11.6)

,

где U_ш – приведенное напряжение шумов при R_г=0;

4kTR_г – спектральная плотность теплового шума резистора.

Требования, предъявляемые к параметрам ОУ, зависят от выполняемых им функций. Желательно во всех практических случаях уменьшить погрешность выполняемых операций, повысить надежность, быстродействие. Одновременное улучшение всех параметров выдвигает противоречивые требования к схеме и ее изготовлению. Все это объясняется большим разнообразием ОУ, у которых оптимизированы лишь конкретные параметры за счет ухудшения других. Так в измерительной аппаратуре используются прецизионные ОУ, обладающие большим коэффициентом усиления, большим входным сопротивлением, малым напряжением смещения нуля и малыми шумами. А быстродействующие ОУ должны обладать большой скоростью нарастания выходного напряжения, большой полосой пропускания и малым временем установления выходного напряжения. Такие ОУ нашли применение в импульсных и широкополосных усилительных устройствах и в устройствах аналого-цифровых преобразователей.

Для создания компараторов, которые служат для сравнения мгновенных значений двух напряжений, используются скоростные ОУ, работающие в режиме переключения.