Дифференциальные усилительные каскады

Дифференциальный каскад является основой балансных модуляторов, перемножителей аналоговых сигналов, генераторов гармонических и релаксационных колебаний (мультивибраторов).

I_э1+I_э2=I_o

I_к1+I_к2=h_21б*I_o

I_к1=h_21б*I_o(1+e^{-Uд/j т})^-1

I_к2=h_21б*I_o(1-e^{-Uд/j т})^-1 (1)

j T =KT/q; U_д=U_вх1-U_вх2

Дифференциальный каскад состоит из пары согласованных транзисторов VT1, VT2, нагрузкой которых являются сопротивления: R_к1, R_к2.

R_к1=R_к2=Rк.

Для стабилизации усилительного каскад а используется сопротивление R_э, на котором создается падение напряжений двух токов эмиттера.

R_б1, R_б2 - выполняют роль подачи смещения на базу.

Для питания используется два источника, что позволяет скомпенсировать 0 на выходе при отсутствии сигнала.

Е_п1=Е_п2 - в стандартных схемах 6В, 10В, 15В.

Входы транзисторов возбуждаются парафазным напряжением.

Усилительные свойства дифференциального каскад а

Для их установления при использовании эквивалентных схем обычных однотактных усилителей используется теорема Мидл Брука, сущность которой заключается в том, что дифференциальные усилители делятся симметрично на две однотактные полусхемы для дифференциального и синфазного сигналов.

1. Симметричный выход, симметричный вход.

Эквивалентная схема:

R_н>>Rк

K_c= 2SR_к

R_вых » r_кэ II 2R_к

2) При несимметричном выходе

K_н=SR_к

R_вых » r_кэ II R_к

При несимметричном входе одна из баз транзистора заземляется конденсатором С_б.

ХС_б<<R_б

1. 3) Для синфазного сигнала

R_{вых сс}=R_к II r_кэ(1+2SR_э)

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (синфазный сигнал в дифференциальном каскад е является паразитным)

Ослабление сигнала не менее 70-80дБ. Чтобы увеличить КОСС дифференциального каскад а вместо R_э включают ГСТ (генераторы стабильного тока).

Пример: R_э=1кОм, S=50мА/В

R_эГСТ=50(1+SRэ)=50(1+50)=2500(кОм)

R_ГСТ увеличивается, что и позволяет получить высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС. Подавая на ГСТ сигнал U_вх3, U_вх4 расширяются функциональные возможности дифференциального каскад а.

R_ГСТ увеличивается за счет включения его в эмиттерную цепь сопротивления.

R_{вых гстОС}= R_{вых гст}(1+SR_э).

Напряжение смещения дифференциального каскад а

Напряжение смещения дифференциального каскад а вызвано разностью напряжений на плечах каскад а. Даже при отсутствии на входе сигналов на выходе возникает напряжение смещения.

U_{вых см}=SR_кU_см (*)

При условии R_вх1=R_вх2:

Из (*) следует, что смещение на выходе обусловлено следующими факторами:

1) Разностью коэффициентов усиления транзисторных плеч.

1. Разностью значений крутизны транзистора.

2. Разностью напряжения

U_бэ.

3. Разностью входных сопротивлений

4. Разностью входных токов.

Входное сопротивление дифференциального каскад а

R_{вх дк~} r_б+r_бэ

R_{вх сс»} r_б+r_бэ(1+2SR_э)

R_э=R_гст

Выходное сопротивление

Для симметричного выхода:

R_выхс=2R_кэII2R_к» 2R_к;

Для несимметричного выхода:

R_{вых несим} = r_кэ II R_к » R_к.

23) Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокойотрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

Обозначение операционного усилителя на схемах

В переводе с латинского одним из значений слова «inversio» является «оборачивание», «переворот». Иными словами, инверсия — это зеркальное отражение (отзеркаливание) сигнала относительно горизонтальной оси Х (оси времени). На Рис. 1 показаны несколько из множества возможных вариантов инверсии сигнала, где красным цветом обозначен прямой (входной) сигнал и синим — проинвертированный (выходной).

Рис. 1 Понятие инверсии сигнала

Особо следует отметить, что к нулевой линии (как на Рис. 1, А, Б) инверсия сигнала не привязана! Сигналы могут быть инверсными и асимметрично. Например, оба только в области положительных значений (Рис. 1, В), что характерно для цифровых сигналов или при однополярном питании (об этом речь идти будет дальше), или оба частично в положительной и частично — в отрицательной областях (Рис. 1, Б, Д). Возможны и другие варианты. Главным условием является их взаимная зеркальность относительно какого-то произвольным образом выбранного уровня (например, искусственной средней точки, о которой речь также будет вестись дальше). Иными словами, полярность сигнала тоже не является определяющим фактором.

Изображают ОУ на принципиальных схемах по-разному. За рубежом ОУ раньше изображались, да и сейчас очень часто изображаются в виде равнобедренного треугольника (Рис. 2, А). Инвертирующий вход — символом «минус», а неинвер­тирующий — символом «плюс» внутри треугольника. Эти символы совершенно не означают, что на соответствующих входах потенциал должен быть более положительным или более отрицательным, чем на другом. Они просто-напросто указывают, как реагирует потенциал выхода на потенциалы, подаваемые на входы. В итоге их легко спутать с выводами питания, что может оказаться неожиданными «граблями», особенно для начинающих.

Рис. 2 Варианты условных графических изображений (УГО)
операционных усилителей

В системе отечественных условных графических изображений (УГО) до вступления в силу ГОСТ 2.759-82 (СТ СЭВ 3336-81) ОУ также изображались в виде треугольника, только инвертирующий вход — символом инверсии — кружочком в месте пересе­чения вывода с треугольником (Рис.2, Б), а сейчас — в виде прямоугольника (Рис.2, В).

При обозначении ОУ на схемах инвертирующий и неинвертирующий входы можно менять местами, если так удобнее, однако, традиционно инвертирующий вход изображается вверху, а неинвертирующий — внизу. Выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху, отрицательный — внизу).

Поскольку ОУ имеет два входа, то возможны такие основные виды его включения с использованием ООС (Рис. 4):