Будова і принцип дії диференціального підсилювача

Рис.3 Схема диференційного підсилювача.

Диференціальний підсилювач має симетричну структуру і складається з двох однакових половин (рис. 3). Два однакові транзистори VT1, VT2 увімкнені за схемою зі спільним емітером і мають однакове колекторне навантаження . Транзистори та їх колекторні навантаження утворюють міст, що живиться струмом від джерела енергії через резистор R3.

Щоб забезпечити підсилен­ня сигналів різної полярності, у диференціальному підсилювачі застосовується симетричне двополярне живлення.

Для аналізу процесів у диференціальному підсилювачеві напруги і струми розкладають на диференціальну і синфазну складові.

Як інформативна, тобто така, що несе інформацію, ви­користовується диференціальна складова напруги чи струму, а синфазні складові струмів і напруг є неінформативними.

 

Характеристики і параметри диференціального підсилювача

1. Вхідний опір. Вхідний опір диференціального підсилювача дорівнює

(1)

Враховуючи залежність між параметрами різних моделей транзистора, вхідний опір диференціального підсилювача можна виразити формулою

(2)

Таким чином, вхідний опір диференціального підсилювача залежить від температурного потенціалу, отже, від температури і від струму джерела струму, утвореного резистором і джерелом живлення. Для забезпечення значного вхідного опору сучасних інтегральних диференціальних підсилювачів струм доводиться обмежувати кількома мікроамперами.

 

2. Коефіцієнт підсилення диференціальної складової сигналу

Для вихідного сигналу, коефіцієнт підсилення диференціальної складової сигналу дорівнює

 

(3)

 

Якщо на входах диференціального підсилювача діють однакові сигнали, тобто інформативний сигнал має тільки синфазну складову, то у колах баз обох транзисторів протікають базові струми однакові як за значенням, так і за знаком. Базові струми транзисторів спричиняють однаковий приріст колекторних струмів, у результаті чого різниця Потенціалів колекторів обох транзисторів дорівнює нулю. Вихідна напруга, яка змінюється між дво­ма колекторами, також дорівнює нулю.

Таким чином, в абсолютно симетричному диференціальному підсилювачі зміна вхідного синфазного сигналу не впливає на вихідну диференціальну напругу.

За умови абсолютної симетрії диференціального каскаду синфазна і диференціальні складові сигналу підсилюються окремо одна від одної, мають різні коефіцієнти підсилення і взаємно не впливають одна на одну.

Цю надзвичайно цінну властивість диференціального каскаду використовують для розмежування інформативної й неінформативної складової: як носійінформації використовується диференціальна складова і тому є інформативною.Синфазна складова не несе інформації і використовується для завдання оптимальних умов підсилення.

Як уже зазначалося, роздільне підсилення диференціальної і синфазної складової можливе лише за умови абсолютної симетріїдиференціального підсилювача. У реального диференціального підсилювача абсолютної симетрії досягти неможливо, і тому частина синфазної (неінформативної) складової проникає на диференціальний вихід, вносячи тим самим похибку підсилення.

3. Коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу. Передача синфазного сигналу на диференціальний вихід характеризується коефіцієнтом ослаблення синфазного сигналу.

Оскільки завади діють, як правило, на обидва входи диференціального підсилювача, то коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу є мірою завадостійкості цього підсилювача і заноситься до його технічного паспорта.

4. Напруга зміщення. Асиметрія диференціального підсилюва­ча призводить до похибкипідсилення, яка виявляється у тому, що за умови відсутності вхідного диференціального інформативного сигналу внаслідок асиметрії підсилювача на диференціальному виході (тобто між двома колекторами транзисторів підсилювача) з'являється вихідний сигнал, рівень якого прямо залежить від ступеня асиметрії. Цей вихідний сигнал, за умови нульового сигналу на вході, і є абсолютною похибкою диференціального підсилювача. Проте на практиці абсолютну похибку диференці­ального підсилювача характеризують не цим сигналом, а «при­веденим до входу», тобто розділеним на коефіцієнт підсилення. У технічному паспорті на диференціальний підсилювач цей параметр називається «вхідна напруга зміщення».

5. Температурний дрейф напруги зміщення. Асиметрія диференціального підсилювача може спричинюватися також дією температури, внаслідок чого на диференціальному виході виникає сигнал похибки, який називається температурний дрейфі вимірюється в одиницях мкВ/К.

6. Середній вхідний струм. Поряд з цим параметром у технічному паспорті наводиться аналогічний параметр — вхідний струм зміщення.

7. Різниця вхідних струмів. Абсолютне значення різниці стру­мі н двох входів підсилювача, за умови, що напруга на виході дорівнює нулю. Поліпшення характеристик диференціального під­силювача прямо залежить від підвищення ступеня симетричності. Високої міри симетрії можна досягти, якщо виготовляти диференціальний підсилювач у виді інтегральної мікросхемиВ єдиному технологічному процесі.

8. Динамічне навантаження. Однією з причин невисоких якіс­них показників найпростішого диференціального підсилювача є наявність колекторних опорів або так зване пасивне навантаження транзисторів. До опорів резисторів висуваються суперечливі вимоги. З одного боку, для збільшення коефіцієнта підсилення опори колекторних резисторів мають бути якомога більшими. З іншого боку, реалізація резисторів зі значними опорами, особливо інтегральних резисторів, пов'язана зі значними труднощами.

По-перше, площа, яку займає резистор на інтегральній мікросхемі, приблизно пропорційна його опору, і тому резистор із значним опором займає місця набагато більше ніж усі активні елементи (діоди, транзистори) разом узяті.

Інтегральний резистор зі значним опором, а отже, і зі значною площею має велику паразитну ємність, яка разом зі значним опором дає велику сталу часу, що зменшує робочий діапазон частот підсилювача.

Зі збільшенням опору колекторних ре­зисторів зменшується динамічний діапазон вхідних і вихідних сигналів диференціаль­ного підсилювача.

Щоб уникнути цих недоліків і в той же час збільшити коефіцієнт підсилення, пасивне навантаження транзисторів підсилювача замінюють на активне, або, як його ще називають, динамічне навантаження.

Динамічним навантаженням транзисторів диференціального підсилювача служить так зване дзеркало струму.

9. Емітерне джерело струму. Як випливає з аналізу диференціального підсилювача, вхідний синфазний опір і коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу збільшуються зі зростанням опору емітерного резистора R_E. Виходячи з цього положення, емітерний резистор R_E у найпростішому диференціальному підсилювачі доцільно замінити джерелом струмузі значним внутрішнім опором. Як таке джерело найчастіше використовують дзеркала струму.

10. Застосування каскадів. Щоб збільшити вхідний диференціальний опір і зменшити вхідні струми диференціального підсилювача, застосовують каскади. Застосування складеного транзистора зі схемою з'єднання спільний емітер – спільна база надає змогу значно зменшити ступінь впливу навантаження на вхідний сигнал, а також зменшити вхідні струми диференціального підсилювача.

 

Питання для самоконтролю:

 

Тема: Опереаційні Підсилювачі.

Зворотні зв’язки у підсилювачах.

 

3. Поняття операційні підсилювачі.

4. Зворотні звязки у підсилювачах.

5. Принцип роботи операційного підсилювача..

Операційними підсилювачами називають дифиренціальні підсилювачі постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення (десятки тисяч), великим вхідним опором (одиниці мегаом) та незначним дрейфом нуля. Вони призначені для виконання таких елементарних математичних операції над аналоговими (неперервними) сигналам як сумування, диференціювання, інтегрування, перемноження, логарифмування. Операційні підсилювачі знаходять широке використання в електричних засобах автоматизації. Вони є основними аналоговими елементами аналогових обчислювальних машин і аналогових обчистлювальних пристроїв.

Операційні підсилювачі працюють зі зворотними від'ємними зв'язками. Під зворотним зв’язком розуміють електричний зв’язок, через який частина енергії з виходу підсилювача поступає на його вхід. Зворотний зв’язок здійснюється через елементи, які можна розглядати як чотириполюсник з коефіцієнтом передачі . Глибина зворотного зв’язку визначається величиною . Розрізняють зворотні зв’язки за напругою, за струмом і комбіновані.

При зворотному зв’язку за напругою коло зворотного зв’язку підмикається паралельно до навантаження підсилювача, а напруга зворотного зв’язку прикладається паралельно до входу підсилювача (рис.13.1,а). При цьому напруга зворотного зв’язку . Якщо ж зворотний зв’язок здійснюється за допомогою резистора невеликого опору , включеного послідовно з навантаженням, то його називають зворотним зв’язком за струмом і (рис.13.1,б). Обидва способи можуть застосовуватися одночасно - тоді зворотний зв’язок буде комбінований.

Напруга зворотного зв’язку може подаватися на вхід підсилювача послідовно з напругою вхідного сигналу (послідовний зворотний зв’язок) або паралельно (паралельний зворотний зв’язок).

При від’ємному зворотному зв’язку напруга зворотного зв’язку діє у протифазі із вхідною напругою,при додатному - співпадає з вхідною напругою.

 

а) б) в)

Рис..1.Структурні схеми підсилювачів зі зворотними

зв’язками: а- за напругою паралельний; б- за струмом

паралельний; в- за напругою послідовний.

 

ЗЗ називається позитивним (ПЗЗ), якщо вихідна напруга ЗЗ знаходиться у фазі з напругою джерела сигналу, тобто вони складаються на вході підсилювача.

ЗЗ називається негативним (НЗЗ), якщо ЗЗ характеризується зрушенням на 180 градусів між вихідною напругою ланки ЗЗ і напругою джерела сигналу, тобто вони віднімаються на вході підсилювача.

Якщо зсув фаз знаходиться в діапазоні від 0 до 180 градусів, то ЗЗ єкомплексним. Якщо коефіцієнт передачі ланки ЗЗ не залежить від частоти, тоЗЗ називається частково незалежною. Інакше ЗЗ частково залежний.