ДИФЕРЕНЦІАЛЬНІ ПІДСИЛЮВАЧІ

Диференціальні підсилювачі (ДУ) широко застосовуються в аналогових ІС різного типу: операційних підсилювачах (ОП), компараторах і стабілізаторах напруги, відеопідсилювачах, балансних модуляторах і демодулятор. Крім того, на основі ДУ побудовано більшість елементів цифрової еміттерно- пов'язаної логіки (ЕСЛ). Диференціальний підсилювач є вхідним каскадом ОУ та інших ІС, тому він визначає більшість найважливіших робочих характеристик ІС: напруга зсуву, вхідний струм зміщення, вхідний струм зсуву, вхідний опір, коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу, діапазон робочих частот.

Існують схеми ДУ на БТ, МОП-транзисторах і ПТУП, складових транзисторах, а також схеми з активним навантаженням і ряд інших.

ДУ на біполярних транзисторах.

При роботі ДУ велике значення має однаковість параметрів елементів симетричною схеми. Базова схема складається тільки з двох транзисторів з сполучаються емітерами, до яких під-

ключів ідеальне джерело струму, при цьому на бази подається вхідний сигнал, а між колекторами знімається вихідний (рис. 8.8). ДУ, зображений на рис. 8.8, складається з двох симетричних схемних ланцюгів, кожна з яких містить транзистор і резистор. Крім зазначених симетричних ланцюгів, в загальній емітерний ланцюга є джерело струму / 0 . Вхідним сигналом С / вх є різниця базових потенціалів £ / вх = і и - і '2 , а вихідною напругою - різниця колекторних потенціалів (7 ВИХІД = 1 / К1 - і К2 . В ДУ обидва транзистора працюють в активному режимі. Джерело струму / 0 забезпечує стабільність робочої точки транзисторів, т. е. струмів / § і напруг £ / $.

При ідеальної симетрії ланцюгів ДУ за відсутності вхідного сигналу вихідна напруга дорівнює нулю, оскільки колекторні потенціали і струми транзисторів УТ, і УТ 2 однакові через симетрії ланцюгів. Така ситуація буде зберігатися при будь-якому однаковій зміні струмів в обох гілках підсилювача, т. Е. В ідеальному ДУ дрейф вихідної напруги відсутня, незважаючи на можливий значний дрейф в кожному з плечей ДУ. Таким чином підсилювач буде стійкий на всіх частотах незалежно від температури. Будь-які зміни коефіцієнта передачі або струмів витоку в підсилювальної ланцюга транзистора УТ! компенсуються такими ж змінами в усилительном каналі транзистора УТ 2 .

Якщо на бази транзисторів УТ! і УТ 2 подаються однакові сигнали (синфазних сигнали ), то С / вих = 0, оскільки в обох транзисторах відбудуться однакові зміни параметрів і різниця і вих ~ і к1к2 ~ 0.

Якщо ж на бази подавати сигнали однакові за амплітудою, але протилежні по фазі (або по знаку), так звані диференціальні сигнали , то їх різниця ЛЗ / Б1 - ЛЗ / Б2 і буде вхідним сигналом £ / вх . В силу симетрії ланцюгів УТ! і УТ 2 сигнал £ / вх поділиться порівну між обома еміттерними переходами. На одному з них потенціал збільшиться на 0,5 £ / вх , а

Мал. 8.8

на іншому зменшиться на 0,5 £ / вх . В результаті на виході виникне напруга, оскільки збільшення колекторних потенціалів і К1 і і К2 будуть однаковими за величиною, але протилежними за знаком. Таким чином, ідеальний ДУ реагує тільки на різницевий (диференційний) сигнал; при цьому потенціал емітерів залишається незмінним, тому при аналізі ДУ його вважають заданим, а струм генератора / 0 - постійним (Я, - °°). В реальних умовах джерело струму має не нескінченне внутрішній опір Я, в результаті виникло збільшення потенціалу емітера Д і Е викликає зміна емітерного струму на величину А / 0 = ДС7 Е / Я ^ (при Я, -► оо приріст Д / () - 0 ). Ця зміна струму Д / 0 ділиться між ланцюгами транзисторів УТ, і УТ 2 і викликає збільшення колекторних потенціалів Д £ / к , і Д1 / к2 . У разі ідентичності ланцюгів ДС / К | = Л £ / К2 і на виході ДУ є тільки синфазна складова. В іншому випадку Д £ / К1 5,6 Д £ / К2 і на виході ДУ поряд з синфазної складової з'явиться паразитна диференціальна складова. Симетрія, т. Е. Ідентичність ланцюгів УТ, і УТ 2 ДУ, найлегше досягається в ІС. Однак навіть якщо обидва транзистора виконані на одному кристалі, вони не будуть абсолютно однаковими, тому навіть за відсутності вхідного сигналу на виході буде присутній деяка напруга, яке зазвичай називають напругою зміщення і см ; воно визначається формулою £ / см = <р г 1п (/ 01 // 02 ), де / 01 і / 02 - відповідно теплові струми емітерний переходів першого і другого транзисторів.

Передатна характеристика. Розглянемо передавальний і вхідні статичні характеристики ДУ. Передатна характеристика, що представляє собою залежність вихідних струмів /, = / К1 і / 2 = / К2 від вхідної напруги £ / вх з урахуванням зсуву £ / см , т. Е. Від величини і ' вх =вх - £ / см , представлена на рис. 8.9. З цієї характеристики видно, що ДУ є нелінійним пристроєм. Однак в обмежених областях передавальної характеристики / 1 = / (С / вх ) або / 2 = Д £ / вх ) залежність між струмами і вхідною напругою можна вважати приблизно лінійної (область від С / вх = -30 мВ до £ / вх = 30 мВ на рис. 8.9). Таким чином, для малих сигналів ДУ є лінійним устрой-

Мал. 8.9

ством. Вхідна характеристика А / вх = / (£ / || Х ) збігається за формою з передавальної.

Розглянемо деякі з параметрів ДУ. Головним параметром ДУ є коефіцієнт посилення (К). Оскільки потенціал емітерів при подачі диференціального сигналу залишається незмінним, а, для змінних складових, він взагалі дорівнює нулю, то коефіцієнт посилення ДУ рівний коефіцієнту посилення кожного плеча, бо кожне плече посилює сигнал величиною 0,5 Ц вх .

Коефіцієнт посилення по напрузі визначається як відношення вихідного і вхідного сигналів, т. Е. До = і них / і вх . Вихідним сигналом ДУ є змінна складова напруги колектора, яка дорівнює 11 до = £ / вь | Х = -ос / Г) Л до , а вхідним - потенціал бази £ / вх = / ее + (1 - а) (Я г + г Б )), де г е - диференційний опір емітерного переходу, Я г - внутрішній опір джерела сигналу, г Б - об'ємний опір бази (див. гл. 4).

В результаті вираз для коефіцієнта посилення набуде вигляду

У разі низькоомних джерел сигналу і невеликих робочих струмів другим доданком в знаменнику вираження (8.14) можна знехтувати, тоді

Вхідний опір ДУ визначається окремо для диференціальної і синфазної складових. Для диференціальної складової вхідний опір Я вх д одно подвоєному вхідному опору кожного плеча ДУ. Оскільки кожне плече ДУ є схемою з ОЕ, то згідно з поданням транзистора, як чотириполюсника в схемі з ОЕ вхідний опір - це параметр Л 11Е (див. Гл. 4), тому

При малих токах диференціальне опір емітерного переходу г е багато більше, ніж при великих, тому для збільшення Я вх д необхідно використовувати ДУ в режимі малих струмів.

Для синфазної складової вхідний опір Я вх з визначається опором Я, джерела струму / 0 . Тоді Я вх з можна обчислити за формулою

Динамічний діапазон - відношення мінімально можливого і максимального вхідних сигналів. Це ставлення часто висловлюють в децибелах. Мінімальний сигнал обмежується власними шумами, а максимальний - спотвореннями форми сигналу (нелінійні спотворення). Наближено можна оцінити максимально допустимий сигнал, користуючись передавальної характеристикою ДУ (див. Рис. 8.9)

Для роботи підсилювача необхідна навантаження. У розглянутих ДУ в якості навантаження виступали резистори в колекторних ланцюгах. Таке навантаження називається пасивною. Однак навантаження може бути і активної (динамічної ), коли в якості навантаження виступають транзистори. Необхідність використання транзисторів в якості навантаження викликана тим, що для отримання великого коефіцієнта посилення слід використовувати резистори з великим номіналом. Однак використання великого опору навантаження в ІС призводить до ряду труднощів. В ІС площа, необхідна під резистор, пропорційна його опору, т. Е. Резистор з більшим опором займає надто багато місця на кристалі. Крім цього, резистор з великим номіналом має і значну паразитне ємність.

Це призводить до великого значення постійної часу ДС, що накладає обмеження на частотну характеристику підсилювача. Крім перерахованих недоліків, для нормальної роботи ДУ транзистори завжди повинні залишатися в активному режимі і не потрапляти в область насичення, що викликає обмеження вхідного базового напруги. Ця напруга має бути таким, щоб перехід колектор-база був зміщений в прямому напрямку не більше, ніж на 0,5 В.

В результаті напруга на колекторі буде багато менше напруги джерела живлення, а це призводить до значного зменшення діапазону зміни вхідного напруги ДУ.

Через наявність зазначених недоліків в ДУ ІС використовують активну (динамічну) навантаження. Приклад ДУ на біполярних транзисторах УТ 2 і УТ 2 з активним навантаженням (також з біполярних транзисторів УТ 3 і УТ 4 ) наведено на рис. 8.10, де УТ 3 включений за диодной схемою. Таке поєднання УТ 3 і УТ 4 , як зазначалося в п. 8.2, називається струмовим дзеркалом. Якщо транзистори УТ 3 і УТ 4 абсолютно ідентичні і напруги база-емітер у них рівні, то в цьому випадку колекторні струми обох транзисторів однакові, т. Е. / 3 = / 4 . Отже, будь-який струм через УТ 4 буде * дзеркальним відображенням "струму через УТ 3 . Аналіз такої схеми показує, що коефіцієнт посилення змінної напруги такого каскаду ДУ дорівнює К = 2gR н > де R u визначають транзистори УТ 3 і УТ 4 , а g = / 1 / 2 / [(^ 1 + ^ 2) ФГ1 - пе "редаточная провідність. Таким чином, К в ДУ з активним навантаженням вдвічі більше, ніж з постійною резистивной.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >