Дифференциальный усилительный каскад

Дифференциальный усилительный каскад также называют параллельно-балансным каскадом. Рассмотрим каскад на транзисторах n-p-n, который выполнен по схеме сбалансированного моста (рис.6.5.). Плечами моста являются сопротивления R_K1 и R_K2, транзисторы VT₁ и VT₂. Выходное напряжение снимается по диагонали моста (между коллекторами транзисторов или с коллекторов). На транзисторе VT₃ собрана схема источника стабильности тока I_Э, который определяет сумму эмиттерных токов I_Э1 и I_Э2 транзисторов VT₁ и VT₂. В схему источника стабильного тока входят резисторы R₁, R₂, R₃ и источник питания Е_К2. Транзистор VT₄ находится в диодном включении и выполняет функцию термостабилизирующего элемента (для повышения стабильности тока I_Э в зависимости от изменения температуры). Найдем напряжение между точками 1–2 схемы:

U_1–2 = I₁×R₂ + U_БЭ4 = U_БЭ3 + I_Э×R₃, (6.3.)

если пренебречь током I_Б3, который существенно меньше I_Э, и принять I_Э = I_К3» I_Э3. Если I_Б3 << I₁, то Е_К2 = I₁×(R₁ + R₂) + U_БЭ4, тогда выражение для тока I₁:

.

Из уравнения (6.3.) находим:

(6.4.)

Дальнейшее рассмотрение дифференциального каскада проведем на примере схемы рис.6.6., где источник стабильного тока на транзисторе VT₃ заменен источником тока I_Э.

Питание каскада производится от источников питания Е_К1 и Е_К2. Ввиду последовательного соединения этих источников (рис.6.7.) суммарное напряжение питания схемы Е_К = Е_К1 + Е_К2. С помощью напряжения питания Е_К2 снижают потенциал эмиттеров транзисторов VT₁ и VT₂ относительно общей точки схемы. Это позволяет подавать сигналы на входы усилителя без введения дополнительных компенсирующих напряжений. Входное напряжение можно подавать несколькими способами:

1. Непосредственная подача напряжения на каждый вход (рис.6.6.).

2. Дифференциальный способ подачи входного сигнала (схемы на рис.6.8.). Входной сигнал подается на базу одного из транзисторов или между обеими базами. Входы U_ВХ1 и U_ВХ2 при схемах соединения как на рис.6.8. называют дифференциальными.

Для дифференциального каскада характерна высокая стабильность, т.к. транзисторы VT₁ и VT₂ стремятся делать одинаковыми по характеристикам и параметрам. Тогда при изменении температуры токи коллекторов изменяются на одну и туже величину (DI_K1 = DI_K2), следовательно, и напряжения коллекторов изменяются на одну величину (DU_K1 = DU_K2). Поэтому дрейф выходного напряжения каскада отсутствует (DU_{ВЫХ. ДР.} = 0). Однако в реальных условиях будет дрейф левого усилительного канала на транзисторе VT₁ и дрейф правого усилительного канала на транзисторе VT₂. Результирующий дрейф будет определяться разностью дрейфов каждого из этих каналов (DU_{ВЫХ. ДР.} = DU_K1 – DU_K2). Однако этот дрейф значительно меньше, чем в предыдущих схемах.

Рассмотрим дифференциальный каскад при U_ВХ1 = U_ВХ2 = 0 (рис.6.9.).

Ток эмиттера делится поровну между двумя транзисторами:

I_Э1 = I_Э2 = I_Э /2. (6.5.)

Токи эмиттеров определяются базовыми токами покоя:

(6.6.)

Входной ток смещения I_{ВХ. СМ.} течет в отсутствии входного сигнала. Равенству эмиттерных токов транзисторов соответствует равенство их коллекторных токов и напряжений на коллекторах:

, (6.7.)

где b₁ = b₂ = b;

, (6.8.)

где R_К1 = R_К2 = R_К. Состояние дифференциального каскада при нулевых входных сигналах называют состоянием покоя или режимом баланса каскада. Потенциальная диаграмма для режима баланса представлена на рис.6.10.

Рассмотрим работу схемы при наличии входного сигнала е_Г при подаче его на вход транзистора VT₁ (рис.6.11.). Под действием е_Г появится входной ток, который увеличивает ток базы транзистора VT₁ и уменьшает ток базы транзистора VT₂. Поэтому токи I_Э1 и I_К1 возрастают на DI_Э1 и DI_К1 соответственно, а токи I_Э2 и I_К2 уменьшаются на DI_Э2 и DI_К2 соответственно. Но,т.к. сумма токов I_Э1 + I_Э2 = I_Э остается неизменной, то DI_Э1 = DI_Э2, поэтому DI_К1 = DI_К2 и потенциалы коллекторов изменяются на одну и туже величину DU_К1 = DU_К2. Напряжение U_К1 = Е_К1 – I_К1×R_К1 уменьшается на DU_К1, а напряжение U_К2 = Е_К2 – I_К2×R_К2 увеличивается на DU_К2. Таким образом, для рассматриваемого способа передачи входного сигнала выход каскада со стороны коллектора транзистора VT₁ является инвертирующим, а со стороны коллектора транзистора VT₂ ¾ неинвертирующим. Потенциальная диаграмма рассматриваемого режима представлена на рис.6.12.

Определим коэффициенты усиления по напряжению дифференциального каскада. Входной ток каскада при одинаковых параметрах обоих транзисторов

, (6.9.)

где r_ВХ ¾ входное сопротивление транзистора. Входной ток создает приращение коллекторных токов ± DI_{K1, 2} = ±b×I_ВХ и напряжений на коллекторах

± DU_{K1, 2} = ± DI_{K1, 2}×R_K = ±b×I_ВХ×R_K. (6.10.)

Из (6.9.) и (6.10.) определяем коэффициенты усиления по напряжению каскада

. (6.11.)

Если R_Г = 0, то (6.11.) примет вид

. (6.12.)

Т.к. приращение выходного напряжения DU_ВЫХ = DU_K1 – DU_K2 = 2×DU_K, то коэффициент усиления каскада по дифференциальному выходу (дифференциальный коэффициент усиления) находят из соотношения

. (6.13.)

Дифференциальное входное напряжение при сигналах U_ВХ1 и U_ВХ2 неодинаковой полярности будет равно U_ВХ = U_ВХ1 + U_ВХ2, а дифференциальное выходное напряжение U_ВЫХ = К_UД ×(U_ВХ1 + U_ВХ2).

При подключении входных напряжений одинаковой полярности (синфазных сигналов) выходное напряжение

U_ВЫХ = К_UД ×(U_ВХ1 – U_ВХ2). (6.14.)

Если U_ВХ1 > U_ВХ2, то входную цепь можно представить как на рис.6.13. Напряжение U_ВХ1 можно представить как синфазное напряжение Е_СИНФ, приложенное одновременно к обоим входам, а разность е_Г = U_ВХ1 – U_ВХ2 ¾ как дифференциальное входное напряжение между входами. Если е_Г = 0 (т.е. сигналы одинаковы по величине), то к обеим базам прикладывается Е_СИНФ. Напряжение на коллекторе транзистора VT₃ возрастает (рис.6.5.), что вызывает некоторое увеличение тока I_Э. Это обусловливает положительные приращения токов эмиттера и коллектора транзисторов VT₁ и VT₂ и уменьшение U_БАЛ на DU_БАЛ. Приращение DU_БАЛ появляется на выходах U_ВЫХ1 и U_ВЫХ2 как величина синфазной ошибки при усилении. Синфазную ошибку усиления оценивают коэффициентом синфазной передачи каскада

, (6.15.)

который обычно много меньше единицы. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС)

. (6.16.)

Величина КОСС обычно составляет –20¸–60дБ. КООС показывает, насколько влияние дифференциального входного сигнала больше синфазного напряжения.

При интегральном исполнении дифференциальных усилительных каскадов в качестве динамических нагрузок часто используют транзисторы. Подобные схемы позволяют обеспечить значения коэффициента усиления К_UД значительно большие, чем в схемах с реактивными нагрузками. Пример построения такой схемы на транзисторах p-n-p представлен на рис.6.14. Транзисторы VT₃ и VT₄ выполняют функцию динамических нагрузок каскада, при этом транзистор VT₃ находится в диодном включении. Ток I_К1 транзистора VT₁, протекающий также через транзистор VT₃, создает напряжение U_БЭ3, определяющее входное напряжение U_БЭ4. Если транзисторы VT₃ и VT₄ близки по параметрам, то ток I_К4 будет близок к I_К1 (это явление получило название токового зеркала).

Если е_Г = 0, то схема находится в режиме покоя (баланса). Токи I_Э1 = I_Э2 = I_Э, I_К1 = I_К2 = I_К4» I_Э /2. Ток I_К4 протекает через транзистор VT₂, ток I_Н = 0, поэтому U_ВЫХ = 0.

Пусть источник входного сигнала имеет полярность как на рис.6.14. входной ток I_ВХ увеличивает ток I_Б1 и уменьшает ток I_Б2. Это изменение базовых токов вызывает изменение коллекторных токов:

, (6.17.)

, (6.18.)

. (6.19.)

При этом ток нагрузки

, (6.20.)

поэтому напряжение на выходе

. (6.21.)

Коэффициент усиления каскада по напряжению

. (6.22.)

Для увеличения входного напряжения дифференциального каскада нужно работать при малых токах, поэтому входное сопротивление нужно иметь как можно большим. Существенное повышение входного сопротивления дает выполнение дифференциального каскада на полевых транзисторах (рис.6.15.). данная схема применяется также с динамическими нагрузками.

Дата добавления: 2015-12-08