Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы (1988) (1095417), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Для преобразования этого переменного тока в выходное напряжение необходима нагрузка. Нагрузка может быть либо пассивной, состоящей из двух нагрузочных резисторов»(„, включенных между коллекторамз транзисторов и источником питания (рпс. 4 2), либо акп»ивноп, В случае активной нагрузки для преобразования тока в напряже.
ние используются транзисторы. Простейшим типом нагрузхи является пассивная нагрузка на резисторах Я„. В этом случае выходное напряжение на двух коллекторах определяется формулами и.» = — »Яь = — д»)(ьа» н и„= — »',й»„=- д»й»ьо», а коэффициент усиления по напряжени»о несимметричного выхода равен А„= д»Я„.
Поэтому для даст»»>кения большого коэффициента усиления необходимо имен большое Кь. Для иллюстрации подставим выражение для д» в приведенные выше формулы, т. е. учитывая, что ໠— — !ч!4Ут, полУчим Аг = д»й»». = 1ч)сь»4)»г = !ось»0,1 В. ПосколькУ величина )ч в дифференциальных усилителях обычно очень мала, часто порядка нескольких микроампер, становится ясно, что для получения достаточно большого коэффициента усиления тРсбУетси очень болыпос сопРотивление й»ь ( ! МОм). Однако такое большое сопротивление нагрузки обладает рядом суще.
ственных недостатков, особенно в интегральных дифференциаль ных усилителях. !. В ИС площадь, необходимая под резистор, примерно про порцнональна его сопротивлению, поэтому резистор с очень боль шнм сопротивлением занимает слишком много места па криэтал ле ИС, 2. У большого резистора на ИС велика паразитная емкость ° а большое сопротивление резистора в сочетании с большой пара Дифференциальные усилиглели итной емкостью даст в результате очень большую постоянную времени ИС, что будет накладывать ограничения на частотную „рактеристику усилителя. ч, Для нормальной работы дифференциального усилителя анзисторы всегда должны оставаться в активном режиме и пи- ч' в, \ ! 1 Рис.
4.14. Дифференциальный усилитель с активной нагрузкой и виля схемы токового зеркала. когда не попадать в область насьпцения. Это ограничивает максимальное входное напряжение, подаваемое на базы 91 и Ят. Оно должно быть таким, чтобы переход коллектор †ба был смещен " прямом направлении не более чем на 0,5 В. На нагрузочном Резисторе будет создаваться падение напряжения (( /2) )т„. а намень пряжение на коллекторе Го —— )т' — (/ ~2) тт будет много е ь 1ьше, чем напряжение источника питанзя $'.
В результате днапаз шзон изменения входного напряжения дифференциального ус'1лителя значительно уменьшится. Воле ных ди следствие указанных недостатков в большинстве ннтегральер93к дифференциальных усилителей применяют актнлну1о нп- У т. е. используют транзисторы вместо резисторов.
Одна "з простых схем активной нагрузки в дифференциальных усилисхема токового зеркала, показана на рис, 4,)4, Здесь нагрузка — зто сочетание транзисторов 9е и я„ причем ~"~ор 4са включен по диодной схеме. Такое сочетание 1~а н 9, Глава 4 и называется токовым зеркалом. Предположим, что транзист Яз и !',)л совершенно идентичны и напряжения база — эмиттер у н оры ннх равны. В этом случае коллекторные токи обоих транзисто одинаковы, т. е.
1» = 1,. Следовательно, любой ток через (1» бу оров кзеркальным отражением» тока через ~,. Проведем сначала анализ схемы в состоянии покоя (т, е прн отсутствии входного сигнала) и предположим, что днфререн. Рве. 4ЛВ. Мзлоснснзлэнвя эквнввлентнвя схема для узле С, — Сл, циальный усилитель сбалансирован, т, е, 1, = 1,. Г!оскольку 1, =1, и 1» — — 1„по закону Кирхгофа получим 1о = 1а„+ 1в, = = (1» + 1л)Ррирвв (1» + 1»)IРрвр = 1чР»яр Если подать переменное входное напряжение в, на дифферен. циальный усилитель, то получим два различных переменных тока: сл— - 1» = 1, = д,о; и 1» = — д,оп Поскольку (о = 1» — 'л; имеем са — — — у~о; — у~в, = — 2д,оп Когда дифференциальный Усилитель Работает на чисто РезистивнУю нагРУзкУ Иь и выходное иапрянсение равно о, = — 1,Р, = — 2а,)1,уь коэффициент усиления переменного напряжения такого каскада дифференциального усилителя определяется выражением Ан = о,1о~ = = 2д,)с'ь.
Обратите внимание, что в данном случае выходное на. пряженне снимается только с одной стороны дифференциального усилителя, но схема токового зеркала допускает подключение нагрузки к дифференциальному усилителю с обеих сторон. Чтобы более подробно исследовать коэффициент усиления по напряжению дифференциального усилителя с активной нагрузко1„' в виде схемы токового зеркала, воспользуемся малосигнальнш' эквивалентной схеэюй, приведенной на рис.
4.!5 (показана толь~~ часть дифференциального усилителя). В этой схеме л„ и квз Диф4ереициалоноее иеилииоели „намические выходные (или коллекторные) проводимости трапа,4сторов Я, и Ял соответственно, а С„и С, — выходные емкости, водимость д, н емкость Се относятся к следующему каскаду. Всточинк тока игп„соединенный с узлом С,, соответствует переенному току, вырабатываемому 4',)4, который повторяет перемен„ й ток через 4,),, а следовательно, и через ('),. Запишем уравнение узловых потенциалов (нз закона Кнрхгофа) для узла С,— Сл.' 2И)П~ = По [(йое + йол + Д4) + 14а (Сое + Сол + Се)), откуда А и, = ео1ое —— = 2Я)1(Мое + дол + И4) + 1ы (Сои + Сел + С4)) = = 2д)1(д, +1еаС,), (4.67) где йе = д 4 + д„+ дь а С, = С., + С„+ С,. Коэффициент усиления на нулевой частоте (постоянный ток) определяется выражением Аи, (0) = 2д)1дь (4.68) В общем случае выражегше для коэффициента усиления каскада дифференциального усилителя имеет вид а4 (! + )4о (Се/д4)) Аи (О) Аи (О) Ли (0) (4.69) ) + 1ст ) +14414о, ) +1(1114) ' где т = Се(до з 1, = !/(2пт).
Это выражение показывает, что коэффициент усиления плавно уменьшается при увеличении частоты, причем существует точка излома частотной характеристики на частоте 1, Теперь рассмотрим схему на рис. 4.16, где показана часть второго каскада усиления, содержащего транзисторы (',), и )',),, Вновь предположим, что все однотипные транзисторы идентичны. В состоянии покоя 1, = 1е и 1, = 14, тогда 1а, = 1а, и, следова1е., = 1а„так как коэффициенты передачи по току транзисторов Равны. ПосколькУ 1а, = 1а„+ 1а, и 1а, = 1в„можно записать, что 1а, = 1а, + 1а, и в итоге 1с, = 1з+ 14 вследствие равенства коэффициентов передачи по тону. Поскольку 1, + 1, = ' + 1ь получим 1с = 1, + 1, = 10.
Таким образом, источ"" т"ка 1ч определяет начальный ток не только самого диффенцнального усилителя, но и задает начальный ток траизисто~о Ф~ второго каскада. ров г) 268 Коэффициент усиления по напряжению первого каскада (д„ф ференцнальный усилитель) на нулевой частоте будет А„(0) = 2д)/д), где д) = две + д., + й'„.
Лля выходных проводимост й транзисторов можно записать следующие уравнения: о — / )'е' вас 2) А )ари) О/ А )сли)е ва4 4/ л )лир) Е/ л )лир) (4 70» где )гл — напряжение Эрлн транзистора, илн коэффициент моду. ляции ширины базы (см. приложение Б). 07 в, Рис. 4.!б. дифференциальный усилитель с активной нагрузкой в виде схемы токового эеркала. Входная проводимость второго каскада, д)а, соответствующая базе транзистора Ь, равна д,, = /в,/2п))г, где а — безразмерный коэффициент, обычно около 1,5. Поскольку /в, = /с,/()а = = /с,/))а()г = /о/()а))), последнее уравнение мо)кно переписать в виде д„= /о/())4)2прт). Множитель 2 перед Ъ'и связан с тех), что второй каскад представляет собой составной транзистор Дар лингтона и входное напряжение приложено к двум переходам база — эмиттер, включенным последовательно. Рассмотрим конкретный пример, для этого зададим следующие параметры: )лл <„ра) = )гл) ) = 200 В (минимум) и р = о0 Яие)нреренциальные иеылиепели 269 ( ииимум) для всех транзисторов и примем)ч —— 20 мкА — вполне раз ' заумное значение.
В этом случае получим я = 7 74)ег = 20 мкА~100 мВ= 200 мкСм; дла = )с/2$'л, р ) 20 мкА/400В = = 0,05 мкСм = 50 нСм (максимум); ~ „= У )2)е„, „ю —— 20 мкЛ!400В = (4.71) = 0,05 мкСм = 50 нСм (максимум); и, = 1,)фЯ2п)е = 20 мкЛ450 50 2 1,5 25 мВ) = =!07 нСм (максимум). Следовательно, общая проводимость, де, равна сумме ле = ег„+ -1- д„+ ям = 50 нСм + 50 нСм + 107 нСм = 207 нСм (максимум). Для первого каскада (дифференциальный усилитель) коэффициент усиления по напряжению на нулевой частоте поэтому равен Аг (О) = 2д 7де = 2 200 мкСм!207 мкСм (максимум) = = 1,932 (минимум), (4,72) Этот результат показывает, что при использовании активной нагрузки можно получить достаточно большой коэффициент усиления по напряжению даже в одном каскаде усиления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
