Дифференциальный каскад усиления (ДУ)

Лекция 8

Содержание лекции

Усилители постоянного тока (УПТ). Балансный УПТ. УПТ с М-ДМ. Дифференциальный усилитель.

Усилители постоянного тока (УПТ)

УПТ на биполярных транзисторах

У этих УУ f_н= 0. Такие УПТ нужны для многих устройств автоматики.

В таких усилителях нужно передавать постоянные уровни, т.е. нельзя применять C и L. Сигнал входной надо подавать прямо на базу и управлять его токами.

Рассмотрим УПТ на БТ (рис.8.1.) и покажем его недостатки.

Рассмотрим основные соотношения на VT1 и VT2:

Откуда

Если токи транзисторов VT1 и VT2 одинаковы, то

Однако, если R_K1=R_K2, то K_U1>K_U2>...>K_Un, т.е. коэффициент усиления падает с увеличением числа каскадов, где

Кроме этого в этом УПТ есть дрейф нуля.

Дрейф нуля: наличие напряжения на выходе при его отсутствии на входе.

Любые изменения напряжений источников питания, режимов работы транзисторов, параметров элементов вызывают медленные изменения токов, которые передаются на выход усилителя. Эти изменения напряжений не связаны с входным сигналом.

Различают абсолютный дрейф нуля на выходе усилителя и дрейф, приведенный по входу усилителя.

Абсолютный дрейф - максимальное изменение выходного напряжения при короткозамкнутом входе за определенное t.

Приведенный дрейф - отношение абсолютного дрейфа к коэффициенту усиления усилителя по U: К _u.

Величина приведенного дрейфа ограничивает min различимый входной сигнал, т.е. определяет чувствительность усилителя.

Пример. Пусть К _u = 1000, U _вых = 1 В, тогда U _вх= 1 мВ и значит усиливать сигналы менее 1 мВ нет смысла. Это и есть чувствительность усилителя.

Итак, у УПТ на БТ есть 2 недостатка:

- уменьшение коэффициента усиления каждого каскада в многокаскадном усилителе;

- наличие дрейфа нуля.

УПТ с МДМ (модулятором-демодулятором)

Указанные недостатки можно здесь устранить. Схема на рис.

 

 

Рис. 8.2.УПТ с МДМ

Балансный усилитель (БУ)

В основе работы БУ заложен принцип четырехплечного моста (рис. 8.3). Если мост сбалансирован (I_н=0), то R1·R4=R2·R3. При этом изменение Е не нарушает баланс моста. Баланс моста не нарушается, если пропорционально изменяются R1, R2 или R3, R4.

 

 

Рис. 8.4. Четырехплечный мост

 

В БУ (рис. 8.5) R₁ и R₃ соответствуют R_К1 и R_К2, а R₂, R₄ - VT1 и VT2. R₀ - для балансировки.

Если плечи симметричны и U_вх = 0, то начальные токи покоя транзисторов одинаковы. При этом U_К1 = U_К2 и на сопротивлении нагрузки U_н = 0.

Изменение напряжения Е и других факторов вызывает одинаковые приращения токов транзисторов ΔU_k1 = ΔU_k2 и Uн=0. Баланс сохраняется.

 

Рис. 8.5.Схема БУ

При подаче Uвх, приращения коллекторных токов равны, но противоположны по знаку, что приводит к разбалансу моста и Uн ≠ 0.

Дифференциальный каскад усиления (ДУ)

 

Наиболее распространенной схемой, на базе которой создаются усилители постоянного тока и ОУ, является дифференциальный каскад. ДУ представляет собой БУ с несимметричной нагрузкой и источником тока в цепи эмиттера.

Дифференциальный усилительный каскад (рис.8.6) выполняют по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами R_к1 и R_к2, а два других – транзисторами VТ₁ и VТ₂. Выходное напряжение снимается между коллекторами транзисторов (т.е. с диагонали моста).

На транзисторе VТ₃ собрана схема источника стабильного тока I_э, определяющего сумму эмиттерных токов I_э1 и I_э2 транзисторов VТ₁ и VТ₂. Для определения тока I_э необходимо знание напряжения между точками схемы 1 и 2.

I_э=(U_1–2 – 0,6) / R₃ = (I₁R₂ – 0,6) / R₃.

Питание каскада производится от источников +Е_к1 и – Е_к2 с равными напряжениями относительно общей точки (земли).

С помощью напряжения Е_к2 снижают потенциал эмиттеров транзисторов VТ₁ и VТ₂ относительно общей точки схемы. Это позволяет подавать сигналы на входы усилителя без введения дополнительных смещений.

Схема дифференциального каскада требует применения близких по параметрам транзисторов VТ₁, VТ₂ и равенства сопротивлений R_к1, R_к2.

Благодаря этому, при входных сигналах, равных нулю, достигается баланс моста, напряжения на коллекторах обоих транзисторов равны и выходное напряжение, снимаемое с диагонали, U_вых = U_{вых 1} – U_{вых 2} = 0. Идентичность параметров транзисторов VТ₁ и VТ₂ легко достигается при интегральном исполнении.

Если U_вх1 и U_вх2 замкнуты на общую точку схемы (землю), то U_вх = 0. Ток I_э делится поровну между двумя транзисторами I_э1= I_э2= I_э/2. Значение эмиттерных токов определяются входными токами смещения (базовыми токами покоя):

.

Равенству эмиттерных токов транзисторов будет соответствовать равенство их коллекторных токов I_к1 = I_к2 = αI_э / 2 ≈ I_э / 2 и напряжений на коллекторах: U_к1 = U_к2 = E_к1 – I_эR_к / 2, где R_к= R_к1 = R_к2. Данное состояние схемы характеризует режим баланса каскада или режим покоя.

U_вх1 = U_вх2 = 0, U_вых = U_к1 – U_к2 = 0.

Пусть U_вх1 ≠ 0, при U_вх2 = 0. Предположим, что напряжение входного сигнала U_вх1 имеет положительную полярность.

Под воздействием входного сигнала через входные цепи обоих транзисторов будет протекать входной ток I_вх, увеличивающий ток базы транзистора VТ₁ и уменьшающий ток базы транзистора VТ_2, а значит токи I_э1 и I_к1 увеличиваются, а токи I_э2 и I_к2 уменьшаются (изменение токов обоих транзисторов происходит на одну и ту же величину, поскольку сумма токов I_э1+I_э2 = I_э остается неизменной). При этом напряжение U_к1 = Е_к1 – I_к1R_к1 уменьшается, что вызывает приращение напряжения -∆U_к1, противоположное по знаку напряжению входному U_вх1. Напряжение U_к2 = Е_к1 – I_к2R_к2 возрастает, что создает соответственно приращение напряжения +∆U_к2 того же знака, что и напряжение входного сигнала.

.

+ Е_к1

I_к1 I_к2 R_к2

R_к1

U_{вых 1} U_вых U_{вых 2}

 

VТ₁ VТ₂

U_{вх 1} I_э1 I_э2 U_{вх 2}

 

 

I_э 1 R₁

+

 

 

R₃ R₂

I₁

2 - E_к2

 

Рис.8.6.Схема дифференциального усилителя

Таким образом, для рассматриваемого способа подачи входного сигнала выход каскада со стороны коллектора транзистора VТ₁ (U_вых1) является инвертирующим, а со стороны коллектора транзистора VТ₂ (U_вых2) – неинвертирующим. Сигнал, снимаемый с обоих коллекторов, называется дифференциальным:

.

Изменения выходных напряжений схемы под воздействием сигнала на входе прекращаются, когда под влиянием входного тока ток базы одного из транзисторов становится равным нулю, а ток I_э протекает только через один из транзисторов (VТ₁). Тогда:

U_{вых 1} = Е_{к 1} - I_э·R_к

U_{вых 2} = Е_{к 1}

U_вых = U_{вых 2} – U_{вых 1} ≈ I_э·R_к

Подобно описанным, но с иными знаками приращений, протекают процессы в схеме при изменении полярности входного сигнала или при подключении его к другому входу.

Итак:

1)Режим покоя. Через Rэ протекает ток Iо. Тогда через R_k1 и R_k2 и будет протекать ток Io/2 и

U_вых1=U_вых2, т.е. ΔU_вых=0.

 

2)Режим синфазного сигнала.

Входные сигналы, одинаковые на входах по фазе и по амплитуде называются синфазными.

U_вх1=U_вх2, ΔU_б1= ΔU_б2, ΔU_k1= ΔU_k2, и ΔU_вых=0.

 

Если на входах одинаковые изменения сигнала, то на выходе ΔU_вых=0.

 

3) Режим дифференциального сигнала.

Пусть на первом входе действует сигнал е, а на втором – сигнал –е.

При этом для первого транзистора

а) ΔU_б1>0, ΔI_б1>0, ΔI_k1>0, ΔI_э1>0,

и тогда ΔU_kэ1 = E - ΔI_k1R_k1 < 0.

При этом для второго транзистора

б) ΔU_б2<0, ΔI_б2<0, ΔI_k2<0, ΔI_э2<0,

и тогда ΔU_kэ2 = E - ΔI_k2R_k2 > 0.

Напряжение ΔU_вых = ΔU_kэ2 - ΔU_kэ1 = 2 ΔU_kэ > 0.

Т.е. в данном случае ДУ работает в режиме усиления разности входных сигналов.

 

4) Неинвертирующие и инвертирующие входы в ДУ

а) Пусть на первом входе действует сигнал U_вх1 = е, а на втором – сигнал – U_вх2 = 0.

Тогда ток I_k1 возрастает (ΔI_k1>0), а т.к. сумма коллекторных токов = Io, то ΔI_k2<0 и поэтому ΔU_кэ1<0, а ΔU_кэ2>0 и

ΔU_вых = ΔU_kэ2 - ΔU_kэ1 > 0.

Это неинвертирующий вход - вход 1.

б) Пусть на первом входе действует сигнал U_вх1 = 0, а на втором – сигнал – U_вх2 = е.

Проведя аналогичные рассуждения, получим

ΔU_вых = ΔU_kэ2 - ΔU_kэ1 > 0,

т.е. вход 2 - инвертирующий (происходит инвертирование входного сигнала).