Дифференциальные усилительные каскады

Модуль 1. Схемотехника элементов аналоговых электронных устройств

Лекция 4

Элементы аналоговых электронных устройств

Учебные вопросы:

1. Дифференциальные усилительные каскады.

2. Выходные усилительные каскады.

Дифференциальные усилительные каскады

Дифференциальный усилительный каскад (УК) - это широко известная схема, используемая для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов, а определяется только их разностью.

Дифференциальный УК состоит из двух транзисторов VT1 и VT2, эмиттеры которых соединены и подключены к общему резистору R_э (рис. 1.1, а). Такое включение R_э создает ПООСТ, стабилизируя рабочие точки покоя транзисторов. Двухполярное питание позволяет снизить потенциалы баз (коллекторов) до потенциала общей шины.

Синфазные сигналы и помехи действуют на оба входа дифференциального УК одновременно (без сдвига фаз) и одинаково (U_вх1 = U_вх2), стремясь одновременно изменить токи коллекторов. ПООСТ же стремится вернуть коллекторные токи к исходному значению, т.е. стабилизировать их суммарное значение.

Рассмотрим работу дифференциального УК для основного рабочего режима - дифференциального. За счет действия U_вх1 = U_вх транзистор VT1 приоткрывается, и его ток эмиттера получает приращение ΔI_э1, а за счет действия U_вх2 = -U_вх транзистор VT2 призакрывается, и ток его эмиттера получает отрицательное приращение -ΔI_э2. Следовательно, результирующее приращение тока в цепи резистора R_э при идеально симметричных плечах близко к нулю, ПООСТ отсутствует и каждое плечо для дифференциального сигнала ведет себя как обычная схема с ОЭ.

а б

Рис. 1.1

Так как при анализе дифференциального УК выделяют два плеча, представляющие собой каскады с ОЭ, в общую цепь эмиттеров транзисторов которых включен общий резистор R_э, которым и задается их общий ток I₀, представляется возможным при расчете характеристик дифференциального УК пользоваться соотношениями, выведенными для УК с ОЭ. Например, КУ дифференциального сигнала K_дс в случае симметрии плеч будет равен КУ каскада с ОЭ: K_дс = K₀.

Дифференциальный УК отличает большой коэффициент передачи дифференциального (противофазного) сигнала K_дс и малый коэффициент передачи синфазного сигнала K_сс. Коэффициент передачи синфазной составляющей входных сигналов

Используя выражения для ПООСТ, коэффициент передачи синфазного сигнала можно представить как

.

Для оценки подавления синфазного сигнала вводят коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС), равный отношению коэффициентов передач дифференциального и синфазного сигналов:

.

Из сказанного следует, что увеличение КОСС возможно путем уменьшения разброса номиналов резисторов в цепях коллекторов (в монолитных ИМС - не более 3%) и путем увеличения R_э. Однако увеличение R_э требует увеличения напряжения источника питания (что неизбежно приведет к увеличению рассеиваемой тепловой мощности в ДУ), и не всегда возможно из-за технологических трудностей реализации резисторов больших номиналов в монолитных ИМС.

Решить эту проблему позволяет использование электронного эквивалента резистора большого номинала, которым является источник стабильного тока (рис. 1.1, б).

Под источником стабильного тока (ИСТ) понимают двухполюсник, ток через который практически не зависит от приложенного напряжения (рис. 1.2).

а б

Рис. 1.2

Если на такой двухполюсник подать сумму постоянного и переменного напряжений, то его сопротивление для переменной составляющей будет высоким. Сопротивление для постоянной составляющей обычно требуется небольшое. Выходное сопротивление ИСТ в идеале: . ИСТ подключается вместо R_э, а заданный ток и термостабильность обеспечивают элементы R₁, R₂, R_э (рис. 1.2, а), и R_и (рис. 1.2, б).

На рис. 1.3 представлен один из вариантов схемы дифференциального УК с ИСТ. Здесь заданный ток и термостабильность ИСТ обеспечивает R_э и R_б. Для реальных условий ИСТ представляет собой эквивалент сопротивления для изменяющегося сигнала номиналом до единиц МОм, а в режиме покоя - порядка единиц кОм, что делает дифференциальный УК экономичным по питанию. Использование ИСТ позволяет реализовать дифференциальный УК в виде экономичной ИМС с КОСС порядка 100дБ.

Рис. 1.3

При использовании полевых транзисторов (ПТ) характер построения дифференциальных УК не меняется, следует только учитывать особенности питания и термостабилизации ПТ.

Широкое применение в составе многокаскадных усилителей находят дифференциальные УК, выполненные по схеме с несимметричным выходом (рис. 1.4, а). Такие УК усиливают дифференциальный сигнал, и преобразовывают его в несимметричный сигнал, с которым могут работать обычные схемы (повторители напряжения, источники тока и т.п.). Один из входов дифференциального УКс несимметричным выходом называется неинвертирующим (Вх1), а другой – инвертирующим (Вх2). Усиление сигнала, поступающего на неинвертирующий вход, происходит без изменения знака, а поданного на инвертирующий вход - с изменением (инверсией) знака на противоположный.

а б

Рис. 1.4

КУ дифференциального сигнала при таком включении будет равен половине КУ при симметричной нагрузке:

.

Вместо резисторов R_к в дифференциальных УК часто используют транзисторы, выполняющие функции динамических нагрузок. В дифференциальном УК с несимметричным выходом целесообразно использовать в качестве динамической нагрузки, так называемое токовое зеркало, образованное транзисторами VT3 и VT4 (рис. 1.4, б).

При подаче на базу транзистора VT1 положительной полуволны гармонического сигнала U_вх1, в цепи транзистора VT3 (включенного по схеме диода) возникает приращение тока ΔI_к1. За счет этого тока возникает приращение напряжения между базой и эмиттером VT3, которое является приращением входного напряжения для транзистора VT4. Таким образом, в цепи коллектор-эмиттер VT4 возникает приращение тока, практически равное ΔI_к1, поскольку в дифференциальном УК плечи симметричны. В рассматриваемый момент времени на базу транзистора VT2 подается отрицательная полуволна входного гармонического сигнала U_вх2. Следовательно, в цепи его коллектора появилось отрицательное приращение тока ΔI_к2. При этом приращение тока нагрузки дифференциального УК равно ΔI_к1 + ΔI_к2, т.е. дифференциальный УК с токовым зеркалом обеспечивает большее усиление дифференциального сигнала.