Дифференциальный усилитель

Материал из РадиоВики - энциклопедии радио и электроники
Перейти к: навигация, поиск
Выкупить рекламный блок

Дифференциальные усилители[1] (ДУ) являются одними из наиболее часто применяемых изделий микроэлектроники в радиолюбительской практике.

Рис. 2-1. Структурная схема дифференциального усилителя.

На рис. 2-1 символически представлен ДУ, который имеет два входа и обычно два выхода. Основная задача ДУ — получить на выходе напряжение, пропорциональное лишь разности потенциалов на входах ДУ и не зависящее от их абсолютного значения, от изменения напряжения питания, температуры окружающей среды и других факторов, т.е.

0 f357b 52f1bad2 orig.png

где КуU — коэффициент усиления ДУ.

Выражение выходного напряжения не содержит постоянной составляющей входного напряжения, и теоретически ДУ не усиливает общий (синфазный) для обоих входов сигнал, так как постоянный уровень подавляется в результате вычитания и не будет влиять на выходное напряжение. Однако практически полного подавления постоянного уровня добиться трудно. Напряжение на выходе зависит в некоторой степени от синфазных входных напряжений. Это происходит из-за того, что параметры даже интегральных транзисторов и резисторов не могут быть идеально согласованы. Поэтому выражение для выходного напряжения ДУ примет вид:

0 f35a7 b05ff8e orig.png

где Kу.сф — коэффициент усиления синфазного входного напряжения; Uсф.вх — напряжение между каждым из входов ДУ и общим выводом схемы, амплитуды и фазы которых совпадают.

Коэффициент усиления напряжения — основной параметр ДУ. В зависимости от способа подключения нагрузки различают плечевой и дифференциальный коэффициенты усиления напряжения. Если нагрузка подключается к одному из выходов схемы и корпусу (несимметричное подключение нагрузки), то реализуется плечевой коэффициент усиления напряжения:

0 f35a8 d1c0e967 orig.png

При подключении нагрузки между выходами (симметричное подключение нагрузки) реализуется дифференциальный коэффициент усиления напряжения, который равен сумме двух плечевых коэффициентов усиления напряжения:

0 f35aa a427dd94 orig.png

Одним из показателей качества ДУ является коэффициент ослабления синфазного входного напряжения, который определяется выражением

0 f35ab 144d47c7 orig.png

чем выше значение Кос.сф, тем качественней ДУ по данному параметру.

Рис. 2-2. Простейшая схема дифференциального усилителя.

Простейшая принципиальная схема ДУ приведена на рис. 2-2. Усилитель состоит из дифференциального каскада, выполненного на транзисторах T1 и Т2 с нагрузочными резисторами R2 и R4. Базы транзисторов являются входами усилителя, а выходное напряжение снимается с одного из коллекторов транзисторов Т1, Т2 (несимметричное подключение нагрузки) либо нагрузка включается между коллекторами двух транзисторов (симметричное подключение нагрузки).

Сумма токов, протекающих через эмиттеры транзисторов Т1, Т2, не зависит от напряжений на входах усилителя, а целиком определяется режимом генератора стабильного тока (ГСТ), выполненного на транзисторе Т3 (R1, R3 служат для задания режима работы ГСТ, а Д1 — для температурной стабилизации рабочей точки ГСТ):

0 f35ac b043bb7e orig.png

где I0 — ток генератора стабильного тока.

При равенстве потенциалов на входе ДУ, если учесть хорошее согласование электрических параметров транзисторов Т1 и Т2 и резисторов R2 и R4, значения эмиттерных токов будут равны между собой, т.е. IЭ1 = IЭ2 = I0/2 и соответственно токи коллекторов также будут равны IK1 = IK2 = h*21I0/2, где h*21 — коэффициент передачи тока транзистора в схеме с общей базой.

Если при изменении напряжения питания усилителя или при изменении температуры потенциалы на входах ДУ изменяются на одну и ту же величину (синфазно), то это не окажет практического влияния на выходной сигнал, так как токи в цепях коллекторов не изменят своего значения. При появлении на входах ДУ разности потенциалов (дифференциальный сигнал) ток ГСТ будет перераспределяться между транзисторами Т1 и Т2 следующим образом:

0 f35ad 9bb107d2 orig.png

где Uвх = Uвх1 - Uвх2 температурный потенциал перехода база — эмиттер транзистора, равный 0,26 мВ.

Рис. 2-3. Передаточные характеристики дифференциального усилителя.

Приведенные выражения описывают передаточные характеристики ДУ, типовые графики которых приведены на рис. 2-3.

При Uвх = 0 транзисторы Т1 и Т2 сбалансированы по току IK1 = IK2 = h*21I0/2, а потенциалы коллекторов U0вых равны между собой.

В реальных микросхемах в силу неидентичности параметров транзисторов дифференциальной пары Т1, Т2 и резисторов R2 и R4 потенциалы коллекторов будут несколько различаться. Для балансировки (выравнивания потенциалов коллекторов с заданной точностью) на вход ДУ подают напряжение смещения Uсм.

Напряжения на входах ДУ вызывают токи Iвх1 по входу 1 и Iвх2 по входу 2. Эти токи могут быть разные как по абсолютной величине, так и по знаку. Средний входной ток определяют как

0 f35ae 8d0aff57 orig.png

Параметры Uсм, Iвх с изменением температуры, напряжений питания и других факторов изменяют свои значения (дрейфуют). Чем больше значения параметров inline и их дрейфов inline больше, тем несовершенней дифференциальный усилитель. Значения этих параметров определяют чувствительность ДУ — соизмеримый с ней входной сигнал не может быть различим.

При inline (рис. 2-3) передаточные характеристики близки к линейным. На этом участке коэффициент усиления при несимметричной нагрузке равен:

0 f35b2 3e76aa44 orig.png

где R — сопротивление коллекторного резистора R2(R4) и параллельно включенной с ним внешней нагрузки Rн.

Когда входное напряжение превышает inline дифференциальный каскад переходит в режим насыщения, коллекторный ток одного из транзисторов этого каскада становится практически равным нулю, а другого — h*21I0. Дальнейшее увеличение входного напряжения не изменяет распределения токов транзисторов T1 и T2.

Благодаря наличию участков насыщения на передаточных характеристиках ДУ может быть использован для построения схем ограничителя, триггера Шмитта, мультивибраторов. Схема ГСТ обеспечивает возможность регулирования коэффициента усиления ДУ путем изменения тока ГСТ при подаче управляющею напряжения на базу транзистора Т3. Изменение точка ГСТ приводит к изменению крутизны вольт-амперной характеристики SBA дифференциального каскада. При этом выходные токи ДУ будут зависеть как от входного напряжения, так и от изменения тока ГСТ. Следовательно, ДУ может использоваться как множительное устройство и применяться для построения схем смесителей и умножителей частоты, модуляции и детектирования.

Так как сопротивления коллекторных цепей транзисторов Т1 и T2 являются сравнительно большими, то это позволяет строить на основе ДУ генераторы и формирователи токов и напряжения.

Все эти свойства интегрального ДУ, а также возможность каскадирования по постоянному току позволили использовать его как универсальный базовый элемент для построения сложных аналоговых ИМС, в связи с чем ДУ выпускаются как в виде кристаллов для гибридных аналоговых микросхем, так и в виде конструктивно законченных ИМС, основные из которых представлены ниже.

Примечания[править]

  1. Аналоговые интегральные микросхемы