«Дифференциальные и операционные усилители» (стр. 2 из 9)

Рис. 3

1.2 Дифференциальный каскад на полевых транзисторах

Для многих областей применения необходим ДК с высоким входным сопротивлнием. Для этого можно было бы использовать биполярные транзисторы включенные по схеме Дарлингтона (схема с ОЭ). Но гораздо лучшие результаты могут быть достигнуты при использовании полевых транзисторов. Полевые транзисторы с изолированным затвором позволяют достигнуть входных сопротивлений порядка едениц и десятков гигаом. Но эти транзисторы обладают значительной емкостью и редко применяются в ДК. Транзисторы с p-n переходом гораздо дешевле проще в

изготовлении, проще в управлении и обладают достаточно большим входным сопротивлением, входной ток значительно ниже чем у ДК на биполярных транзисторах. Но несмотря на это хуже стабильность выходного напряжения сдвига. Эти транзисторы очень часто применяются во входных каскадах опрерационных усилителей. Типовая схема ДК, выполненного на полевых транзисторах с p-n переходом, представлена на рис.4. Схемотехнически каскад реализован так же как и ДК на биполярных транзисторах.

Рис.4

Полевые транзисторы применяемые в ДК необходимо либо подбирать по параметрам с высокой точностью, либо использовать согласованные пары изготовленные в едином кристалле. Это связано с тем, что напряжение отсечки и ток насыщения зависят от разброса толщины канала намного больше, чем ток насыщения и коэффициент усиления по току для биполярного транзистора от толщины его базы. Важным недостатком ДК на полевых транзисторах является невозможность применения достаточно простой компенсации сдвига уровня и температурного коэффициента. Как правило требуется индивидуальная подгонка и применение прецизионных резисторов (в случае согласованной пары).

1.3 Генератор стабильного тока в дифференциальном усилителе

ДК на рис.3 имеет низкое значение коэффициента ослабления синфазного сигнала. Для повышения значения этого коэффициента согласно (9) необходимо увеличивать сопротивление резистора R₀ . Но непосредственное увеличение сопротивления этого резистора вызывает уменьшение коллекторных токов и соответственно ухудшение усилительных свойств каскада. В связи с этим в эмиттерную цепь целесообразно включить схему, называемую генератором стабильного тока (ГСТ).

а) б)

Рис. 5

Схема ГСТ способна создавать требуемые значения тока I₀ при относительно невысоких напряжениях источника питания -Е_п . 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 понтециалоа U_э эмиттеров транзисторов VT1 и VT2 в схеме рис.3.

На рис.4 приведены типовые схемные конфигурации, предназначенные к использованию в качестве схем ГСТ в ДК типа рис.3 и ему подобных.

Основным функциональным звеном, обеспечивающим в ГСТ определенное стабильное значение выходного тока I₀ и высокоомное сопротивление R₀ , является выходная цепь транзистора VT3, включенного по схеме ОЭ (рис.5,а) или ОИ (рис.5,б). Выходное дифференциальное сопротивление R₀ этих схем включения транзисторов велико и может достигать значения R₀=(1+g₂₁R_f)/g₂₂≈g₂₁R_f/g₂₂.

Кроме того применение ГСТ позволяет работать ДК в широком диапазоне входных напряжений

(даже близких к Е_п) при незначительном коэффициенте нелинейных искажений (практически отсутствуют). ГСТ на основе биполярного транзистора обладает большей стабильностью при изменении питающих напряжений, поэтому он болле предпочтителен, но использование полевого транзистора позволяет упростить схему.

1.4 Дифференциальный каскад с дифференциально подключенной нагрузкой

Рассмотренный выше ДК имел несимметричный выход, т.е сигнал снимался с коллектора одного из транзисторов относительно общего зажима. Часто работа схемы ДК организована таким образом, что в качестве выходного сигнала выступает разность потенциалов u_аб между его выходными зажимами а и б, как показано на рис.6,а. Такой способ выделения выходных сигналов называется дифференциальным (ДК с симметричным выходом). При дифференциальном способе выделения сигналов ДК между коллекторами (стоками) его транзисторов оказывается подключенным дополнительный двухполюсник R_н , через который в случае ненулевого значения разности потенциалов u_аб протекает ток i_н=u_аб/R_н .

а) б)

Рис. 6

Схема на рис.6,а характеризуется дифференциальным К_д=u_аб/(u_вх+-u_вх-) и синфазным коэффициентом передачи К_с=u_аб/[(u_вх++u_вх-)/2]. Кроме того коллекторные резисторы равны, т.е. R_k1=R_k2=R_k. При таком представлении ДК исходные значения потенциалов точек а и б одинаковы, разность потенциалов u_аб равна нулю и через нагрузку ток не протекает.

Воздействие синфазного сигнала на входы ДК не вызывает нарушения симметрии плеч, т.е. равновеликого распределения тока между эмиттерными цепями транзисторов. Потенциалы точек а и б в ответ на воздействие синфазного сигнала могут претерпевать изменения, но эти изменения оказываются одинаковыми, в результате чего разность потенциалов u_аб на нагрузке R_н и протекающий через нее ток по прежнему сохраняют нулевые значения. Таким образом, синфазная составляющая сигналов u_вх+ и u_вх- не оказывает влияния на значения выходного напряжения и тока.

Появление на входе ДК дифференциального сигнала u_д вызывает ассиметрию в распределении тока между эмиттерными цепями транзисторов. При этом коллекторные потенциалы u_а и u_б транзисторов претерпевают одинаковые, но пртивофазные изменения, а потенциалы в точках в и г остаются неизменными. На рис.6,б представлена эквивалентная схема каскада, отражающая его работу на переменном токе в условиях, когда синфазная составляющая равна нулю. ПО схеме видно, что для дифференциального сигнала в роли эквивалентного сопротивления коллекторной нагрузки каждого плеча выступает параллельное соединение сопротивления R_k и R_н/2. В соответствии с этим и (8) изменения потенциалов в точках а и б могут быть вычислены по формуле u_а=-u_б=u_дg₂₁R_эк/2, при этом u_аб=u_а-u_б=2u_а=u_дg₂₁R_эк , i_н=u_аб/R_н=u_дg₂₁R_эк/R_н , где R_экв=R_нR_к/(R_н+2R_к).

Все приведенные выше вычисления справедливы для малосигнального режима работы ДК.

1.5 Разбаланс дифференциального каскада

У двух транзисторов при равных токах I_к напряжения база — эмиттер U_бэ отличаются незначительно. Поэтому разность выходных напряжений не в точности равна нулю при U_д =0. Напряжение разбаланса U₀ представляет собой разность входных напряжений, которую необходимо приложить для того, чтобы выполнялось равенство U_а=U_б . При использовании пары согласованных транзисторов (в одном кристалле) и согласованных коллекторных сопротивлений, то типовое значение напряжения разбаланса будет находится в пределах нескольких милливольт.

Рис. 7

На рис.7 приведена схема компенсации разбаланса. В этой схеме для компенсации разбаланса к одному из входов прикладывается постоянное напряжение, снимаемое с потенциометра Р. Для удобства установки малых напряжений дополнительно подключается необходимый делитель напряжения. Недостатком такой схемы является лишь один доступный вход. Если требуются оба входа, то различие между напряжениями эмиттер — база устраняется с помощью эмиттерных сопротивлений. Для этого служит потенциометр Р₁ .

Но одновременно сбалансировкой он обеспечивает отрицательную обратную связь по току аналогично резистору R_э . Если это нежелательно, то сопротивление потенциометра выбирают меньше 1/S, где S – крутизна. Третья возможность выравнивания напряжения база — эмиттер состоит в том, чтобы обеспечить различные значения коллекторного тока. Для этого служит потенциометр Р₂ . Этим способом можно отрегулировать напряжение разбаланса до нуля.

При неизменном коллекторном токе и повышении температуры напряжение база — эмиттер каждого транзистора начинает уменьшаться. Это эквивалентно тому, что такое же синфазное напряжение прикладывается ко входу ДК, построенному на транзисторах с нулевым температурным коэффициентом. Оно появляется на выходе усиленным в К_с раз как дрейф выходного напряжения. Чем больше ослабление синфазного сигнала, тем меньше дрейф выходного напряжения. Следовательно, температурный дрейф U_бэ усиливается значительно меньше, чем дифференциальный входной сигнал. На этом основано применение дифференциальных усилителей в качестве усилителей постоянного тока (УПТ).

При равных коллекторных токах два транзистора одного типа никогда не имеют абсолютно одинаковых температурных коэффициентов. В связи с этим наряду с напряжением синфазного сигнала появляется разностное напряжение дрейфа, которое по сравнению с величиной температурного коэффициента может быть уменьшено на несколько порядков. Как и полезный сигнал, оно усиивается в К_д раз. Для получения малого дрейфа необходимо, чтобы два наиболее близких по своим параметрам транзистора работали при одинаковой температуре. Наиболее просто это реализуется с помощью пары транзисторов выполненных в едином кристале. В то время как в паре отдельных транзисторов дрейф напряжения разбаланса достигает 100мкВ/К, в сдвоенных транзисторах он составляет 0,1-5мкВ/К.