Параметры и характеристики дифференциального усилителя

К основным параметрам ДУ относятся: коэффициент усиления дифференциального сигнала К_Д, коэффициент усиления синфазной составляющей входного сигнала К_СФ и коэффициент подавления синфазной составляющей К_{П СФ}. Представляют также практический интерес входное сопротивление и выходное сопротивление ДУ.

Найдём коэффициент усиления дифференциального сигнала при условии полной симметрии схемы и парафазных сигналах на входах.

Анализ схемы в предыдущем разделе показал, что в этом случае ООС отсутствует и поэтому коэффициент усиления находим как для обычного каскада с ОЭ. По определению

(6.11)

Используя (6.10), получим

Подставим полученное в (6.11) и найдем выражение для К_Д

(6.12)

Обычно коэффициент усиления дифференциального сигнала имеет величину до 40 дБ.

Таким образом, в ДУ можно обеспечить достаточно большое усиление разностной составляющей входных напряжений которая является полезным сигналом

Обычно коэффициент усиления дифференциального сигнала имеет величину до 40 дБ.

Коэффициент усиления синфазных напряжений по определению является отношением выходного напряжения к синфазному воздействию

(6.13)

Так при синфазных напряжениях на базах в ДУ действует последовательная ООС по току, то в соответствии с результатами анализа усилителей с ОС, полученными в п.3, запишем

(6.14)

где К_ПП – коэффициент прямой передачи без ОС;

(6.15)

К_ОП – коэффициент обратной передачи (связи);

(6.16)

Подставим (6.15) и (6.16) в (6.14) и получим

(6.17)

Чем меньше К_СФ, тем качественнее ДУ, так как действие синфазного напряжения эквивалентно действию дестабилизирующих факторов на УПТ. Например, при неизменном коллекторном токе и повышении температуры напряжение база-эмиттер каждого транзистора уменьшается на 2 мВ на каждый градус. Это эквивалентно тому, что напряжение синфазного сигнала величиной 2 мВ прикладывается ко входу ДУ, построенного на транзисторах с нулевым температурным коэффициентом. Оно появляется на выходе усиленным в К_СФ как дрейф выходного напряжения. Чем больше ослабление синфазного сигнала, тем меньше дрейф выходного напряжения. Следовательно, температурный дрейф U_БЭ усиливается значительно меньше, чем разность входных сигналов. На этом основано применение ДУ в качестве усилителей постоянного тока. Для получения малого дрейфа необходимо, чтобы два наиболее близких по своим параметрам экземпляра транзисторов работало и при одинаковой температуре. Наиболее просто это реализуется с помощью пары транзисторов, выполненных в едином кристалле.

Типовое значение коэффициента усиления синфазного сигнала – 10^-3 … 10^-4.

Параметром качества дифференциального усилителя является коэффициент подавления синфазной составляющей входного напряжения ДУ. Под этим коэффициентом понимают отношение приращений синфазного напряжения к дифференциальному, вызвавших одинаковое изменение выходного напряжения ДУ.

(6.18)

С учётом (6.12) и (6.17) получим

(6.19)

Типовая величина К_{П СФ} в современных ДУ достигает 10⁴ … 10⁵, т.е. 80…100 дБ, при этом дрейф нуля не превышает единиц милливольт. Например, при А/В и Ом, или 80 дБ.

Таким образом, из проведённого анализа и полученных соотношений (6.17) и (6.19), вытекают два направления снижения дрейфа нуля дифференциального усилителя. Подбор пар транзисторов с одинаковыми параметрами и увеличение R₀. Реализация первого направления достигается чисто технологическим путём за счёт одовременного изготовления обоих транзисторов ДУ на общем кристалле, т.е. применением интегральной технологии. Второе направление не может быть решено технологическим путём. Увеличение R₀ наталкивается на ограничения, связанные с максимально допустимым уровнем напряжения питания.

Например, если R₀ = 10⁵ Ом, I₀ = 1 мА, то из (6.1) следует

Если не увеличивать Е_ИП, то увеличение R₀ вызывает уменьшение I₀, а, следовательно, и коллекторных токов. Это ухудшает усилительные свойства каскада. В связи с этим в эмиттерную цепь целесообразно вместо резистора R₀ включать схему, называемую генератором стабильного тока (ГСТ).

Схема ГСТ способна создавать требуемые значения тока I₀ при относительно невысоких напряжениях источника питания. В то же время она является высокоомным источником постоянного тока, т.е. двухполюсником, в котором ток I₀ не зависит от приложенных к нему потенциалов, в том числе и от потенциала U_Э эмиттеров транзисторов VT₁ и VT₂ в схеме рис. 6.3, изменяющегося под воздействием входных сигналов. На рис. 6.7,а приведена одна из типовых схем ГСТ, применяемая в ДУ.

Рис. 6.7. Генератор стабильного тока

Основным функциональным звеном, обеспечивающим в ГСТ определённое и стабильное значение выходного тока I₀ и высокоомное сопротивление R₀, является выходная цепь транзистора VT₃, включённого по схеме с ОЭ и охваченного цепью последовательной ООС по току, образованной резистором R₃. Делитель R₁R₂ создаёт необходимое смещение на базе VT₃, определяющее величину тока I₀. Изменение коллекторного напряжения (рис. 6.7,б) почти не вызывает изменения тока I₀. Чем больше R₃, тем меньше . Выходное дифференциальное сопротивление R₀ в этой схеме определяется соотношением

(6.20)

Так для маломощного биполярного транзистора, наиболее типичными значениями g - параметров являются: g_21Э 10² мА/В, g_22Э 10^-4 См, это при R₃ = 1 кОм позволяет получить R₀ 10⁶ Ом.

Часто в интегральных ДУ используются в качестве ГСТ, так называемое «зеркало» («отражатель») тока (рис. 6.8).

«Токовым зеркалом» называют электронное устройство с одним входом и одним или несколькими выходами, выходной ток (или токи) которого повторяют как по величине, так и по направлению его входной ток. Это, по существу, управляемый током источник тока, коэффициент передачи которого равен единице (см. п.7.1.2).

Основу схемы составляют транзисторы VT₁ и VT₂ с идентичными параметрами. Транзистор VT₁ используется в диодном включении. Оба транзистора работают в активном режиме, поэтому их коллекторные токи связаны соотношениями

Так как параметры транзисторов считаем полностью одинаковыми, то из очевидного условия следует, что

Для входного тока справедливо равенство

Типовой коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ для современных транзисторов удовлетворяет условию . Поэтому с достаточной, с инженерной точки зрения, точностью можно записать

(6.21)

В свою очередь

(6.22)

где .

Таким образом, ток I₀ устанавливается элементами E_ИП и R.

(6.23)

Это полагает требование стабилизировать E_ИП и точно подобрать номинал резистора R.

Заметим, что для получения I₀ величиной порядка микроампер потребуется иметь R порядка мегаом, что получить в полупроводниковой подложке интегральной схемы почти невозможно. Для получения практически приемлемых параметров схемы ГСТ усложняется: вводится последовательная отрицательная обратная связь по току (рис. 6.9).

Из схемы на рис. 6.9 следует равенство

Из него получаем значение выходного тока

(6.24)

Например, если Е_ИП1 = Е_ИП2 = 5 В, R ₁ = = 50 кОм, R ₂ = 1 кОм, R ₃ = 10 кОм.

мА.

мкА.

В этом примере «зеркало» уменьшает входной ток в десять раз.

Влияние ДУ на выходы предшествующих ему каскадов и схем осуществляют с помощью его входных сопротивлений для дифференциальной R _ВХД и синфазной R _{ВХ СФ} составляющих сигналов U _ВХ1 и U _ВХ2. Найдём сопротивления R_ВХД и R_{ВХ СФ}.

Пусть сигналы U_ВХ1 и U_ВХ2 парафазны. Они вызывают согласно рис.6.10 появление на входах равных по величине и противоположных по направлению токов I_ВХ1 и I_ВХ2.

В этих условиях входные сопротивления R_ВХ1 и R_ВХ2 равны между собой.

Их значения можно определить с помощью соотношений для входного сопротивления схемы с ОЭ при последовательной ООС по току (см. п.3.2).

(6.25)

где R_Э – сопротивление в цепи эмиттера VT₁ (рис. 6.3), образованное резистором R₀ и параллельно подключённым к нему входным сопротивлением транзистора VT₂ включённым по схеме ОБ, которое, как известно, равно 1/g _21Э.

(6.26)

После подстановки (6.26) в (6.25) получим

(6.27)

Дифференциальное входное сопротивление равно сумме входных сопротивлений R_ВХ1 и R_ВХ2, т.к. оно определяется как сопротивление между входами схемы.

(6.28)

У дифференциальных усилителей на биполярных транзисторах входное сопротивление для дифференциального сигнала R_ВХД составляет величину от сотен ком до единиц мегаом. Входное сопротивление для синфазного сигнала определяется как сопротивление между объединёнными входами и нулевой шиной (рис. 6.11).

Рис. 6.11. Синфазное входное сопротивление ДУ

Таким образом, входное сопротивление ДУ для синфазной составляющей можно рассматривать как входное сопротивление схемы на некотором эквивалентном транзисторе VT_ЭКВ, образованном двумя параллельно включёнными VT₁ и VT₂, включённого по схеме ОЭ с глубокой ООС по току. При этом в качестве элемента ОС выступает элемент с сопротивлением R₀.

(6.29)

где - параметры VT_ЭКВ.

Сравнивая (6.28) и (6.29) и учитывая, что двухполюсник R₀ является высокоомной цепью, можно отметить, что входное сопротивление для синфазной составляющей входных сигналов U_ВХ1 и U_ВХ2 велико и во много раз превышает входное сопротивление для дифференциальной составляющей этих сигналов. Обычно R_{ВХ СФ} имеет порядок от единиц мегаом до гигаом.

Дата добавления: 2014-01-03