Дифференциальный усилительный каскад на биполярных транзисторах

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.

5 Ленк Дж.Д. Справочник по проектированию электронных схем / Пер. с

анг.В.И. Зубчука м Сигорского. Под ред. В.П. Сингорского. – К.: Техніка,

Экспресс — проверка знаний пройденного материал :

1 Нарисуйте схему усилителя постоянного тока с использованием двух источников

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 операционногоусилителя 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).

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

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.

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.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Значительно улучшает схему использование в паре двух одинаковых транзисторов, соединенных эмиттерами, – так называемого дифференциального каскада (см. рис. 6.9). Дифференциальные каскады в силу их удобства широко применяли еще в эпоху недоступности микросхем (в том числе даже и в ламповые времена), но теперь их отдельно почти не используют, кроме некоторых областей вроде звукотехники. Они являются основой операционных усилителей, которые имеет смысл рассматривать, как единое целое. Тем не менее, понимание принципов работы дифференциального каскада необходимо, и мы рассмотрим его вкратце, а потом (в главе 8 ) построим на его основе простейший звуковой усилитель.

Рис. 6.9. Дифференциальный каскад на биполярных транзисторах

Дифференциальный каскад, как он показан на рис. 6.9, предполагает два раздельных одинаковых питания (плюс и минус) относительно «земли», но для самого каскада это не более, чем условность, – питание всего каскада можно рассматривать, как однополярное (и равное в данном случае 10 + 10 = 20 В), просто входной сигнал должен находиться где‑то посередине между питаниями. Ради удобства проектирования схем источник входного напряжения всегда привязывают к «земле», потенциал которой находится посередине между потенциалами источников питания самого каскада, т. е. общее питание рассматривают, как разделенное на два: положительное и отрицательное. Относительно этой же «земли» мы будем также отсчитывать выходные напряжения U_вых1 и U_вых2 .

С учетом того, что база и эмиттер транзистора всегда привязаны друг к другу, в этой схеме обе базы в рабочем режиме всегда будут иметь одинаковый потенциал. Поэтому, если на них подавать один и тот же сигнал (базовые резисторы на рис. 6.9 не показаны), то ничего происходить не будет – току течь некуда, т. к. все под одним и тем же напряжением. Вся конструкция из двух транзисторов будет смещаться относительно «земли» в соответствии с поданным сигналом, а на выходах ничего и не шелохнется – это легко проверить. Такой сигнал называют синфазным .

Иное дело, если сигналы на входах различаются – их разность будет усиливаться. Такой сигнал называют дифференциальным . Это основное свойство дифференциального усилителя, которое позволяет выделять небольшой сигнал на фоне довольно большой помехи. Помеха одинаково – синфазно – действует на оба входа, а полезный сигнал усиливается.

Мы не будем здесь подробно разбирать работу этой схемы (рекомендую [4, 5]), только укажем некоторые ее особенности:

□ входное сопротивление дифференциального каскада равно входному сопротивлению каскада с общим коллектором;

□ усиление по напряжению (дифференциальному) составляет 100 и более раз.

Если вы хотите получить точно определенный коэффициент усиления, в каждый из эмиттеров нужно ввести по одинаковому резистору – тогда К_ус будет определяться, как для каскада на рис. 6.7. Но обычно в таком режиме дифференциальный усилитель не применяют – их используют в системах с общей обратной связью, которая и задает необходимый коэффициент усиления (см. главу 8 );

□ выходы строго симметричны;

□ резистор R_к1 , если не используется U_вых1 , вообще можно исключить (или наоборот) – смотря, какой выход (прямой или инверсный) использовать.

В электронной технике часто требуются усилители сигналов, скорость изменения которых очень низка, например с датчиков медленно изменяющихся сигналов, таких как термопара. Такие усилители называют усилителями постоянного тока. Наиболее распространенной схемой, на базе которой они создаются, является дифференциальный каскад (рис. 2.8, а).

В дифференциальной схеме два входа, два выхода и два источника питания. Предположим, что параметры левого и правого плеч схемы одинаковы. Положительный потенциал источника питания Е_см, поступающий через корпус и цепи входных сигналов на базы обоих транзисторов, открывает их в равной степени. Рабочие точки р на рис. 2.8, б транзисторов VT1 и VT2 совпадают. Поэтому при отсутствии входных сигналов под действием источника питания Е_к по резисторам R_> и R₂ протекают одинаковые коллекторные токи Ц = 1₂ = Так как R_> = R₂, то эти токи создают на них одинаковые падения напряжения, а значит, потенциалы точек а и b одинаковы. Если нагрузочное сопротивление включить между точками а и /;, то выходное напряжение на нем равно нулю. Так можно выполнить требования усилителей постоянного тока о равенстве нулю f/_BbIX при отсутствии сигнала U_BX. Такое состояние схемы называют режимом покоя.

Рис. 2.8. Дифференциальный усилительный каскад (а) и передаточная динамическая характеристика транзисторов (б)

Если пренебречь базовыми токами, то по резистору R₃ протекает сумма токов /j + /₂, создающая на нем падение напряжения. Напряжение, задающее исходные рабочие точки транзисторов, будет определяться разностью Е_см и напряжения на /?₃:

Такое включение R₃ создает последовательную отрицательную обратную связь по току, стабилизируя исходные рабочие точки транзисторов. Любые одновременные изменения, например, увеличение токов 1_Х и /₂, возникающие под действием изменений напряжения источника питания, температуры и т.д., вызовут увеличение падения напряжения на R₃ и, следовательно, такое уменьшение [/_БЭ, которое стремится вернуть (снизить) коллекторные токи к исходному значению, т.е. стабилизировать их суммарное значение:

Таким же образом дифференциальный каскад реагирует на синфазные сигнал и помеху, т.е. входные сигналы, которые одновременно (без сдвига фаз) и одинаково (f/_Bxl = t/_BX2) действуют на оба входа, стремясь одновременно изменить 1_Х и /₂. Обратная связь тем выше, чем больше R₃.

Совершенно по-иному реагирует дифференциальный каскад, если сигналы на входах каскада противофазные (например, [/_вх1 = +f/_BX, a t/_Bx2 = = -t/_BX). В этом случае (см. рис. 2.8, б) ток 1_Х возрастет на А/, а /₂ уменьшится на А/, но их сумма останется неизменной.

Поэтому обратная связь не стремится уменьшить изменения токов и каждое плечо ведет себя как обычная схема ОЭ, т.е. потенциал точки а и ?/_вых1 понизятся, а потенциал точки b и U_Bblx2 повысятся. Каскад реагирует только на разность входных сигналов, почему и называется дифференциальным.

Рассмотрим еще один случай, когда напряжение U_BX действует только на один из входов, например f/_Bxl > 0, a U_Bx2 = 0. В первый момент ток 1_Х возрастает, допустим, на +Д/, а /₂ остается неизменным, при этом возрастет и сумма токов (1_Х + Д/) + /₂, но вступившая в действие обратная связь приведет к тому, что ток первого транзистора станет равным 1_< + Д//2, а ток второго: /₂ — Д//2. И в этом случае потенциал точки а понизится, а точки b повысится, но изменения f/_BbIX будут в 2 раза меньше, чем в предыдущем случае.

Обычно усилители постоянного тока имеют несколько каскадов, причем дифференциальный каскад является первым и у него используется только один выход. Если принять, что используется выход 2, то подача положительного сигнала на вход 1 приводит к увеличению выходного сигнала, а подача положительного сигнала на вход 2 — к уменьшению. Поэтому вход 1 называют прямым, или неинвертирующим, а вход 2 — обратным, или инвертирующим.