Составной транзистор

Лекция 13. Дифференциальные и операционные усилители. Часть 1.

Дифференциальный усилитель (ДУ) предназначен для усиления разности двух напряжений UВЫХ ДУ=КU ДУ×(UВХ2-UВХ1). В идеальных ДУ выходное напряжение пропорционально только разности входных напряжений и не зависит от их абсолютной величины.

Принципиальная схема ДУ на биполярных транзисторах приведена на рисунке 1а. А принцип работы поясняется с помощью рисунков 1 б и 1 в.

Рис. 1. Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах.

Если на вход 1 подать гармонический сигнал (рисунок 1 б), а вход 2 соединить с общим проводом, то ток коллектора первого транзистора IК1 будет изменяться в соответствии с сигналом. При положительном полупериоде сигнала на входе ток коллектора VT1 увеличивается, падение напряжения на резисторе R1 также увеличивается и напряжение на коллекторе транзистора VT1, (на выходе 1) уменьшится. Таким образом, выход 1 по отношению ко входу 1 является инвертирующим. Если теперь напряжение подавать на вход 2, то при положительном полупериоде сигнала на входе ток коллектора IК2 также будет расти, но на эту же величину снизиться ток IК1 (в цепи эмиттеров стоит источник тока IК1+ IК2= I0) и напряжение на выходе 1 будет увеличиваться.

Т. е. вход 2 по отношению выхода 1 является неинвертирующим.

Коэффициент усиления дифференциального усилителя в первом случае равен

KU ДУ=UВЫХ 1 / UВХ 1 (1),

UВЫХ 1= IК1×R1 (2). IК1= h21Э× IБ1 (3)

Входное напряжение распределяется на двух эмиттерных pn-переходах

UВХ 1 =(IБ1×h11Э+ IЭ2× h11Б). (4)

IЭ2= (h21Э+1) ×IБ1 (5) и h11Б= h11Э / (h21Э+1) (6)

Подставляя (2, 3, 4, 5 и 6) в (1) получим KU ДУ= h21Э×R1 / 2×h11Э. Входное сопротивление RВХ= UВХ 1/ IБ1= 2×h11Э.

Таким образом, для получения большого входного сопротивления необходимо работать при малых токах базы, но при этом значительно снижается коэффициент передачи по току h21Э, а, следовательно, и КU ДУ.

В ДУ, выполненных таким образом, коэффициент усиления составляет

KU ДУ=10-20, а входное сопротивление десятки кОм, что далеко от идеала.

Составной транзистор

Рис. 2. Составной транзистор.

Биполярный составной транзистор (схема Дарлингтона) состоит из двух транзисторов, включенных, как показано на рисунке 2. Ток коллектора составного транзистора состоит из:

IК = IК1+IК2,

IК1 = h21Э(1)×IБ1,

IК2 = h21Э(2) × IБ2 = h21Э(2) × IЭ1 = h21Э(2) × IБ1(1+ h21Э(1)).

Индекс в скобках указывает номер транзистора.

Тогда коэффициент передачи по току составного транзистора будет равен

h21Э=IК/ IБ= h21Э(1)+ h21Э(1) × h21Э(2)+ h21Э(2) » h21Э(1) × h21Э(2).

А входное сопротивление

h11Э= h11Э(1)+ (1+h21Э(1))× h11Э(2) или h11Э » h21Э(1) × h11Э(2).

Таким образом, входное сопротивление и коэффициент передачи по току составного транзистора увеличивается примерно в h21Э(1) раз. Заменяя в ДУ транзисторы VT1 и VT2 на составные, получим значительное увеличение входного сопротивления ДУ (сотни кОм), однако, коэффициент усиления почти не изменится.

Дальнейшее увеличение входного сопротивления ДУ можно получить, используя полевые транзисторы, а увеличение KU применением динамической нагрузки [3] .

Источник тока

Неизменное значение постоянного тока Iо, независимое от параметров цепи (нагрузки), может обеспечить только идеальный генератор тока с бесконечно большим динамическим сопротивлением, ВАХ которого параллельна оси напряжения (рисунок 2.6а). ВАХ реального генератора тока приближается к ВАХ идеального генератора только в некотором интервале значения напряжения. При этом его динамическое сопротивление хотя и очень большое, но не бесконечно большое.

Заметим, что выходная характеристика биполярного транзистора в схеме с ОБ близка к ВАХ идеального генератора тока. Следовательно, транзистор, включенный по схеме с общей базой, практически может выполнять функцию генератора тока. Cхема с ОЭ несколько уступает схеме с ОБ.

Однако на практике используется не один, а два и более транзисторов (рисунок 3 б и 3 в), которые обеспечивают не только получение большого динамического сопротивления, но и слабую зависимость самого тока генератора от нестабильности напряжения источников питания и температурной нестабильности элементов схемы.

Рис. 3. Схемы генераторов стабильного тока.

Эти усилители играют важную роль в аналоговой и интегральной схемотехнике. Они применяются как самостоятельно, так и служат входными каскадами операционных усилителей, в цифровых схемах на них строят токовые переключатели.