КП - Дифференциальный усилитель - 3

Введение

К числу наиболее часто применяемых функциональных преобразований аналоговых сигналов относится усиление электрических колебаний, в результате которого на выходе устройства, называемого усилителем, получают колебания, мощность которого которых превышает мощность, подводимую к входу усилителя. Усиление происходит за счет того, что схема усилителя содержит источник энергии, обычно называемый источником питания, и активный усилительный элемент, обычно транзистор, с помощью которого энергия источника питания преобразуется в энергию электрических колебаний необходимой мощности.

Усилители электрических сигналов используются во многих областях современной науки и техники. Они находят широкое применение в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, телевидении, проводной связи, аппаратуре записи и воспроизведения звука, измерительной аппаратуре, электронных вычислительных машинах, следящих и управляющих устройствах, аппаратуре геофизической разведки, точного времени, медицине и многих других случаях.

Усилители постоянного тока (УПТ) применяются для усиления сигналов, частота которых или равна нулю, или настолько мала, что невозможно использовать для связи с нагрузкой емкостные и индуктивные элементы. Связь между элементами внутри усилителя и выходной цепи с нагрузкой обязательно должна быть непосредственной (гальванической), а АЧХ, практически равномерной в полосе частот. Непосредственная связь в усилителе приводит к дополнительной постоянной составляющей в выходном сигнале, обусловленной статическим режимом работы активных элементов, которую необходимо компенсировать до необходимого уровня.

Большое влияние на качественные показатели УПТ оказывают нестабильности питающих напряжений, изменение значений элементов схемы под влиянием изменений параметров окружающей среды, старение элементов. Это вызывает дрейф выходного напряжения – медленное самопроизвольное изменение выходного сигнала при отсутствии сигнала на входе усилителя.

Оптимальное решение вопросов межэлементной связи в УПТ, стабилизации его статического состояния является одной из главных задач при его построении. Пример такого решения иллюстрирует схема дифференциального усилителя постоянного тока. Дифференциальный усилитель (ДУ) представляет схему, состоящую из двух симметричных усилителей, образующих мостовую схему и имеющих раздельные входы и выходы (рис 1.1). Элементами моста являются транзисторы , и резисторы , . Питание ДУ осуществляется в общем случае от разнополярных источников и , что позволяет создавать необходимые уровни напряжений на элементах схемы как положительной, так и отрицательной полярности. Нагрузка может быть включена между коллекторами транзисторов (симметричный выход) или подключена к одному из коллекторов относительно общей точки схемы (несимметричный выход). Эмиттеры транзисторов объединены в их общей точке и подключены через резистор к источнику . Величиной резистора задается суммарный ток , протекающий в эмиттерах транзисторов, симметрично распределяющийся между транзисторами.

Рис. 1.1.

Если на входы схемы поданы сигналы одинаковые по величине и фазе, называемые синфазными, то токи обоих транзисторов будут изменяться на одинаковую величину, а напряжение на по прежнему будет сохраняться равным нулю. Если на входы схемы поданы одинаковые по величине, но сдвинутые по фазе на сигналы, называемые дифференциальными, то возрастание тока в одном плече будет сопровождаться уменьшением тока в противоположном, вследствие чего появится напряжение на дифференциальном выходе. Таким образом, схема в идеальном случае реагирует на дифференциальный сигнал и не реагирует на синфазный. Изменение температуры, паразитные наводки, старение элементов, флуктуации параметров транзисторов можно рассматривать как синфазные входные воздействия. Следовательно, ДУ обладает очень высокой устойчивостью работы и малочувствителен к помехам. Классификация ДУ идет по выходному сигналу: с симметричным выходом (сигнал снимается между коллекторами транзисторов и ) и с несимметричным выходом (сигнал снимается с одного из коллекторов транзисторов и ).

Основными техническими параметрами ДУ являются: коэффициент усиления дифференциального сигнала, коэффициент усиления синфазного сигнала, коэффициент подавления синфазного сигнала, входное сопротивление ДУ, выходное сопротивление ДУ, напряжение смещения ДУ, ток смещения ДУ, дрейф выходного напряжения смещения, полоса усиливаемых частот.

Метод решения задачи

Все вычисления, проводимые при проектировании электрических схем, направлены на определение конфигурации схем и расчет значений их компонентов. Часто при разработке схем приходится принимать упрощающие предположения, поэтому практически все эквивалентные схемы являются только моделями реальных схем, лишь приближенно описывающими характеристики требуемых функций. Поскольку характеристики однотипных полупроводниковых элементов могут различаться порой в два раза, а резисторов и конденсаторов – на 5-10%, проектирование схем необходимо проводить с учетом больших допусков на отдельные компоненты. При разработке схем часто применяются методы из теории автоматического регулирования, например такие как построение систем с отрицательными обратными связями.

Как известно полупроводниковые элементы обладают сильнолинейными вольтамперными характеристиками. Для того, чтобы в зоне рабочей точки , амплитуды тока и напряжения менялись незначительно, проводят линеаризацию функции в точке , (рис 3.1). Поскольку амплитуды таких сигналов не сильно отличаются от значений тока и напряжения в рабочей точке, они называются малыми сигналами. В случае незначительных изменений сигналов в зоне рабочей точки можно произвести замену реальной нелинейной функции на линейную. Такой подход очень полезен при расчете схем усилителей сигналов, амплитуды которых малы по сравнению с параметрами рабочей точки полупроводниковой цепи.

Расчет любого сложного электронного устройства (ЭУ) сводится к последовательному расчету функциональных элементов. Расчет ЭУ, состоящего из ряда последовательно соединенных функциональных элементов, начинают со стороны его выхода. Расчет ЭУ часто имеет циклический характер. После выполнения ряда расчетных операций возникает необходимость повторить предыдущие операции для улучшения структуры или режимов работы всего ЭУ или его функциональных частей. Детальному расчету функциональных элементов должен предшествовать ориентировочный расчет значений выходных параметров тех функциональных, которые определяют значение выходных параметров всего ЭУ. Это позволяет достаточно быстро оценить практическую возможность их реализации.

Итак, при проектировании ЭУ прежде всего выполняют:

1. ориентировочный расчет выходных параметров функциональных элементов, производимых при выборе их принципиальных схем;

2. расчеты, на основе которых выбирают типы активных элементов;

3. расчеты рабочих режимов активных элементов;

4. расчет значений параметров пассивных элементов, обеспечивающих выбранные режимы активных элементов, а также расчет протекающих через пассивные элементы токов, падающих на них напряжений и рассеиваемых ими мощностей;

5. расчет выходных параметров ЭУ с целью проверки их соответствия требованиям технического задания.

Выбор принципиальной схемы ДУ

Главным критерием выбора схемы ДУ является условие максимального усиления дифференциального сигнала и максимального подавления синфазной составляющей в заданной полосе частот. Это соотношение характеризуется коэффициентом подавления синфазного сигнала

(2.1)

Для уменьшения коэффициента усиления синфазного сигнала (увеличения ) следует иметь возможно большее значение сопротивления , задающее рабочий ток в коллекторных цепях транзисторов ДУ.

Дополнительное требование – рабочий ток должен обладать высокой стабильностью. Эта задача решается с помощью специальных устройств – генераторов стабильного тока (ГСТ). Одним из способов увеличения результирующего коэффициента усиления дифференциального сигнала ДУ является последовательное соединение дифференциальных каскадов. Для компенсации постоянной составляющей, имеющей место на выходе усилителя, а также для согласования выходного сопротивления усилителя с низкоомной нагрузкой, на выходе второго дифференциального каскада необходимо применить схему сдвига потенциала.

Схема электрическая принципиальная

Рис. 3.1.

Описание работы схемы

Выбранная схема дифференциального усилителя состоит из трех каскадов последовательного соединения, причем два первых каскада являются дифференциальными, а третий каскадом сдвига потенциала. В данной схеме предполагается использование одинаковых транзисторов с большим коэффициентом передачи тока базы .

Первый дифференциальный каскад является ДК с симметричным выходом и выполнен на транзисторах и . Транзистор включен по схеме общая база, транзистор включен по схеме общий эмиттер. Транзисторы работают в режиме А. Резисторы и задают начальную рабочую точку по постоянному току на линейном участке выходной вольтамперной характеристики.

Второй дифференциальный каскад является ДК с несимметричным выходом и выполнен на транзисторах и . Транзистор работает как эмиттерный повторитель, а по схеме общий эмиттер в режиме А. Резисторы и аналогично резисторам и задают режимы работы транзисторов и по постоянному току. Усиленный сигнал снимается симметрично с коллекторов транзисторов и и поступает на базы транзисторов и . Необходимо отметить, что коэффициент усиления дифференциального сигнала у отдельно взятого ДК прежде всего зависит от величины коллекторной нагрузки, чем больше , тем больше Однако, слишком большое значение также не желательно, так как в этом случае возрастает постоянная времени (равная произведению и паразитной емкости ), что негативным образом сказывается на частотных параметрах ДК и ДУ в целом.

Транзисторы , и образуют генератор стабильного тока (далее в расчетах будем обозначать его как ГСТ1), который питает первый и второй дифференциальные каскады стабильным током, не зависящим от изменений температуры и нагрузки. В этой схеме нагрузки (первый и второй ДК) включаются в коллекторные цепи токозадающих транзисторов и соответственно. Режим работы транзисторов и задается нелинейным делителем напряжения, состоящим из транзистора , охвачен 100% обратной связью, т.е. по существу включенного диодом, и резисторов равного номинала , и . Также необходимо отметить, что резисторы и обеспечивают последовательную обратную связь по току, для повышения выходного сопротивления ГСТ. Вспомним, что ГСТ, помимо обеспечения стабильным током дифференциальных каскадов, выполняет еще одну очень важную функцию, а именно: с помощью ГСТ искусственно повышаются на несколько порядков значения сопротивлений эмиттеров и первого и второго усилительных каскадов. Тем самым повышается дифференциального усилителя и достигает величины порядка 100 – 120 дБ. Данный тип ГСТ является самым распространенным и надежным и называется «отражателем» или «зеркалом» тока.