Дифференциальные усилители

 

Для реализации дифференциального включения транзисторов удобно рассмотреть возможность соединения двух схем УПТ с эмиттерной стабилизацией (рис.14.3.).

 

Рис.14.3. Два каскада УПТ с эмиттерной стабилизацией, соединенные последовательно по схеме ОК-ОБ

В этом случае вместо двух резисторов Rэ в схеме остается один общий резистор, а выходной сигнал появляется возможность снимать как раздельно так и совместно с обоих транзисторов. Транзисторы при этом можно считать включенным последовательно по типу ОК – ОБ. Заметим, что тип межкаскадного соединения в многокаскадном УПТ - ОЭ- ОЭ. При создании схемы ОК-ОБ получается двухкаскадный усилитель с эмиттерной связью через общий резистор Rэ. Такой усилитель содержит два входа, два выхода и будет способен усиливать разность сигналов, подаваемых на его оба входа.

Коэффициент усиления такого усилителя для дифференциального сигнала можно определить используя известное выражение

 

.

 

Где в ходное сопротивление каскада представляет собой сопротивление

параллельного соединения резисторов R₁, R₂ и сопротивления входной цепи транзистора r_вх,

причем для УПТ в выражение для r_вх включается сопротивление Rэ и R вх определяется как

, ( 14.9)

 

Для получения практически значимой величины коэффициента усиления необходимо из схемы исключить сопротивление Rэ, и, точнее говоря устранить паразитную ООС, которая возникает из-за падения сигнала на этом резистора. Поскольку Rэ является основным элементом цепи температурной стабилизации по постоянному току, то его простое исключение невозможно. Однако в схеме ДУ для переменного тока создается обходной путь через другой транзистор дифференциальной пары. Это приводит к тому, что в ДУ для каждого из транзисторов имеется включенное параллельно по отношению к Rэ входное сопротивление другого транзистора, включенного по схеме с ОБ. Поскольку r_вхоб = r_э, в выражении для Rвх вместо сопротивления Rэ оказывается включенным

Rэ|| r_э. В результате Ku увеличивается и составляет величину 50-100, как и в одиночном усилителе переменного тока, в котором параллельно Rэ включен конденсатор Cэ, также выполняющей аналогичную задачу устранения ООС по переменному току.

На рис.15.4 а) показан общепринятый вид такого усилителя, который представляет собой дифференциальный усилительный каскад (ДУ), который достаточно просто реализуется в виде монолитной ИМС. В таком усилителе возможно весьма эффективное уменьшения дрейфа нуля УПТ и получение большого коэффициента усиления.

Для питания ДУ обычно используются два источника питания, напряжение которых равны по модулю. Использование источника питания снижает потенциал эмиттеров транзисторов VT₁ и VT₂ до потенциала земли.

Дифференциальный каскад в общем случае можно рассматривать как сбалансированный мост, 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.

При полной симметрии схемы изменение напряжения питания и изменение температуры воздействует синфазно на токи обоих транзисторов, то есть не нарушает баланса моста и выходное напряжение остается без изменения.

а)

б)

Рис.14.4 Дифференциальный усилитель а) с резистором Rэ и б) источником стабильного тока в цепи эмиттера дифференциального каскада.

 

Следовательно, в идеальной симметричной схеме ДУ дрейф нуля должен отсутствовать. В реальной схеме ДУ дрейф нуля в 10…100 раз меньше чем в схеме усилителя типа ОЭ - ОЭ.

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

В режиме покоя при отсутствии входных сигналов в коллекторных цепях транзисторов VT₁ и VT₂ протекают коллекторные токи . При этом . Если нагрузочное сопротивление включено между коллекторами транзисторов VT₁ и VT₂, то выходное напряжение на резисторе нагрузки равно нулю .

Резистор R_э, включенный в цепь эмиттеров, создает последовательную обратную связь по току, стабилизируя рабочую точку транзисторов. Стабилизация режима за счет ООС на резисторе Rэ тем выше, чем выше сопротивление R_э и идентичность характеристик и параметров транзисторов.

Обычно вместо Rэ в цепь эмиттеров транзисторов VT₁ и VT₂ включается генератор стабильного тока (рис. 14.,б).

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

. ( 14.10)

Рассмотри работу ДУ при подаче на оба входа усилителя дифференциальных сигналов (в простейшем случае одинаковых и противофазных). 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 ДУ 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. Усилитель реагирует на разность входных сигналов, вот почему и называется дифференциальным.

Выходной сигнал снимаемый в диагонали моста с коллекторов транзисторов VT₁ и VT₂ называется дифференциальным

. (14.11)

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.

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 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.

Повысить параметры дифференциального усилителя в принципе можно простым увеличением сопротивлений резисторов R_к и R_э, но при этом уменьшится ток покоя транзисторов и, как следствие, ухудшится температурная и временнa я стабильность усилителя. Эффективный путь улучшения характеристик усилителя состоит в замене линейных резисторов источниками тока, обладающими высоким динамическим сопротивлением при достаточно больших токах. В частности, в качестве динамической нагрузки в цепи коллекторов транзисторов дифференциального усилителя широко используется так называемое токовое зеркало.

Рис.14.5. Схема токового зеркала

При таком включении U_кэ=U_бэ>U_кэ.нас. Следовательно, транзистор Т₁ ненасыщен. Поскольку U_бэ1=U_бэ2, то при хорошо согласованных по параметрам транзисторах I_б1=I_б2=I_б и I_к1=I_к2=B_Iб, где B - статический коэффициент передачи тока. При этом

I_вх= BI_б +2I_б и I_вых= BI_б (14.12)

Отсюда

I_вых= BI_вх/(B+2) @ I_вх ( 14.13)

Таким образом, выходной ток схемы почти повторяет входной, почему эта схема и называется токовым зеркалом. Использование токовых зеркал в качестве динамической нагрузки дифференциального каскада и в качестве источника тока в цепи эмиттеров позволяет получить коэффициент усиления входного дифференциального напряжения на одном каскаде свыше 5000 (при условии, что нагрузка на выходе усилителя отсутствует) и КОСС свыше 100 000 (100 дБ).