Дифференциальный усилитель

1.1.1 Режимы работы дифференциального усилителя

Дифференциальный усилитель (см. рисунок1.1) усиливает разность входных сигналов, который называется дифференциальным сигналом. Его можно строить на биполярных и униполярных транзисторах. Он представляет собой параллельно-балансный каскад или сбалансированный мост. Строится на двух усилителях постоянного тока с общим эмиттерным сопротивлением R_э. Коллекторные нагрузки R_к1 = R_к2. Идентичные транзисторы VT₁ и VT₂ вместе с резисторами R_к1 и R_к2 представляют собой плечи моста, в одну диагональ которой включен источник питания Е_к, в другую – нагрузка R_н.

Питание каскада осуществляется от двух источников E_к = E_э, т.е. суммарное напряжение питания .

С помощью уменьшается потенциал эмиттеров VT₁ и VT₂ относительно общей точки, при этом отпадает необходимость согласования потенциалов.

На дискретных транзисторах трудно получить абсолютную симметрию, поэтому качественные ДУ строятся на интегральных микросхемах.

 

Рассмотрим возможные режимы работы ДУ:

а) режим покоя. Оба входа ДУ закорочены на землю, т.е. .

Напряжения база-эмиттер покоя равны минус U_э . В свою очередь напряжение на эмиттере равно

Следовательно, напряжение на базе .

Оба транзистора открыты, работают в активном режиме. Текут токи покоя . Они создают на R_к1 и R_к2 одинаковое падение напряжения, следовательно, . снимается с R_н .

Токи эмиттеров I_э1= I_э2; I_э = I_э1+ I_э2.

Достоинства схемы:

- не нужен источник компенсирующей ЭДС;

- уменьшается дрейф от нестабильности напряжения питания и от температурной нестабильности. Например, при увеличении напряжения питания Е_к или температуры окружающей среды приращения напряжения на коллекторах одинаковые по величине и по знаку, следовательно, Δ .

б) режим с входными сигналами. Рассмотрим три способа подачи сигнала:

1) сигнал е_с>0 подается между базами транзисторов (см. рисунок1.2,а).Тогда , .

Приращения коллекторных токов 0< , приращения коллекторных напряжений 0> . Выходное напряжение .

Изменение тока коллектора вызывает изменение тока эмиттера 0< , общий ток эмиттера , следовательно, – ток эмиттера постоянный

На эмиттере нет приращения напряжения, U­_Э также постоянно. Т.е. имеет место стабилизация напряжения по постоянной составляющей, отсутствует обратная связь по переменной составляющей;

2) сигнал подается на одну из баз, а другая база заземлена (см. рисунок1.2,б). Такой вход называется дифференциальным входом.

Увеличивается ток базы . Следовательно, увеличивается ток коллектора и ток эмиттера . Напряжение на коллекторе уменьшается. Сумма эмиттерных токов постоянна. Следовательно, , , . Выходное напряжение, как и в предыдущем случае ;

3) сигналы поданы на оба входа и от двух независимых источников (см. рисунок6.4). Здесь справедлив принцип суперпозиции.

, где K – коэффициент усиления ДУ.

1.1.2 Дифференциальный усилитель с генератором стабильного тока

Разность входных сигналов называется дифференциальным сигналом.

Синфазный сигнал – это сигнал, действующий одновременно на обоих входах, например, сигнал вследствие изменения напряжения питания, температуры и др., т.е. это помеха, влияние которой надо ослабить. Для уменьшения действия синфазного сигнала (СС) необходимо стабилизировать ток эмиттера. Допустим, что на оба входа действует синфазное напряжение, стремящееся увеличить токи коллекторов I_к1 и I_к2, а их сумма равна I_э, которая является постоянной величиной. Т.е. ток коллектора не будет увеличиваться, и напряжения коллекторов и выходное не будет изменяться. Для стабилизации тока эмиттера можно увеличивать эмиттерное сопротивление , но тогда необходимо увеличить напряжение питания, а его не нужно изменять. Вместо целесообразно ставить источник тока или генератор стабильного тока (ГСТ) на транзисторах, имеющего небольшое сопротивление по постоянному току и большое – по переменному (см. рисунок1.3).

В схему ГСТ входят: транзистор VT₃,диод VD, резисторы R₁, R₂, R₃ и источник питания – Е_э.

Ток I_э является сумой токов эмиттеров транзисторов VT₁ и VT₂ дифференциального усилителя и задается он генератором стабильного тока на VT₃. Схема ГСТ – это усилитель по схеме с общей базой. Его выходное сопротивление много больше R_Э в схеме на рисунке 1.1. Смещение на базу VT₃ подается через делитель R₁, VD, R₂. Диод VD служит для термокомпенсации справедливо .

Должно выполняться условие R₁>> R₂, R_э. Ток I₁ через R₁ постоянный, так как R₁ большое и от температуры не зависит. В свою очередь по первому закону Кирхгофа .

При повышении температуры входная характеристика VT₃ смещается влево, т.е. увеличивается ток эмиттера I_э3. Одновременно уменьшается сопротивление диода VD, увеличивается ток I₂, следовательно, уменьшается ток I_б3, равный I₁ ‑ I₂. Ток I_к3 = a I_б3 также уменьшится. Таким образом, ток эмиттера дифференциального усилителя I_э поддерживается стабильным.

Определим I_э аналитическим путем.

Так как I_б3 << I_э и можно считать I_э3= I_к3 = I_э, то

. (1.1)

Поскольку I_б3 << I₁, то I₁ = I₂. Из рисунка 1.3 находим

. (1.2)

Из (1.1), учитывая, что находим I_э

, т.е. ток I_э зависит от температуры незначительно, что и требуется от ГСТ.

1.1.3 Разновидности схем дифференциальных усилителей

Основными задачами разработки разновидностей схем ДУ являются увеличение коэффициента усиления усилителя и увеличение входного сопротивления.

Используются следующие разновидности схем ДУ:

а) на входах ДУ ставятся составные транзисторы (пара Дарлингтона), у которых гораздо выше входное сопротивление и коэффициент передачи тока равен произведению коэффициентов передачи тока обоих транзисторов;

б) на входах ДУ ставятся эмиттерные повторители, у которых входное сопротивление сотни килоомов;

в) ДУ с полевыми транзисторами на входах;

г) ДУ с динамической нагрузкой.

1.1.4 Дифференциальный усилитель с динамической нагрузкой

Для увеличения коэффициента усиления усилителя K_u необходимо увеличить коллекторную нагрузку R_к, но тогда потребуется увеличить напряжение источника питания Е_к. В интегральных схемах увеличение R_к ведет к увеличению площади и габаритов микросхемы. Поэтому в ИС используется динамическая нагрузка, т.е. вместо резисторов R_к1 и R_к2 ставятся транзисторы VТ₃ и VТ₄, которые имеют низкое сопротивление по постоянному току и высокое – по переменному. Транзисторы VТ₃ и VТ₄ имеют полярность, противоположную к основным (см. рисунок1.4).

Транзисторы VT₁ и VT₂ (n-p-n-типа) – основные, транзисторы VТ₃ и VТ₄ (p-n-p-типа) – коллекторная нагрузка. Эти транзисторы соединены коллекторами. Транзистор VТ₃ используется в диодном включении. В эмиттерной цепи ставится генератор стабильного тока (ГСТ) для уменьшения влияния синфазного сигнала на схему.

Вход ДУ – дифференциальный, выход ‑ однотактный.

Транзисторы VТ₃ и VТ₄ включены по схеме токового зеркала – отражателя токов. Ток I_к1, протекая через VТ₃, создает одинаковое смещение на базах транзисторов VТ₃ и VТ₄ U_бэ3=U_бэ4. Поэтому I_к4= I_к3, а I_к3 является током I_к1.

Следовательно I_к4=I_к1. VТ₄ повторяет изменения токов VT₁, т.е. VТ₄ полностью повторяет I_к1, поэтому пара VТ₃ и VТ₄ называется токовым зеркалом.

Найдем , U_вых и К_u. Допустим, на вход подан сигнал e_c. Приращение токов базы и . Тогда токи коллекторов и . Так как , то . Ток на выходе ДУ равен . Видно, что ток на выходе ДУ усилился в b раз и удвоился.

Выходное напряжение ДУ , где - входное сопротивление последующего каскада.

Коэффициент усиления ДУ . При .

Сопротивление может быть обеспечено в несколько сотен килоом, следовательно, коэффициент усиления ДУ по напряжению может достигать нескольких сотен и тысяч.

Таким образом, отражатель токов позволяет получить высокий коэффициент усиления по напряжению и удвоить сигнал на однотактном выходе.