Дифференциальный усилительный каскад

Дифференциальный усилительный каскад (ДУ) или усилитель разности – это УПТ выполненный по параллельно-балансной схеме с эмиттерной связью (рис. 3). Основной частью этого схемного построения является эмиттерно-связанная пара транзисторов VT₁ и VT₂ с идентичными (согласованными) характеристиками. По существу это двухкаскадный усилитель, у которого используется общий эмиттерный резистор R₀. Типовое его включение предполагает использование двух разнополярных источников питания Е_ИП1 и Е_ИП2.

Применение разнополярных источников даёт возможность работы как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами и получать разнополярное выходное напряжение U_ВЫХ, симметричное относительно нулевого уровня. Кроме того, такой вариант питания позволяет при отсутствии входного сигнала сделать базовые потенциалы равными нулю, тогда усилители напряжения на входах становятся излишними, если входные источники обеспечивают цепь для постоянных базовых токов.

В качестве основного токозадающего источника, определяющего ток I₀ и, соответственно, начальные коллекторные токи I_K1A, I_K2A, выступает источник Е_ИП2.

(1)

Начальные напряжения смещения U_БЭА должны быть такими, чтобы транзисторы не заходили в режим отсечки и насыщения, т.е. работали в режиме класса А. Для маломощных кремниевых транзисторов это обычно 0,6…0,7 В.

В силу симметрии схемы, в коллекторных и эмиттерных цепях протекают одинаковые токи

(2)

Каскад имеет два входа, на которых действуют два входных напряжения U_ВХ1 и U_ВХ2. Эти напряжения могут быть либо постоянными, либо переменными, либо комбинацией того и другого. Разность этих напряжений называют дифференциальным (разностным) сигналом U_Д.

(3)

Если входные напряжения равны по величине и имеют разные знаки (противоположные фазы), то их называют парафазными. Например, при гармоническом воздействии парафазных сигналов имеют вид

(4)

В этом случае дифференциальный (разностный) сигнал максимален

Если входные напряжения имеют одинаковые и величину, и знак (фазу), то их называют синфазными.

(5)

В этом случае дифференциальный сигнал равен нулю

а напряжения на базе изменяются синфазно относительно друг друга и в любой момент времени потенциалы баз одинаковы.

Синфазные напряжения на базе U _СФ определяются как средние арифметическое двух входных напряжений

(6)

При парафазном воздействии (4) синфазные напряжения равны нулю

При воздействии (5) синфазные напряжения максимальны

В общем случае из совокупности входных сигналов U_ВХ1 и U_ВХ2 можно выделить дифференциальную (3) и синфазную (6) составляющую. Дифференциальная составляющая U _Д характеризует различие (асимметрию) сигналов U _ВХ1 и U _ВХ2, а синфазная U _СФ – степень их совпадения (симметрии).

Пример 6.1. На входах действуют постоянные напряжения U _ВХ1 = = 10 В, U_ВХ2 = 4 В. Определить дифференциальную и синфазную составляющую входных сигналов.

Р е ш е н и е

1. Определим по (6.3) дифференциальную составляющую

2. Найдём по (6.6) синфазную составляющую

На рис. 6.4 показан график поясняющий решение примера 6.1.

На входе ДУ ничего не изменится, если два сигнала U_ВХ1 = 10 В и U_ВХ2 = 4 В заменить двумя парафазными сигналами 3 В и –3 В, образующими дифференциальную составляющую в 6 В, и синфазным напряжением U _СФ = 7 В, действующим на обеих базах.

В качестве выходного напряжения U_ВЫХ используется разность потенциалов коллекторов транзисторов

(7)

Для того, чтобы найти связь между выходным и входными напряжениями рассмотрим, что происходит в схеме ДУ при синфазных и парафазных сигналах на входах. Перед анализом работы заметим, что элементы схемы образуют мост (рис.6.5), в одну диагональ которого включён задающий ток I₀, а в другую выходные клеммы и , на которых действует выходное напряжение U_ВЫХ.

При условии баланса моста

(6.8)

потенциалы точек и равны, следовательно, выходное напряжение равно нулю. Нарушение условия (6.8) приводит к разбалансировке моста и появлению выходного напряжения пропорционального возникшему разбалансу. Он может вызываться, например, изменением выходных сопротивлений транзисторов R_VT1 и R_VT2, которые, в свою очередь, зависят от входных напряжений U_ВХ1 и U_ВХ2. Пусть на входах транзисторов действуют только синфазные сигналы (6.5). В этом случае, как мы уже отмечали, потенциалы баз в любой момент времени взаимно равны. Если они растут, то R_VT1 и R_VT2 уменьшаются. Коллекторные токи в плечах моста получают одинаковые положительные приращения Эти приращения складываются в резисторе R₀ и создают на нём напряжение последовательной ООС.

(6.9)

Т.е. формально можно считать, что напряжение ООС создаётся на резисторе R_ОС = 2R₀.

Это напряжение увеличивает потенциал эмиттеров транзисторов, компенсируя тем самым рост потенциалов баз и возвращая коллекторные токи к прежним значениям. В результате баланс моста не нарушается, выходное напряжение остаётся равным нулю. Тоже самое происходит и при уменьшении синфазного напряжения. Отрицательные приращения коллекторных токов создают напряжение ООС на R₀, которое уменьшает потенциал эмиттеров синхронно с уменьшением потенциалов баз, возвращая коллекторные токи к начальным значениям. Выходное напряжение тоже остаётся равным нулю.

Итак, в идеальном случае, при полном совпадении параметров транзисторов и резисторов R_K, воздействие синфазной составляющей входных сигналов компенсируется полностью последовательной отрицательной обратной связью по току, возникающей на элементе R₀. Потенциалы выходных зажимов и не изменяются. Отсюда следует очень важный вывод: дифференциальный усилитель не усиливает синфазные сигналы, а в идеальном случае подавляет их до нуля. Отметим, что потенциалы зажимов и не будут изменяться только при условии неизменности задающего тока I₀, а для этого элемент обратной связи R₀ должен обладать свойством источника тока: - при изменении напряжения на нём, ток I₀ должен остаться постоянным, что в обычном резисторе невозможно.

Рассмотрим, как реагирует схема ДУ, если на входах действуют парафазные сигналы? Парафазные сигналы, например (6.4), вызывают на входах ДУ приращения напряжений противоположных знаков. Поэтому приращения коллекторных токов тоже имеют противоположные знаки. Баланс моста нарушается, появляется выходное напряжение.

(6.10)

На общем эмиттерном резисторе R₀ изменения эмиттерных токов даёт приращение напряжения

Если считать схему симметричной, то , поэтому

Отсутствие этого напряжения говорит о том, что в полностью симметричных ДУ, как по постоянному, так и по переменному току, действие ООС отсутствует.

На основание сказанного можно сделать следующий вывод: дифференциальная разностная составляющая входных сигналов в дифференциальном каскаде получает усиление. Поэтому ДУ часто называют усилителем разности.

Примечания: 1. Выход ДУ при подключении нагрузки к зажимам , рис. 6.3, является симметричным. Однако в ДУ можно использовать в качестве выходного напряжения, любое из коллекторных напряжений U_K1 или U_K2, В этом случае выход каскада будет несимметричным. Нетрудно заметить, что при U_ВЫХ = U_К2, первый вход будет прямым, а второй – инверсным, т.к. U_К2 и U_ВХ2 находятся в противофазе а U_К2 и U_ВХ1 в фазе (рис. 6.6).

2. У двух транзисторов при равных токах I_K напряжения база-эмиттер U_БЭ хоть и незначительно, но отличаются. Поэтому разность выходных напряжений U_ВЫХ = U_K2 – U_K1 не равна нулю при U_Д = 0. Для того, чтобы выполнялось равенство U_K2 = U_K1 на дифференциальный вход необходимо подать некоторое напряжение U_ВХ0 называемое напряжением разбаланса. Обычно это несколько милливольт. Имеются различные возможности приведения к нулю напряжения разбаланса ДУ. Ознакомимся с некоторыми из них при изучении конкретных схем.

Дата добавления: 2014-01-03