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).

U_вых=U'_вых - U''_вых, (1.56)

Поскольку U'_вых = К·U'_вх и U''_вых = К·U''_вх, где К-коэффициент усиления напряжения, то

U_вых=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.

U_вых=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 U_вых=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, U_эб0 = 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 I_э 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.