L_9 (Конспекты лекций)

1Лекция № 9.ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ (ДУ)НА БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХПлан1.Введение2.Принцип действия, технические характеристики ДУ на биполярныхтранзисторах.3.Особенности дифференциального и синфазного режимов в ДУ. ООСв ДУ.4.Принцип действия, технические характеристики ДУ на полевыхМОП-транзисторах.5.ДУ в интегральной схемотехнике.6.Теоретическое обобщение по теме.1. ВведениеДифференциальный усилитель (ДУ) относится к разряду усилителей постоянного тока (УПТ). УПТ служат для усиления медленно меняющихся сигналов или сигналов, значение которых после изменения остается сколь угодно долго.

Нижняя рабочая частота усилителя f н = 0, а верхняя определяетсяназначением усилителя и условиями его работы.УПТ широко применяются в измерительных устройствах, в системах автоматического регулирования, в различных стабилизаторах.Особенностью УПТ является непосредственная (гальваническая ) связьмежду каскадами, Это объясняется тем, что ни конденсатор, ни трансформатор не пропускают постоянную составляющую тока.Недостатком УПТ является «дрейф нуля» − наличие сигнала на выходепри его отсутствии на входе. Любые медленные процессы, связанные с колебаниями температуры, напряжения питания, изменениями параметров всехактивных и пассивных элементов схемы усилителя создают низкочастотныефлуктуации практически на всех элементах схемы, в результате которых на2выходе и появляется какой-то уровень напряжения и его, в дальнейшем,трудно отличить от полезного сигнала.

Самым эффективным методом борьбы с «дрейфом нуля» является использование дифференциального усилителя,структурная схема которого приведена на рис.9.1, а электрическая принципиальная ─ на рис.9.2.Один из входов ДУ снабжён символом «О» (на рис.9.1 это U вх1 ), это означает, что вход инвертирующий, то есть фаза входного сигнала на выходеизменяется на противоположную. Второй вход (U вх2 ) неинвертирующий (безсимвола): фаза сигнала на выходе совпадает с фазой входного сигнала.Uвх1ДУUвхUвых.Uвх2Uвых2Uвых1.Рис.9.1.Сигнал, который на рис.9.1 обозначен как «U вх », называется дифференциальным.

Следовательно, дифференциальный сигнал ─ это сигнал, которыйдействует на входе ДУ и который равен разности сигналов, поступающихна входыUвх= U вх1 − U вх 2 .2. Принцип действия, технические характеристики ДУ на биполярных транзисторах.В основе ДУ лежит схема балансного усилителя, в которую заложенпринцип сбалансированного моста (рис.9.2).ДУ усиливает разницу между двумя сигналами, поступающими на базытранзисторов VT1 и VT2. Фактически ДУ представляет собой два совмещён-3ных каскада усиления. Выходное напряжение снимается между коллекторами VT1 и VT2.Схема, представленная на рис.9.2, называется симметричным ДУ: схемаусиливает разницу сигналов U вх1 и U вх2 , а на выходе снимается разница напряжений U вых1 и U вых2 . Если на входы ДУ поступают сигналы, совпадающиепо фазе, то токи, протекающие через VT1 и VT2, в идеально симметричнойсхеме одинаковы и равныII= I к2 = 0к12+ЕкIк1Rк1aIк2UвыхRк2bUвых1Uвых2VT1VT2Uвх2Uвх1Iэ1Iэ2I0RЭРис.9.2Схема ДУ на рис.9.2 напоминает схему переключателя тока (ПТ), но вПТ транзисторы открывались поочерёдно, а в схеме ДУ транзисторы, работаяв активном режиме, открыты всё время.Ток в цепи резистора R э должен быть строго постоянным.

В дальнейшеманализ работы ДУ покажет, что в цепи эмиттеров целесообразнее использовать не резистор, а генератор стабильного тока (ГСТ), у которого оченьбольшое внутреннее сопротивление.4При отсутствии входного сигнала потенциалы коллекторов будут одинаковы, и выходное напряжение будет равно нулю.Если токи будут изменяться одинаково и одновременно в обеих ветвяхсхемы, то и в этом случае, если ДУ идеально симметричен, выходное напряжение будет равно нулю.В зависимости от характера входного сигнала будет формироваться выходное напряжение.

Различают два разных вида входных сигналов:1. Синфазный сигнал − на базах обоих транзисторов действуют два напряжения, одинаковые по величине и совпадающие по фазе. Потенциалы базтранзисторов меняются одинаково, что вызовет одинаковые по величине изменения потенциалов коллекторов. Если схема ДУ абсолютно симметрична(R к1 = R к2 ), то напряжение на выходе ДУ будет равно нулю («дрейф нуля» отсутствует).

В реальном ДУ любые изменения температуры, напряжения питания, появление помех, старение элементов приводят к появлению синфазного сигнала. Только при идеально симметричной схеме ДУ не произойдётизменения напряжения на выходе в режиме дифференциального сигнала приналичии синфазного сигнала, и «дрейф нуля» на выходе полностью будет отсутствовать.2. Дифференциальный сигнал − на базы VT1 и VT2 подаются два одинаковых по величине, но противоположных по фазе сигнала:едиф;U=вх12едиф.U=−вх 22Возрастание потенциала базы одного транзистора сопровождается одновременным уменьшением базы другого.Таким образом, под воздействием входного дифференциального сигналабазовые токи транзисторов получают приращения ±∆i б : приращения тока i б1будет положительным, а i б2 ─ отрицательным. Следовательно, происходятприращения токов коллектора и эмиттера (±∆i к , ±∆i э ).

В результате происходит одновременное возрастание потенциала коллектора одного транзистора(VT 2 ) и уменьшение потенциала коллектора другого транзистора (VT 1 ).В этом случае:Uвых1= Е к − ( I к1 + ∆I к1) R к1 = Е к − (0,5 I 0 + ∆I к1) R к1;5Uвых 2= Е к − ( I к 2 − ∆I к 2) R к 2 = Е к − (0,5 I 0 − ∆ I к 2) Rк 2 . .Выходное напряжение ДУ является разностью потенциалов между коллекторами транзисторов (U вых2 ─ U вых1 ), поэтому, при таком характере сигналов на входе, на выходе сигнал оказывается равным 2∆U к |.Таким образом, сигналы, действующие на входах, можно представитькак сумму двух сигналов ─ дифференциального и синфазного.Uвх1= U синф +Uдиф;2Uвх 2= U синф −Uдиф.2Рабочим режимом для ДУ является режим дифференциального сигнала,и из уравнений, приведённых выше, имеем:для дифференциального сигналаU=−(9.1)диф U вх 2 U вх1для синфазного сигналаU1.синф=U вх1 + U вх 22(9.2)Важными параметрами для ДУ являются:Коэффициент усиления дифференциального сигналаКдиф=U вых.U дифСхема замещения входных цепей ДУ для дифференциального сигналапоказана на рис.9.3.Напряжения, действующие на входах:едиф;U=вх12едиф.U=−вх 22В соответствии с первым законом Кирхгофа имеемIэ1+ I э2 = I 0 .В случае полной симметрии схемы ДУ токи эмиттеров VT 1 и VT 2 будутеравны I = − I э2 = диф , где r э ─ сопротивление эмиттерного перехода.э1rэТок эмиттера и ток коллектора связаны статическим коэффициентом передачи «α».

Напряжения на выходе каждого плеча схемы:6Uвых1= − I к1 R к1 = − αI э1 R к1 = −αедиф2rэ1R к1, гдеeдиф.I =э2rэUвых 2= I к 2 R к 2 = αI э2 R к 2 = αедиф2rэ2R к2.Напряжение на выходе ДУ (в точках»аб» на рис.9.2).VT1iб1К резистору Rк1К резистору Rк2К резистору Rк1VT2VT1iб2iб1Iэ2Iэ1есинфI00,5едифК резистору Rк20,5едифRэVT2iб2Iэ2Iэ1I0есинфRэРис.9.3.Рис.9.4.И, окончательно, коэффициент усиления дифференциального сигнала всхеме ДУ будет равенUКдиф=Uвыхдиф=αRк.rэЧем меньше сопротивление эмиттерного перехода, тем больше коэффициентусиления дифференциального сигнала.2. Коэффициент усиления синфазного сигнала7Ксинф=U вых.UсинфСхема замещения входных цепей ДУ для синфазного сигнала дана нарис.9.4.Для левой и правой ветви схемы будет справедливо уравнениее синфе синфI =≈.э r э + 2R э2R эСопротивлением эмиттерного перехода мы пренебрегли, так как посравнению с сопротивлением резистора R э оно мало.В режиме синфазного сигнала при полной симметрии схемы выходныенапряжения U вых1 и U вых2 будут равныUвых1= U вых 2 = −αRкесинф .2R эИ, окончательно, коэффициент усиления синфазного сигнала в схеме ДУбудет равенUКсинф1= К синф2 =вых= −αесинфRк.2R эИз этого уравнения ясно, что чем больше сопротивление резистора R э ,тем меньше коэффициент усиления синфазного сигнала.3.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала. Пожалуй, это главныйпараметр ДУ, потому что синфазный сигнал ─ это сигнал помех.Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает во сколько разкоэффициент усиления дифференциального сигнала больше коэффициентасинфазного сигналаККослосл==К дифК синфК дифК синф=.Rэ.rэВ случае идеального симметричного усилителя уровень синфазного сигнала на выходе равен нулю. Но в реальных схемах ДУ «дрейф нуля» всегдаимеет место, так как добиться полной симметрии плеч невозможно.

Диффе-8ренциальные усилители, схемы которых можно отнести к усилителям самоговысокого качества, имеют коэффициент подавления синфазного сигналаоколо 104…105. Коэффициент подавления синфазного сигнала выражаютобычно в децибелах.4. Входное сопротивление ДУ в режиме дифференциального сигналаравняется удвоенному входному сопротивлению каждого плечаr= 2[( β + 1)r э + r бвх.дифЕсли β = 50, r б = 150 Ом; r э = 30 Ом.Тогда r вх = 3,36 кОм.Сопротивление r э обратно пропорционально току покоя I эп , поэтому,для увеличения входного сопротивления целесообразно использовать ДУ врежиме малых токов ─ в микрорежиме. Кроме того, целесообразно использовать транзисторы с высоким «β» (например, составные транзисторы,рис.9.5).ЭVT1КVT1.1.VT1.2БРис.9.5.Коэффициент передачи тока базы такой схемы равен произведению коэффициентов трёх транзисторов β общ = β 1 β 2 β 3Например:ϕI э = 50 мкА, β =1500, r б = 150 Ом; rэ = t = 0,5 кОмIэТогда, r вх ≈ 1,5 МомПрименение составного транзистора, кроме увеличения входного сопротивления, вызывает уменьшение входного тока, что немаловажно при использовании схемы ДУ в интегральном исполнении.95.