Дифференциальные усилители

Дифференциальные усилители (ДУ) широко применяются в аналоговых ИС различного типа: операционных усилителях (ОУ), компараторах и стабилизаторах напряжения, видеоусилителях, балансных модуляторах и демодуляторах. Кроме того, на основе ДУ построено большинство элементов цифровой эмиттерно- связанной логики (ЭСЛ). Дифференциальный усилитель является входным каскадом ОУ и других ИС, поэтому он определяет большинство важнейших рабочих характеристик ИС: напряжение смещения, входной ток смещения, входной ток сдвига, входное сопротивление, коэффициент ослабления синфазного сигнала, диапазон рабочих частот.

Существуют схемы ДУ на БТ, МОП-транзисторах и ПТУП, составных транзисторах, а также схемы с активной нагрузкой и ряд других.

ДУ на биполярных транзисторах.

При работе ДУ большое значение имеет одинаковость параметров элементов симметричной схемы. Базовая схема состоит только из двух транзисторов с соединяемыми эмиттерами, к которым под-

ключей идеальный источник тока, при этом на базы подается входной сигнал, а между коллекторами снимается выходной (рис. 8.8). ДУ, изображенный на рис. 8.8, состоит из двух симметричных схемных цепей, каждая из которых содержит транзистор и резистор. Помимо указанных симметричных цепей, в общей эмиттерной цепи имеется источник тока /0. Входным сигналом С/вх является разность базовых потенциалов £/вх = иы - иъ2, а выходным напряжением — разность коллекторных потенциалов (7ВЫХ = 1/К1 - иК2. В ДУ оба транзистора работают в активном режиме. Источник тока /0 обеспечивает стабильность рабочей точки транзисторов, т. е. токов /§ и напряжений £/$ .

При идеальной симметрии цепей ДУ в отсутствие входного сигнала выходное напряжение равно нулю, поскольку коллекторные потенциалы и токи транзисторов УТ, и УТ2 одинаковы из-за симметрии цепей. Такая ситуация будет сохраняться при любом одинаковом изменении токов в обеих ветвях усилителя, т. е. в идеальном ДУ дрейф выходного напряжения отсутствует, несмотря на возможный значительный дрейф в каждом из плечей ДУ. Таким образом усилитель будет устойчив на всех частотах независимо от температуры. Любые изменения коэффициента передачи или токов утечки в усилительной цепи транзистора УТ! компенсируются такими же изменениями в усилительном канале транзистора УТ2.

Если на базы транзисторов УТ! и УТ2 подаются одинаковые сигналы (синфазные сигналы), то С/вых = 0, поскольку в обоих транзисторах произойдут одинаковые изменения параметров и разность ивыхк1к2~0.

Если же на базы подавать сигналы одинаковые по амплитуде, но противоположные по фазе (или по знаку), так называемые дифференциальные сигналы, то их разность ЛС/Б1 - ЛС/Б2 и будет входным сигналом £/вх. В силу симметрии цепей УТ! и УТ2 сигнал £/вх поделится поровну между обоими эмиттерными переходами. На одном из них потенциал увеличится на 0,5£/вх, а

Рис. 8.8

на другом уменьшится на 0,5£/вх. В результате на выходе возникнет напряжение, поскольку приращения коллекторных потенциалов иК1 и иК2 будут одинаковыми по величине, но противоположными по знаку. Таким образом, идеальный ДУ реагирует только на разностный (дифференциальный) сигнал; при этом потенциал эмиттеров остается неизменным, поэтому при анализе ДУ его считают заданным, а ток генератора /0 — постоянным (Я, — °°). В реальных условиях источник тока имеет не бесконечное внутреннее сопротивление Я, в результате возникшее приращение потенциала эмиттера Диэ вызывает изменение эмиттерного тока на величину А/0 = ДС7Э/Я^ (при Я, —► оо приращение Д/() — 0). Это изменение тока Д/0 делится между цепями транзисторов УТ, и УТ2 и вызывает приращение коллекторных потенциалов Д£/к, и Д1/к2. В случае идентичности цепей ДС/К| = Л£/К2 и на выходе ДУ имеется только синфазная составляющая. В противном случае Д£/К1 5,6 Д£/К2 и на выходе ДУ наряду с синфазной составляющей появится паразитная дифференциальная составляющая. Симметрия, т. е. идентичность цепей УТ, и УТ2 ДУ, легче всего достигается в ИС. Однако даже если оба транзистора выполнены на одном кристалле, они не будут абсолютно одинаковыми, поэтому даже в отсутствие входного сигнала на выходе будет присутствовать некоторое напряжение, которое обычно называют напряжением смещения исм; оно определяется формулой £/см = <рг1п (/01//02), где /01 и /02 — соответственно тепловые токи эмиттерных переходов первого и второго транзисторов.

Передаточная характеристика. Рассмотрим передаточную и входную статические характеристики ДУ. Передаточная характеристика, представляющая собой зависимость выходных токов /, = /К1 и /2 = /К2 от входного напряжения £/вх с учетом смещения £/см, т. е. от величины и'вх =вх - £/см, представлена на рис. 8.9. Из этой характеристики видно, что ДУ является нелинейным устройством. Однако в ограниченных областях передаточной характеристики /1 = /(С/вх) или /2 = Д£/вх) зависимость между токами и входным напряжением можно считать примерно линейной (область от С/вх = -30 мВ до £/вх = 30 мВ на рис. 8.9). Таким образом, для малых сигналов ДУ является линейным устрой-

Рис. 8.9

ством. Входная характеристика А/вх = /(£/||Х) совпадает по форме с передаточной.

Рассмотрим некоторые из параметров ДУ. Главным параметром ДУ является коэффициент усиления (К). Поскольку потенциал эмиттеров при подаче дифференциального сигнала остается неизменным, а, для переменных составляющих, он вообще равен нулю, то коэффициент усиления ДУ равен коэффициенту усиления каждого плеча, ибо каждое плечо усиливает сигнал величиной 0,5 Цвх.

Коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение выходного и входного сигналов, т. е. К = иныхвх. Выходным сигналом ДУ является переменная составляющая напряжения коллектора, которая равна 11к = £/вь|Х = -ос/Г)Лк, а входным — потенциал базы £/вх = /ээ + (1 - а)(Яг + гБ)), где гэ— дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, Яг— внутреннее сопротивление источника сигнала, гБ— объемное сопротивление базы (см. гл. 4).

В результате выражение для коэффициента усиления примет вид

В случае низкоомных источников сигнала и небольших рабочих токов вторым слагаемым в знаменателе выражения (8.14) можно пренебречь, тогда

Входное сопротивление ДУ определяется отдельно для дифференциальной и синфазной составляющих. Для дифференциальной составляющей входное сопротивление Явх д равно удвоенному входному сопротивлению каждого плеча ДУ. Поскольку каждое плечо ДУ является схемой с ОЭ, то согласно представлению транзистора, как четырехполюсника в схеме с ОЭ входное сопротивление — это параметр Л11Э (см. гл. 4), поэтому

При малых токах дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода гэ много больше, чем при больших, поэтому для увеличения Явх д необходимо использовать ДУ в режиме малых токов.

Для синфазной составляющей входное сопротивление Явх с определяется сопротивлением Я, источника тока /0. Тогда Явх с можно вычислить по формуле

Динамический диапазон — отношение минимально возможного и максимального входных сигналов. Это отношение часто выражают в децибелах. Минимальный сигнал ограничивается собственными шумами, а максимальный — искажениями формы сигнала (нелинейные искажения). Приближенно можно оценить максимально допустимый сигнал, пользуясь передаточной характеристикой ДУ (см. рис. 8.9)

Для работы усилителя необходима нагрузка. В рассмотренных ДУ в качестве нагрузки выступали резисторы в коллекторных цепях. Такая нагрузка называется пассивной. Однако нагрузка может быть и активной (динамической), когда в качестве нагрузки выступают транзисторы. Необходимость использования транзисторов в качестве нагрузки вызвана тем, что для получения большого коэффициента усиления следует использовать резисторы с большим номиналом. Однако использование большого сопротивления нагрузки в ИС приводит к ряду трудностей. В ИС площадь, необходимая под резистор, пропорциональна его сопротивлению, т. е. резистор с большим сопротивлением занимает слишком много места на кристалле. Помимо этого, резистор с большим номиналом имеет и значительную паразитную емкость.

Это приводит к большому значению постоянной времени ДС, что накладывает ограничения на частотную характеристику усилителя. Кроме перечисленных недостатков, для нормальной работы ДУ транзисторы всегда должны оставаться в активном режиме и не попадать в область насыщения, что вызывает ограничение входного базового напряжения. Это напряжение должно быть таким, чтобы переход коллектор—база был смещен в прямом направлении не более, чем на 0,5 В.

В результате напряжение на коллекторе будет много меньше напряжения источника питания, а это приводит к значительному уменьшению диапазона изменения входного напряжения ДУ.

Из-за наличия указанных недостатков в ДУ ИС используют активную (динамическую) нагрузку. Пример ДУ на биполярных транзисторах УТ2 и УТ2 с активной нагрузкой (также из биполярных транзисторов УТ3 и УТ4) приведен на рис. 8.10, где УТ3 включен по диодной схеме. Такое сочетание УТ3 и УТ4, как отмечалось в п. 8.2, называется токовым зеркалом. Если транзисторы УТ3 и УТ4 совершенно идентичны и напряжения база— эмиттер у них равны, то в этом случае коллекторные токи обоих транзисторов одинаковы, т. е. /3 = /4. Следовательно, любой ток через УТ4 будет * зеркальным отражением" тока через УТ3. Анализ такой схемы показывает, что коэффициент усиления переменного напряжения такого каскада ДУ равен К = 2gRн> где Ru определяют транзисторы УТ3 и УТ4, а g = /1/2/[(^1 + ^2)Фг1 — пе“ редаточная проводимость. Таким образом, К в ДУ с активной нагрузкой вдвое больше, чем с постоянной резистивной.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >