Дифференциальный каскад

Дифференциальный каскад (ДК) – это усилитель, предназначенный для усиления разности двух входных сигналов, которые могут быть синфазными и дифференциальными. Синфазные сигналы подаются на оба входа усилителя одновременно, а дифференциальные прикладываются между входами. Схема ДК, а также его малосигнальные модели для синфазного и дифференциального сигналов представлены на рис. 3.11.

Если подать на оба входа ДК одновременно и синфазный, и дифференциальный сигналы, то

,

откуда                 .                    (3.16)

Из (3.16) следует, что, если к базам T ₁ и T ₂ сигналы приложены в противофазе, то токи транзисторов в резисторе R_Г взаимно компенсируются, что позволяет исключить резистор R_Г из малосигнальной модели для дифференциального сигнала (рис. 3.11 б). Тогда, поскольку U_вых = U_{вых 2} – U_{вых 1},

где , то

,

откуда коэффициент усиления ДК для дифференциального сигнала

                                      .                               (3.17)

В случае синфазного сигнала (рис. 3.11 в) к базам T ₁ и T ₂ приложен один и тот же потенциал и схему можно условно разбить на два изолированных каскада, в эмиттерах которых включены сопротивления R_Э + 2 R_Г. Если эти каскады симметричны, то

                               .                       (3.18)

Видно, что , т.е. синфазный сигнал на дифференциальном выходе отсутствует. В случае несимметричного выхода  для оценки качества ДК используют такой параметр, как коэффициент ослабления синфазного сигнала, определяемый отношением коэффициентов усиления дифференциального и синфазного сигналов, т.е.

                                            (3.19)

(для полностью симметричного выхода K_OCC ® ¥). В справочной литературе величина K_OCC приводится в дБ согласно формуле

                                      ,                              (3.20)

при этом для реальных ДК (ДУ) K_OCC (дБ) = 40…160 дБ.

Как видно из (3.19), величина K_OCC зависит от внутреннего сопротивления источника тока (ИТ) в цепи эмиттеров T ₁, T ₂ ДК, поэтому обычно вместо резистора R_Г используются схемы транзисторных генераторов (рис. 3.12), у которых сопротивление для постоянного тока мало (транзистор Т ₃ открыт), а по переменному току R_Г » r_K, т.е. достаточно велико (»10⁶ Ом). Большой популярностью среди транзисторных ИТ пользуются токовые зеркала (рис. 3.13), особенно в аналоговых ИС, благодаря своей простоте (требуется всего два согласованных транзистора) и высокой стабильности.

Токовое зеркало

В схеме транзисторного ИТ (рис. 3.12) при изменении температурного режима работы транзистора его эмиттерный потенциал возрастает на 2 мВ на каждый градус, что отрицательно сказывается на стабильности выходных параметров нагрузки. Этот температурный эффект можно скомпенсировать уменьшением потенциала базы U_Б на ту же величину, т.е. обеспечить температурный коэффициент (ТК) U_Б порядка –2мВ/°С. Для этого достаточно в цепь смещения базы последовательно с R ₂ включит диод Д (рис. 3.13 а), получив простую схему токового зеркала («отражателя тока»), для которого выходной ток I_H пропорционален задающему току I_зад согласно .

Очень часто, особенно в ИС, для выполнения соотношения U_Д» U_БЭ вместо диодов применяют согласованные транзисторы (рис. 3.13 б), где один из них (Т₁) работает в диодном включении, причем схема работоспособна и при отсутствии эмиттерных резисторов. Однако в этом случае (R_{Э 1}= R_{Э 2}=0) становится заметным влияние эффекта Эрли (зависимости U_БЭ от изменений U_КЭ), когда изменение выходного тока при изменении выходного напряжения может достигать 25% в диапазоне устойчивой работы схемы. Поэтому более предпочтительной является схема с R_{Э 1}= R_{Э 2} (рис. 3.13 б) относительно небольшого номинала (~сотен Ом), в котором изменения напряжения U_КЭ оказывают пренебрежимо малое влияние на выходной ток.

Чисто транзисторный вариант с компенсацией эффекта Эрли предлагает токовое зеркало Уилсона (рис. 3.13 в), где транзисторы Т₁ и Т₂ включены как обычно, однако благодаря транзистору Т₃ потенциал коллектора Т₁ фиксирован и составляет 2 U_БЭ. Такое включение позволяет подавить эффект Эрли в транзисторе Т₁, коллектор которого теперь задает режим работы схемы. Выходной ток определяется транзистором Т₂, а транзистор Т₃ не влияет на баланс токов, если его базовый ток пренебрежимо мал, причем его не обязательно согласовывать с транзисторами Т₁, Т₂. Схема Уилсона обладает очень хорошими характеристиками ИТ – при I_зад = const увеличение выходного I_H составляет порядка 0,05% на вольт.