Дифференциальные усилительные каскады

Радикальным средством уменьшения дрейфа УПТ является при­менение параллельно-балансных (д и ф ф е р е н-ц и а л ь н ы х) каскадов. Одна из наиболее распространенных схем дифференциальных усилительных каскадов представлена на рис. 2.33, а. По этой схеме построены каскады, выпускаемые в виде отдельных микросхем (например, К118УТ1, К122УТ1); она исполь­зуется также во входных каскадах многих УПТ интегрального ис­полнения.

Рис. 2.33. Схема (а) и упрощенная схема (б) параллельно- балансного (дифференциального) усилительного каскада; способы подачи дифференциального входного сигнала (в, г)

напряжение- снимается между коллекторами транзисторов (т. е. с диагонали моста) или с коллекторов.

На транзисторе Т₃ собрана схема источника стабильного тока I_э, определяющего сумму эмиттерных токов I_э1 и I_э2транзисторов Т₁ , Т₂. В схему источника стабильного тока входят резисторы R₁, R₂, R₃и источник питания Е_К2. Транзистор Т₄в диодном включении предназначен для повышения стабильности тока I_э в зависимости от изменения температуры (элемент температурной компенсации). Для определения тока I_э найдем напряжение между точками 1—2 схемы. Если пренебречь током / I_б3, существенно мень­шим тока I_э, и принять I_э3 ≈ I_к3 = I_э можно записать

где

Из этих уравнений находим

Величина I₁ R₂ в числителе этого выражения существенно больше разности напряжений U_бэтранзисторов Т₄, Т₃. Поэтому ток I_э определяется преимущественно сопротивлениями R₂, R₃ и током I₁. Поскольку зависящие от температуры параметры U_бэ4 и U_бэ3вхо­дят в выражение в виде разности, зависимость тока от темпе­ратуры проявляется незначительно. Дальнейшее рассмотрение диф­ференциального каскада проведем на примере схемы рис. 2.33, б, где источник стабильного тока на транзисторе Т₃ заменен источником тока I_э.

Дифференциальный каскад допускает подачу входных сигналов от двух источников (на оба входа U_вх1, U_вх2) или от одного источника входного сигнала (рис. 2.33, в, г). В последнем случае входной сиг­нал подается на базу одного из транзисторов или между обеими ба­зами. Входы U_вх1, U_вх2 при схемах соединения по рис. 2.33, в, г называются дифференциальными.

Питание каскада производится от источников .+ Е_к1и — Е_к2с равными напряжениями. Ввиду последовательного соединения этих источников суммарное напряжение питания схемы Е_к = Е_к1 + Е_к2. С помощью напряжения питания Е_К2 снижают потенциал эмиттеров транзисторов Т₁, Т₂ относительно общей точки схемы («земли»). Это позволяет подавать сигналы на входы усилителя без введения дополнительных компенсирующих напряжений, что требовалось, в частности, в схеме рис. 2.32, а.

Схема дифференциального каскада требует применения близких по параметрам транзисторов Т₁, Т₂ и равенства сопротивлений R_К1, R_К2 (рис. 2.33, б). Благодаря этому при входных сигналах, равных нулю, достигается баланс моста, напряжения на коллекторах обоих транзисторов равны и выходное напряжение, снимаемое с диагонали, U_вых = U_вых1— U_вых2 = 0. Высокая стабильность схемы в отно­шении изменения напряжения питания, температуры и прочих фак­торов объясняется тем, что при одинаковом дрейфе по обоим усили­тельным каналам каскада напряжения на коллекторах изменяются на одну и ту же величину и дрейф на выходе каскада отсутствует, В реальных условиях за счет существующего разброса параметров транзисторов (например, β и I_к0(э)) или их неодинакового из­менения во времени некоторый дрейф в каскаде все же имеет­ся. Однако он существенно меньше, чем в предыдущих схе­мах, поскольку величина дрей­фа здесь определяется разност­ным дрейфом двух близких по параметрам усилительных кана­лов. Идентичность параметров транзисторов Т₁ и Т₂легко достигается при интегральном (микросхемном) исполнении, когда их изготовление осуществ­ляется в едином технологиче­ском процессе на общем крис­талле полупроводника.

Рис. 2.34. Схема дифференциального

каскада при входном сигнале, равном

нулю (а); потенциальная диаграмма

выходных цепей (б)

Схема дифференциального каскада при U_вх = 0 показана на рис. 2.34, а. Ток I_э делится поровну между двумя транзисторами, т. е. I_э1 = I_э2 = I_э/2. Значения эмиттерных токов I_э1, I_э2 определяются входными токами смещения (базовыми токами покоя): I_бп1 = I_бп2 = I_э/2(1+ β) = I_{вх см.} Базовые токи, являющиеся составляющими токов эмиттеров транзисторов, протекают в цепи с ис­точником тока I_э и напряжением питания Е_к2. Равенству эмиттерных токов транзисторов будет соответствовать равенство их коллекторных токов: I_к1 = I_к2 = α I_э/2 ≈ I_э/2 и напряжений на кол­лекторах: IU_к1 = IU_к2 = α IU_э/2 ≈ Е_к1 - I_э R_К /2 (рис. 2.34, б), где R_К1 = R_К2 = R_К(учитываем только абсолютные значения напряжений). Данное состояние схемы характеризует режим баланса кас­када или режим покоя.

Рассмотрим работу схемы при наличии входного сигнала, например при подаче его на вход транзистора Т₁ (U_вх1на рис. 2.35, а), при этом по-прежнему U_вх2= 0. Предположим, что напряжение входного сигнала имеет положительную полярность.

Под воздействием входного сигнала через входные цепи обоих транзисторов будет протекать входной ток I_вх увеличивающий ток базы транзистора Т₁ и уменьшающий ток базы транзистора Т₂. При этом токи I_э1, I_к1 увеличиваются, а токи I_э2, I_к2 уменьшаются. Из­менение токов обоих транзисторов происходит на одну и ту же вели­чину, поскольку сумма токов I_э1 + I_э2 = I_э остается неизменной.

Изменения коллекторных токов вызывают изменение потенциаль­ной диаграммы каскада (рис. 2.35, б). Напряжение U_к1 = Е_К1 — I_к1 R_К1 уменьшается, что вызывает приращение напряжения — ΔU_к1, противоположное по знаку (проинвертированное) напряжению е_ГНапряжение

Рис. 2.35. Схема дифференциального каскада при наличии входного сигнала (а); потенциальная диаграмма выходных цепей (б)

U_к2 = Е_К2 — I_к2 R_К2 возрастает, что создает соответственно приращение напряжения +ΔU_к2 того же знака (непроинвертированного по знаку), что и напряжение входного сигнала.

Таким образом, для рассматриваемого способа передачи входного сигнала выход каскада со стороны коллектора транзистора Т₁ (U_вых1) является инвертирующим, а со стороны коллектора транзистора Т₂ (U_вых2) —неинвертирующим. Сигнал, снимае­мый с обоих коллекторов, называется дифференциальным:

Большие значения напряжения на входе вызывают соответственно большие значения выходного напряжения. Изменения выходных напряжений схемы под воздействием сигнала на входе прекращаются, когда под влиянием входного 'тока ток базы одного из транзисторов (в рассматриваемом случае ток I_б2) становится равным нулю, а ток I_э протекает только через один из транзисторов (Т₁). Выходные напря­жения каскада при этом составляют:

Подобно описанным, но с иными знаками приращений, протекают процессы в схеме при изменении полярности подводимого входного напряжения или при подключении входного сигнала по схеме рис. 2.33, г.

Определим коэффициенты усиления по напряжению дифференциального каскада.

Входной ток каскада при одинаковых параметрах обоих транзисторов

где r_вх — входное сопротивление транзистора.

Входной ток создает приращения коллекторных токов ±ΔI_к = ± β I_вх и напряжений на коллекторах:

После подстановки сюда выражения для тока I_вх и деле­ния на е_Гопределяем коэффициенты усиления по напряжению кас­када (по обоим выходам U_вых1, U_вых2)^:

При R_Г = 0 это выражение принимает вид

Коэффициент усиления каскада по дифференциальному выходу (U_вых ) при R_н=∞находят из соотношения

С учетом сопротивления R_н

При R_н=∞ и R_Г = 0

Соотношения (2.131), (2.134) используют для оценки коэффициентов усиления дифференциального каскада. Коэффициенты усиления по выходам U_вых1 и U_вых2при R_н=∞ и R_Г = 0 близки к K_U/2 для одиночного каскада ОЭ [ср. выражения (2.25) и (2.131)]. Это объяс­няется тем, что при R_Г = 0 к участку база — эмиттер каждого тран­зистора в дифференциальном каскаде прикладывается половина на­пряжения источника входного сигнала е_Г/2. Поскольку приращения сигналов между коллекторами обоих транзисторов суммируются, коэффициент усиления по дифференциальному выходу K_Uдблизок к значению K_Uдлятого же каскада [ см.(2.25), (2.134) ].

Как указывалось, схема дифференциального усилительного каскада допускает подачу входных сигналов одновременно на оба входа (см. рис. 2.33, б). Дифференциальное входное напряжение при сиг­налах U_вх1, U_вх2 неодинаковой полярности будет равно U_вх = U_вх1 + U_вх2, а дифференциальное выходное напряжение U_вых = K_Uд (U_вх1 + U_вх2).

Представляет интерес также подключение входных напряжений одинаковой полярности, т. е. двух совпадающих по фазе (синфазных) сигналов. Дифференциальный каскад позволяет решать часто встречающуюся на практике задачу сравнения с высокой степенью точности значений напряжений входных сигналов или увеличения их разности. Это, в частности, объясняет название «дифференциальный каскад». При наличии двух синфазных входных сигналов дифференциальное выходное напряжение пропорционально разности U_вх1 - U_вх2

При подаче на входы двух сигналов одинаковой полярности необ­ходимо учитывать возможность появления на выходах U_вых1, U_вых2 так называемой выходной синфазной ошибки. Она обусловливается наличием на обоих входах одинакового постоянного напряжения (постоянной составляющей), равного наименьшему из напряжений U_вх1, U_вх2. Если, например, U_вх1 > U_вх2, то напряжение U_вх1 можно рассматривать как синфазное напряжение Е_синф, приложенное одновременно к обоим входам, а разность U_вх1 — U_вх2 = е_Г – как дифференциальное входное напряжение между входами. При R_Г1 = R_Г2 =0 появление выходной синфазной ошибки можно показать на примере схемы рис. 2.36, а.

Рис. 2.36. Схема дифференциального каскада при наличии синфазного вход­ного напряжения (а); потенциальная диаграмма выходных цепей (б)

В дифференциальном каскаде рис. 2.36, а с идеальным источни­ком стабильного тока I_э при е_Г = 0 и общем напряжении Е_синфна­пряжение баланса U_бал = U_к1 = U_к2 не должно изменяться. Однако наличие синфазного напряжения Е_синфприводит к повыше­нию напряжения U_кэтранзис­тора Т₃ (см. рис. 2.33, а), ис­пользуемого в схеме в качестве источника стабильного тока, что при неидеальности источника вызывает некоторое уве­личение тока I_э. Это обусловливает положительные прира­щения токов эмиттера и кол­лектора транзисторов Т₁ и Т₂ и уменьшение на ΔU_бал напряжения баланса U_бал (рис. 2.36,б). При подаче синфазной э. д. с. отрицательной полярности уро­вень баланса увеличивается на ΔU_бал. При е_Г > 0 напряжения на коллекторах получают приращения относительно напряжения (U_бал ± ΔU_бал. Иными словами, ± ΔU_бал проявляется на выходах U_вых1, U_вых2 как величина синфазной ошибки при усилении. При одинаковых параметрах транзисторов Т₁, Т₂ наличие синфазной э. д. с. не вызывает появления синфазной ошибки на дифференциальном выходе каскада. Учет синфазных ошибок усиления важен в много­каскадных УПТ с дифференциальным каскадом на входе.

Синфазную ошибку усиления оценивают коэффициентом синфазной передачи каскада К_синф = ΔU_бал / Е_синф, который обычно много меньше единицы. Качество дифференциального каскада характеризуется отношением К_синф/ K_Uд, показы­вающим способность каскада различать малый дифференци­альный сигнал на фоне боль­шого синфазного напряжения. Выражение 201g (К_синф/ K_Uд) характеризует коэффи циент ослабления синфазного сигнала (КОСС) дифференциального каскада. В современных дифференциаль­ных усилительных каскадах ве­личина КОСС может составлять от —60 до —100 дБ.

Для дифференциальных усилительных каскадов, а также УПТ на их основе важным параметром является входное сопротивление. Сопротивление R_вх, равное сумме входных сопротивлений транзисторов Т₁, Т₂ (R_вх = 2r_вх) использовалось ранее при расчете входных токов [см. выражение (2.128)]. Величина R_вх определяет сопротивление нагрузки для источника входного сигнала, поэтому сопротивление R_вх целесообразно иметь возможно большим. Поскольку входная характеристика транзистора нелинейна (см. рис. 1.28, б), высокому входному сопротивлению будет соответствовать выбор малых базовых токов в режиме покоя (токов смещения) и соответствен­но малых токов I_э. При этом достижимые значения входного сопротивления составляют десятки и сотни килоом.

Существенное повышение (до десятков мегом) входного сопротивления дает выполнение дифференциального каскада на полевых транзисторах (рис. 2.38).

Рис. 2.38. Схема дифференциального каскада на полевых транзисторах

По принципу действия эта схема не отличается от схемы рис. 2.33, а. Аналогично выполняется источник стабильного суммарного тока истоков I_и. В настоящее время техника усиления электрических сигналов ба­зируется на интегральной электронике. Как известно, реактивные элементы трудны в интегральной реализации. Учитывая это, подав­ляющее большинство усилителей различного назначения выполняют на основе УПТ с непосредственной связью. По такому принципу, в частности, создают усилители звуковых частот, усилители высокой частоты, широкополосные и линейные импульсные усилители, узко­полосные (избирательные) усилители. На базе УПТ с непосредствен­ной связью выполняют также генераторы синусоидальных колебаний и многие импульсные схемы