Дифференциальный каскад усилителя

Дифференциальные и операционные усилители

Дополнительный материал к лекции 10 для самостоятельной работы

Операционный каскад усилителя

Дифференциальный каскад усилителя

Дифференциальные и операционные усилители

План (логика) изложения материала

Лекция 10

Литература

1. Гольцев В.Р., Богун В.Д.,Хиленко В.И. Электронные усилители. М.: Стандарты, 1990. с.106…119

2. Колонтаевський Ю.П.,Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія i практикум.- К.Каравела, 2003. с.106..108.

3. Криштанович А.К., Трифонюк В.В. Основы промышленной электроники.-М.: Высшая школа, 1985.С. 118…122.

4. Джонс М.Х. Электроника – практический курс. М.Постмаркет, 1999. с.178... 181.

5 Ленк Дж.Д. Справочник по проектированию электронных схем / Пер. с анг. В.И. Зубчука м Сигорского. Под ред. В.П. Сингорского. – К.: Техніка, 1979. с.97...99.

Экспресс - проверка знаний пройденного материал:

1. Нарисуйте схему усилителя постоянного тока с использованием двух источников питания

2. Нарисуйте структурную схему усилителя МДМ.

3. Нарисуйте схему усилителя постоянного тока на МОП - транзисторах

4. Напишите ключевые слова по теме «Усилители постоянного тока»

После изучения лекции 10 студент должен знать: работу дифференциального и операционного усилителя и их характеристики.

Уметь: пояснить работу дифференциального и операционного усилителя, а также уметь нарисовать схемы дифференциальных и операционных усилителей.

В усилительных каскадах транзисторы включить можно последова­тельно друг с другом по отношению к источнику электропитания, либо параллельно. Параллельные каскады более удобны для практического использования и для микроэлектронной технологии, а поэтому в настоящее время в основном и применяются.

Наиболее распространенным параллельным каскадом усилителя является дифференциальный каскад (ДК). Дифференциальным называется каскад, имеющий два симметрич­ных входа и дающий на выход напряжение, пропорциональное раз­ности входных сигналов (“дифференциальный” означает разностный).

На базы транзисторов VT1 и VT2, оба ОЭ, поступает симметрич­ный относительно общего провода сигнал, т.е. два равных противопо­ложных напряжения U'bx и U''bx.

Выходной сигнал снимается с вывода от коллектора этих двух транзисторов и равен сумме частичных выходных напряжений, разви­ваемых каждым транзистором на своем сопротивлении коллекторной нагрузки R3 и R5.

Рисунок 1.61- Дифференциальный каскад с симметричным выходом

В общей эмиттерной цепи транзисторов VT1 и VT2 включено сопротивление R4, которое осуществляет эмиттерную стабилизацию исходного режима. Величина этого сопротивления может быть вдвое меньше, чем в одиночном каскаде, так как через него проходит постоян­ный ток двух транзисторов. Кроме того, резистор R4 создает связь между эмиттерами по переменному току.

В положительный полупериод сигнала на первом входе на R3 соз­даётся частичное выходное напряжение U'вых с отрицательным зна­ком у выходного зажима около коллектора транзистора VT1. Одно­временно на второй вход поступает отрицательная полуволна такого же сигнала, и не резисторе R5 создается второе частичное напряже­ние U"вых с положительным знаком около второго выходного зажима (у коллектора VT2).

Uвых=U'вых - U''вых, (1.56)

Поскольку U'вых = К·U'вх и U''вых = К·U''вх, где К-коэффициент усиления напряжения, то

Uвых=К(U'вх - U''bx). (1.57)

т.е. выходное напряжение пропорционально разности входных.

При нормальной работе каскада на входе подаются противофаз­ные сигналы: U''вх = -U'вх. Разность противофазных сигналов равна сумме их абсолютных величин. Поэтому для действующих значений напряжений полезного сигнала.

Uвых=К(U'вх + U''вх)=U'вых +U''вых. (1.58)

Таким образом, коэффициент усиления дифференциального каска­да вдвое больше, чем для одного транзистора в схеме ОЭ. В каскаде нет отрицательной обратной связи по переменному току, так как токи двух транзисторов проходят через резистор R4 в противоположных направлениях.

В случае попадания на оба входа сигнала в одной фазе выходное напряжение будет очень малым, равным разности U'вых и U''вых, а при симметрии схемы Uвых=0. Это означает, что каскад нечувствите­лен к синфазным помехам, наводимым на оба входа, а также к пуль­сациям и изменению питающего напряжения и одинаковым измене­нием параметров схемы при колебаниях температуры и старения элементов.

При синфазных сигналах переменные токи эмиттеров двух тран­зисторов проходят по общему эмиттерному сопротивлению R4 в одном направлении и создают для обоих транзисторов глубокую отрицательную обратную связь по переменному току. Это еще в большой степени ослабляют чувствительность к синфазным помехам.

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 плеч, а поэтому дифференциальный каскад их сильно подавляет по отношению к полезному сигналу.

Отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала Кд к коэффициенту усиления синфазного сигнала Кс называют коэффициентом ослабления синфазного сигнала Коос.

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 вход);

2) между точками 1 и 0 (несимметричный вход);

3) между точкам 0 и 2 (несимметричный вход)/

Сигнал с выхода каскада также можно снимать тремя способами:

1) между точками З и 4 (симметричный выход);

2) между точками 3 и 0 (несимметричный выход);

3) между точками 0 и 4 (несимметричный выход).

Свойства дифференциального каскада сильно зависит от спосо­бов подачи и снятия сигнала. Наилучшие свойства каскад имеет в случае подачи симметричного сигнала между точками 1 и 2 и сня­тие симметричного же сигнала с точек 3 и 4.

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 1 или 3, а также и снимать усиленный сигнал несимметрично по способу 2' и 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;

- при снятии сигнала по способам 2'и 3' реализуется только половина напряжения усиленного сигнала, в результате чего коэффициент усиления каскада оказывается вдвое меньше, в дополнение к большой постоянной составляющей напряжения между за­жимами 3 и 0 или 0 и 4. Для компенсации данных недостатков в схеме следует применять источник электропитания со средним выводом.

При работе ДК на следующий обычный каскад с несимметрич­ным входом усиленный сигнал с ДК снимают по способам 2' и 3'. В этих случаях компенсация дрейфа и подавления синфазных сигна­лов ДК снимают по способам 2' и 3'.

В этих случаях компенсация дрейфа и подавления синфазных сигна­лов ДК ослабляются и зависят только от величины сопротивления R4 в общем проводе эмитирующих электродов, вводящего во вход­ную цепь каскада последовательную отрицательную обратную связь по току. Для симметричных входных сигналов (дифференциальных) эта обратная связь в каскаде отсутствует: при подаче на вход несим­метричного сигнала дифференциальный каскад работает как инвер­сный каскад с обратной связью, так как вносимая резистором R4 об­ратная связь подает напряжение сигнала на ведомое плечо каскада. Для синфазных сигналов глубина отрицательной обратной связи, вносимой сопротивлением R4 и подавляющей синфазные сигналы, здесь оказывается равной (1+2·S·R4), 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 R4.

Увеличивать 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 R4 при 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 R4. 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 будет недо­пустимо велико. Так, например, при токе покоя каскада 1мА и допус­тимом падении напряжения питания на резисторе R4 5В 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 S составит около 0,02 А/В, что даст подавление синфазных сигналов в 1+ 2·0,02·5000≈200 раз, или 43 дБ, что обычно ока­зывается недостаточным. При использовании полевых транзисторов или пентодов подавление будет значительно меньше вследствие более низкой у них крутизны характеристики.

Для увеличения глубины обратной связи, при том же падении напряжения питания на R4, в качестве последнего используют так называемый “ электронный резистор “ (стабилизатор тока или генератор стабильного тока ГСТ), уко­торого сопротивление переменной составляющей тока много больше сопротивления постоянного тока (рисунок 1.62). Генератор стабильного тока является, по существу, стабилизированным по постоянному току каскадом, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером.

Например. Делитель напряжения, состоящий из резисторов R2, R3 и диод VD задает потенциал базы транзистора, который выше на 1 В потенциала шины отрицательного питания Е = 9 В. Вычитая напряжение, на переходе эмиттер – база транзистора VT3, Uэб0 = 0,6 В, получаем на эмиттерном резисторе

R1 = 220 Ом должно падать напряжение U R1 = 0,4 В. Следовательно эмиттерный ток будет равен 2 мА (0,4/220), таким образом, благодаря ГСТ в цепи эмиттеров транзисторов VT1 и VT2 течет суммарный ток 2 мА. Применение диода VD в нижнем плече делителя напряжения обеспечивает температурную компенсацию. Разность потенциалов на диоде падает с ростом температуры точно так же, как это имеет место с разностью потенциалов между базой и эмиттером, так что в широком диапазоне температур приложенное к базе напряжение согласуется с тем, какое требуется транзистору для поддержания тока эмиттера 2 мА. Иногда роль диода может играть транзистора с замкнутыми накоротко коллектором и базой, что приводит к идеальному отслеживанию температурных изменений, такую схему называют токовым зеркалом.

Рисунок 1.62 – Транзисторный генератор стабильного тока (ГСТ).

Принцип работы схемы на рисунке 1.62 следующий. Входные сигналы не могут изменить суммарный ток Iэ в эмиттерной цепи, они могут только по разному распределять его между транзисторами. Следовательно, при тождественно одинаковых U'вх и U"вх (синфазный сигнал) никакой из коллекторных токов не меняется и выходной сигнал не возникает. Сигнал на выходе появляется только в том случае, когда U'вх и U"вх различны, при этом в один из транзисторов будет отводится большая доля суммарного тока эмиттера, нежели в другой.

Такие каскады дают подавление синфазных помех порядка 80 дБ и более.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  




Подборка статей по вашей теме: