Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 64
Текст из файла (страница 64)
Дифференциальный шим. усилитель Подадим на базы одинаковые напРЯжениЯ (ЛУс1 = ЛУсз). Такие сигналы называют синфазными. Под действием синфазных сигналов потенциал змиттеров изменится на такую же величину, как и потенциалы баз: ЛУ, = ЛУ (поскольку напряжения на эмиттерных переходах У можно считать неизменными). Если источник тока 1р идеальный (т. е.
В, = ю), то приращение ЛУ, не вызовет изменения токов в ветвях ДУ. Коллекторные потенциалы не изменятся и выходное напряжение останется равным нулю. Если же В, к со, то появится приращение тока Л1с, но оно поровну распределится между обеими ветвями ДУ и коллекторные потенциалы изменятся одинаково. Соответственно и в этом случае У, „= О, Значит, в идеальном ДУ еинфазные сигналы не влияют на выходное напряжение. Теперь подадим на базы напряжения равной величины, но противоположных знаков (ЛУс1 = — ЛУьз).
Такие сигналы называют дифференциальными. Их разность, по определению, является входным сигналом ДУ: 9.9. Диффереициалвивве усилители 359 Увх 11У61 11У62. В силу симметрии сигнал У,„поделится поровну между обоими змиттерными переходами: на одном из них напряжение У увеличится на )2 У,„, а на другом уменьшится на ту же величину. Соответственно приращения токов и коллекторных потенциалов в плечах Ду будут одинаковыми по величине, но разного знака. В результате появится выходное напряжение Увых ~1Ук1 свУк2 ~У61 Увхс+ )2 Увхд) 11У62 Увх с )2 Увх д.
(9.33а) (9.33б) Удобство такого представления — в том, что действие каждой из составляющих можно анализировать раздельно. Синфазная и дифференциальная составляющие входного сигнала согласно (9.33) выражаются следующим образом: Ухх с )2 ( ~ 61 + ~У62)) Увх д ~1У61 11У62' (9. 34а) (9.34б) Выходное напряжение тоже можно представить как сумму синфазной и дифференциальной составляющих (рис, 9.12, б): Увв1х с )2 (йУк1 + 11Ук2)) Увых д ыУк1 йУк2~ (9.35а) (9.35б) Как видим, идеальный ДУ реагирует только на дифференциальный сигнал, отсюда — название етого типа усилителей. Поскольку дифференциальный сигнал делится поровну между эмиттерными переходами, потенциал средней точки, т.е. потенциал змиттеров, остается неизменным.
Следовательно, при анализе дифференциальных сигналов можно считать потенциал У, заданным, а точку Э заземленной для перемен ных составляющих. Любую комбинацию напряжений ЛУ61 и ЛУ62 можно представить в виде суммы синфазной и дифференциальной составляющих (рис. 9.12, а): Глава 9.
Основы аналоговой схемотехинин а) -У 1 2 -и 1 2 б) по « (ге ггс Рис. 9.12. Синфааиые и дифференциальные составляющие входного (а) и выходного (б) сигналов где Лӄ— приращения коллекторных потенциалов относительно потенциала покоя У . На рис. 9.11 дифференциальные соо ставляющие У,„„и У,ы„„записаны без индекса «дь. Важную роль в работе ДУ играет постоянство тока 1 . Если источник тока идеальный (т.е.
)т, = ос, см. рис. 9.11) то синфазная составляющая сигнала вызывает только приращение змиттерного потенциала: ЛУ, = ЛУ = У,„,. Токи в плечах и коллекторные потенциалы остаются неизменными. Если же источник тока не идеален, т.е. имеет конечное сопротивление В,, то приращение ЛУ, вызывает приращение тока Мо= ЛУ, / Яг Это приращение делится между обоими плечами ДУ и вызывает приращения коллекторных потенциалов ЛУ„1 и ЛУ„2. В том случае, когда плечи идентичны, зти приращения одинаковы: ЛУ, = ЛУ,2, тогда на выходе согласно (9.35) получается только синфазная составляющая. В том случае, когда плечи неидентичны, приращения коллекторных потенциалов неодинаковы: ЛУ„, л ЛУ„2) тогда на выходе наряду с синфазной получается паразитная дифференциальная составляющая.
Поскольку в идеальном ДУ сннфазный сигнал на входе не должен вызывать синфазного и тем более дифференциального сигнала на выходе, к внутреннему сопротивлению источника тока предъявляют самые высокие требования. 9.6. Диффереицивдвиыв усилители 361 Коэффициенты усиления. В реальном ДУ, в котором оба плеча иеццеитичиы.
а источник тока имеет конечное сопротивление, имеют место влияние синфазиой составляющей входного сигнала иа дифференциальную составляющую выходного сигнала и влияиие дифференциальной составляющей входного сигнала иа сиифазную составляющую выходного сигнала. В общем случае соотношение между сиифазпыми и дифференциальными составляющими можно записать с помощью двух уравнений: (~вых в = Кав(~вх ь + Квд(~вх д) (Гвых д = КдвГГвх с + Кдд(~вх д (9.36а) (9.366) Здесь коэффициенты К являются козффициеитами передачи соответствующих составляющих со входа иа выход. В идеальиом ДУ взаимные коэффициенты К, и К„, равны нулю. Рассмотрим главный параметр ДУ вЂ” коэффициент усиления дифференциальной составляющей К . Его часто называют просто коэффициентом усиления и обозначают через К.
Как уже подчеркивалось в предыдущем разделе, потенциал змиттера при подаче дифференциального сигнала остается иеизмеииым, а значит, для переменных составляющих его следует считать равным нулю. Поэтому козффициеит усиления каждого плеча можно получить из (9.5а), полагая В, = О. Поскольку в каждом плече усиливается сигнал )зУ,„, а иа выходе усиленные сигналы складываются, коэффициент усиления ДУ равен козффициеиту усиления отдельного плеча. Полагая В, = О в выражении (9.ба), получаем: К= к га ь (1 п)(нг " гб) (9.37а) Очевидно, что козффициеит усиления ДУ значительно больше, чем у простейшего усилителя. Разница может составлять Тот факт, что работа ДУ зиждется иа идеятпчвостя его плеч, объясвяет популярность этих усилителей (и основанных яа яих схем) в микроэлектронике.
Только в ИС, гле элемеяты расположены друг от друга яа расстояниях десятков микрометров, можно обеспечить идентичность параметров, температурных козффициевтоз и т.п. Кроме того, з микроэлектронике яе критично количество элементов, способствующих повышению качества схемы. 362 Глава 3. Основы акакокоаоа скомотокмакк десятки раз. Следовательно, помимо отсутствия (или гораздо меньшего) дрейфа, ДУ свойствен гораздо больший коэффициент усиления, что является его вторым важным преимуществом. В случае низкоомных источников сигнала (В„менее 1 кОм) и небольших рабочих токов (менее 1 мА) вторым слагаемым в знаменателе (9.37а) можно пренебречь„тогда (9.37б) К = — а (В /г,).
Подставляя сюда значение Вк из (9.2б) и значение г, = сат/1~ из (5.43), получаем коэффициент усиления в следующей форме: К = (Ек У„)!с~т. (9. 38) Пусть, например, Е„= 12 В и У'к = 2 В, тогда К = — 400. о Как видим, коэффициент усиления ДУ, как и у простейших усилителей, связан с напряжением питания и коллекторным напряжением в режиме покои (ср.
с (9.6) и (9.29)). Однако знаменатель в выражении (9.38) имеет такое малое значение, которое недостижимо в простейших усилителях по соображениям стабильности. Как и в других рассмотренных схемах. коэффициент усиления (при заданном Ук) не зависит от рабоо чего тока. От температуры он зависит непосредственно через величину Рг. Коэффициент усиления синфазной составляющей согласно (9.36) определяется как К кикс сс Уккс *к Следовательно, на рис. 9.11 нужно мысленно соединить обе базы и подать на них сигнал У„,. Полагая У* = сопзс„получаем ЛУ, = У,. При этом, если сопротивление источника тока равно В„ток 1о изменяется на величину Ыэ= У,„,/В„а коллекторные потенциалы — на величину -аЯА7з)В,. Рогда (9.39) Кос (~~Вк)/2Вн Обычно В„/В, «1, а значит, и К «1. звз 9.6. Дпффьреппивяьпме успппвьяи Коэффициент К, согласно (9.36) характеризует влияние дифференциальной составляющей сигнала на синфазную составляющую выходного напряжения: вид ь )и =о вд А Поскольку дифференциальный сигнал распределяется между обоими эмиттериыми переходами поровну, главной причиной изменения среднего коллекторного потенциала является неидентичность коэффициентов усиления плеч.
Поэтому можно считать Квд где г)К = К вЂ” Кг. Умиожим и поделим правую часть на средний коэффициент усиления )2 (Кд + Кг) Далее, считая, что главной причиной неидеитичиости коэффициентов усиления является различие сопротивлений В„, положим г)К/К = ЬВ„/Вк Тогда К.д = К(г)В./Вв). (9.40) Например, если Л)в„/В„= 0,02, то К, = 0,02 К. Значит, изменение постоянной составляющей коллскторных потенциалов под действи ем дифференциального сигнаяа в десятки раз меньше выходного на иряжения.
Коэффициент подавления синфазной составляющей. Коэффициент К, согласно (9.36) характеризует влияние синфазной составляющей входного сигнала на дифференциальную составляющую выходного сигнала. Это влияние весьма существенно, так как слагаемое К„,(/,„, неотличимо от слагаемого К (/,„д, т.е. равносильно ложному сигналу.
Поскольку на практике составляющан (/,„, может в тыснчи раз превышать составляющую (/,„„, то значение К, должно быть меньше К на несколько порядков. Соотношение модулей этих двух величин принято характеризовать коэффициентом подавления синфазной составляющей, выраженным в децибелах1: К, - 2013 К (9.41) Кдь 1 Агдгяпйский термин. Сопппоп Мове Нтесиоп Квцо (СМНН). ОФициальное обовпачепие этого коэффициента. К „, (ковффициепт ослабления синфввпой состпвяяющей). Глава 9. Оеиовы аиалоговой ехемотехиики Например, если ~К /К,! = 104, то К„= 80 дБ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
