Балансные и дифференциальные каскады

Очень сильно дрейф нуля можно уменьшить использованием балансных схем, выходная цепь которых представляет собой схему сбалансированного моста, к одной диагонали которого под­водится питание, а с другой диагонали снимается выходное на­пряжение. Примерами балансных каскадов являются двухтакт­ный резисторный каскад и инверсный каскад с обратной связью. В идеальных каскадах такого типа, имеющих совершенно одина­ковые усилительные элементы в обоих плечах схемы и одинаковые резисторы R в выходных цепях усилительных элементов, напря­жение питания оказывается полностью сбалансированным и в выходной цепи каскада отсутствует. При воздействии же на кас­кад каких-либо дестабилизирующих факторов (изменения темпе­ратуры, напряжения питания и т. д.) напряжение покоя на выход­ных электродах обоих усилительных элементов изменяется со­вершенно одинаково, схема по-прежнему остается сбалансирован­ной и напряжение дрейфа на выходе не появляется. Таким обра­зом, идеальный балансный каскад с совершенно одинаковыми плечами схемы полностью компенсирует постоянную составляю­щую напряжения дрейфа. Однако на практике плечи балансного каскада никогда не бывают абсолютно одинаковыми, и поэтому дрейф не уничто­жается полностью, а уменьшается тем сильнее, чем симметричнее схема.

Рис. 2.12.1. Простейший дифференциальный каскад с биполярными транзисторами

В балансных каскадах усилительные элементы можно включить либо последо­вательно друг с другом по отношению к источнику питания, либо параллельно. Параллельные балансные каскадыболее удобны для практического использования и для микроэлектронной технологии, а поэтому в настоящее время в основном и применяются.

Наиболее распространенным и упо­требительным параллельным балансным каскадом является дифференциальныйкаскад, по схеме отличающийся от инверсного каскада с обратной связью лишь тем, что имеет два входа, симметричных от­носительно общего провода схемы (рис. 2.12.1).

Напряжение усиленного сигнала на выходе дифференциально­го каскада U_вых (между точками 3 и 4) равно его коэффициенту усиления К_д, помноженному на разность напряжений сигналов, подводимых к его входам:

К_д=U_вых/U_вх;

U_вых=U_вых1- U_вых2= К_д U_вх = К_д(U_вх1 -U_вх2). (2.12.1)

Свое название дифференциальный каскад получил потому, что он усиливает только дифференциальный (разностный) сигнал, т. е. разность напряжений сигнала между первым и вторым входами. Разность U_вх1 -U_вх2 будет наибольшей в том случае, когда U_вх1 и U_вх2 имеют разные знаки, т. е. противоположны по фазе, так как при этом их абсолютные значения сложатся; такой входной сиг­нал называют дифференциальным входным сигналом. Если же U_вх1 и U_вх2 имеют одинаковую фазу, то сигнал называют синфаз­ным. При подаче на симметричный вход дифференциального кас­када (между точками 1 и 2) симметричного синфазного сигнала, у которого U_вх1 = U_вх2, разность U_вх1 и U_вх2 равна нулю и, как видно из выражения (2.10.4), напряжение сигнала на выходе симметричного дифференциального каскада (между точками 3 и 4) будет отсутствовать. Следовательно, совершенно симметричный дифференциальный каскад синфазный сигнал на выход пропус­кать не будет.

Эта особенность дифференциального каскада усиливать толь­ко дифференциальный сигнал и подавлять синфазный является очень важной и полезной, так как большинство видов помех явля­ется синфазными по отношению к цепям дифференциального каскада, так же как и напряжение дрейфа обоих его плеч, а поэто­му дифференциальный каскад их сильно подавляет по отношению к полезному дифференциальному сигналу. Отношение коэффици­ента усиления дифференциального сигнала К_д к коэффициенту усиления синфазного сигнала К_с называют коэффициентом подав­ления синфазных сигналов П_с:

П_с= К_д/К_с . (2.12.2)

Дифференциальный каскад в зависимости от способа подачи сигнала на его вход и способа снятия усиленного сигнала с вы­хода может быть использован различно. Так, сигнал на вход диф­ференциального каскада можно подавать следующими тремя спо­собами:

1) между точками 1 и 2(симметричный входной сигнал);

2) между точками 1 и 0(несимметричный входной сигнал);

3) между точками 0 и 2(несимметричный входной сигнал).

Сигнал с выхода каскада также можно снимать тремя способами:

1’) между точками 3 и 4(симметричный выходной сигнал);

2’) между точками 3 и 0(несимметричный выходной сигнал);

3’) между точками 0 и 4(несимметричный выходной сигнал).

Свойства дифференциального каскада сильно зависят от спо­собов подачи и снятия сигнала. Наилучшие свойства каскад име­ет в случае подачи симметричного сигнала между точками 1 и 2и снятия симметричного же сигнала с точек 3 и 4. У идеально симметричного каскада в этом случае полностью отсутствует дрейф нуля и он полностью подавляет синфазные сигналы. Од­нако в действительности вследствие неодинаковости компонентов в плечах каскада, нарушающей симметрию плеч схемы, подавле­ние, дрейфа оказывается неполным; при интегральном выполне­нии каскада на одной пластинке из полупроводника и хорошей технологии процесса можно добиться уменьшения напряжения дрейфа каскада по сравнению с обычным резисторным каскадом в несколько сотен раз и получить коэффициент подавления син­фазных сигналов П_с свыше 1000 (более 60 дБ).

Коэффициент усиления дифференциального каскада при по­даче на него симметричного сигнала по способу 1 (между точ­ками 1 и 2) и снятия усиленного сигнала по способу 1 (между выходами 3 и 4) равен коэффициенту усиления обычного резис­торного каскада и определяется теми же самыми формулами; по­стоянная составляющая напряжения между входами 1 и 2, так же как и между выходами 3 и 4, в этом случае отсутствует. Час­тотная и переходная характеристики, его на высоких частотах и в области малых времен такие же, как у обычного резисторного каскада.

Однако как источник сигнала, так и нагрузка далеко не всегда симметричны, и на практике очень часто приходится подавать на вход дифференциального каскада несимметричный .сигнал по способу 2 или 3, а также и снимать усиленный сигнал несиммет­рично поспособу 2’ или 3’. В этих случаях свойства дифференци­ального каскада ухудшаются; при подаче сигнала по способам 2 и 3,между входными зажимами каскада 1 и 0 (или 0 и 2) име­ется большая постоянная составляющая напряжения, которую не­обходимо компенсировать, а при снятии сигнала по способу 2' или 3' реализуется только половина напряжения усиленного сиг­нала, в результате чего коэф­фициент усиления каскада ока­зывается вдвое меньше, в до­полнение к большой и постоян­ной составляющей напряжения между зажимами 3 и 0 или 0 и 4. Для компенсации постоян­ной составляющей между вход­ными зажимами при несиммет­ричном источнике сигнала пи­тание дифференциальных кас­кадов часто осуществляют от источника питания со средней точкой или выводом, соединяемым с нижним (непотенциальным) концом источника сигнала (рис. 2.12.2).

Рис. 2.12.2. Питание дифференциального каскада от двух источников или от одного источника со средней точкой.

При работе дифференциального каскада на следующий обыч­ный каскад с несимметричным входом усиленный сигнал с диф­ференциального каскада снимают по способу 2' или 3'; в этих случаях компенсация дрейфа и подавление синфазных сигналов дифференциальным каскадом ослабляются и зависят только от ве­личины сопротивления R_эв общем проводе эмиттирующих элек­тродов, вводящего во входную цепь каскада последовательную от­рицательную обратную связь по току. Для симметричных входных сигналов (дифференциальных) эта обратная связь в каскаде от­сутствует, так как в этом случае текущий через R_э ток сигнала одного плеча компенсируется равным ему током сигнала другого плеча; при подаче на вход несимметричного сигнала дифференциальный каскад работает как инверсный каскад с обратной связью, так как вносимая резистором R_эобратная связь подает напряжение сигнала на ведомое плечо каскада.

Для синфазных сигналов глубина отрицательной обратной свя­зи, вносимой сопротивлением R_эи подавляющей синфазные сиг­налы, здесь оказывается равной l+2SR_э, где S — крутизна характеристики выходного тока одного усилительного элемента каскада в точке покоя. Из сказанного следует, что подавление син­фазных сигналов, а с ним и снижение дрейфа нуля у дифферен­циального каскада тем больше, чем выше крутизна характери­стики усилительных элементов и чем больше величина R_э.

Увеличить глубину обратной связи повышением крутизны характеристики усилительных элементов не удается, так как для увеличения крутизны нужно увеличивать ток покоя, а это застав­ляет снижать сопротивление резистора R_эпри заданной величи­не допустимого падения на нем напряжения питания. Кроме того, при этом возрастает расход энергии на питание каскада.

Поэтому для повышения глубины обратной связи, улучшаю­щей свойства каскада, следует увеличивать сопротивление резис­тора R_э. Но его нельзя брать слишком большим, так как через этот резистор проходит ток покоя обоих усилительных элементов и при чрезмерно большом сопротивлении падение напряжения питания не будет недопустимо велико. Так, например, при токе покоя каскада 1 мА и допустимом падении напряжения питания на R_э5 В сопротивление этого резистора должно быть равно 5:0,001=5000 Ом. При использовании в каскаде биполярных транзисторов и токе каждого из них 0,5 мА значение 5 составит около 0,02 А/В, что даст подавление синфазных сигналов в 1+2*0,02*5000 200 раз, или около 43 дБ, что обычно оказывается недостаточным. При использовании полевых транзисторов, подавление будет значительно меньше, вследствие более низкой, у них, крутизны характеристики.

Рис. 2.12.3. Дифференциальные каскады: а — с простейшим стабилизатором тока в цепи эмиттеров; б — с улучшенным ста­билизатором тока, имеющим повышенное сопротивление.

Для увеличения глубины обратной связи при том же падении напряжения питания на Д₃ в качестве последнего используют так называемый «электронный резистор» (стабилизатор тока), у ко­торого сопротивление переменной составляющей тока много больше сопротивления постоянному току (рис. 2.12.3а).

Рис. 2.12.4 Биполярный транзистор в качестве стабилизатора тока.

Наилучшим стабилизатором тока является включенный с общим эмиттером биполярный транзистор, обладающий большим выходным сопро­тивлением при наименьшем падении на нем напряжения питания (рис. 2.12.4); пригодны для этой цели также полевой транзистор и пентод. При токе коллектора 1 мА и падении напряжения пита­ния коллектор — эмиттер 5В, сопротивление биполярного транзи­стора постоянному току равно 5000 Ом, а его выходное сопротивление переменной составляющей тока при включении с об­щим эмиттером в этих условиях оказыва­ется порядка 30-50 кОм, т. е. примерно в 10 раз больше, чем для постоянного то­ка. Это дает возможность получить пода­вление синфазных сигналов уже поряд­ка 60 дБ.

Для увеличения выходного сопротив­ления транзистора, используемого в ка­честве стабилизатора тока, в цепь его эмиттера в современных схемах дифференциальных каскадов обычно вводят резистор R_тс небольшим сопротивлением (сотни или тысячи ом), повышающий, вследствие вносимой отрицательной обратной связи по току, выходное сопротивление стабилизирующего тран­зистора до нескольких сотен килоом, а в цепь базы вводят диод, осуществляющий температурную компенсацию (рис. 2.10.7б). Такие каскады дают подавление синфазных помех порядка 80 дБ и более.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В учебном пособии содержатся сведения об
элементной базе устройств полупроводниковой электроники.
Приводится их классификация, вольтамперные и частотные
характеристики, основные схемы включения. Излагаются
основные принципы построения усилительных каскадов на
биполярных и полевых транзисторах. В основу
предлагаемого пособия положен опыт преподавания
дисциплин «Электроника и схемотехника» и «Основы
радиоэлектроники», читаемых в Воронежском

государственном техническом университете.

Изложенный в пособии материал позволяет усвоить основы теории и применения рассматриваемых устройств, выполненных на транзисторах и интегральных микросхемах. Изучение желательно дополнять самостоятельной творческой работой студента, включающей элементы исследования. Последующее изучение других дисциплин, базирующихся на знании аналоговых электронных устройств, а особенно инженерная деятельность, будут требовать постоянного углубления этих знаний. И не только потому, что при прохождении курса изучаются лишь основы, но еще и потому, что теория и техника аналоговых устройств не стоит на месте, а развивается.