Реферат: Усилители постоянного тока

Волжский университет им. В. Н. Татищева Кафедра «Информатика и системы управления»

Реферат на  тему: «УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА»

по дисциплине «Электроника» специальность 220100 «Вычислительные машины системы, комплексы и сети»

Тольятти 2002

Тольятти 2002

   

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 3

1.   ДРЕЙФ НУЛЯУСИЛИТЕЛЯ… 4

2.   ОДНОТАКТНЫЕУСИЛИТЕЛИ ПРЯМОГО УСИЛЕНИЯ… 5

3.   УСИЛИТЕЛИ СПРЕОБРАЗОВАНИЕМ… 8

4.   ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕУСИЛИТЕЛИ… 12

5.   СХЕМЫВКЛЮЧЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ… 15

6.   КОЭФФИЦИЕНТОСЛАБЛЕНИЯ СИНФАЗНОГО СИГНАЛА… 18

7.   РАЗНОВИДНОСТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ… 20

8.   ТОЧНОСТНЫЕПАРАМЕТРЫ… 23

9.   Литература… 26

ВВЕДЕНИЕ

Усилителямипостоянного тока (УПТ) называются устройства, предназначенные для усилениямедленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты. На рис. 1 приведенаАЧХ для усилителя постоянного тока. Отличительной особенностью УПТ являетсяотсутствие разделительных элементов, предназначенных для отделения усилительныхкаскадов друг от друга, а также от источника сигнала и нагрузки по постоянномутоку.

Такимобразом, для осуществления передачи сигналов частот, близких к нулю, в УПТиспользуется непосредственная (гальвани­ческая) связь. Непосредственная связьможет быть использована и в обычных усилителях переменного тока с цельюуменьшения числа элементов, простоты реализации в интегральном исполне­нии,стабильности смещения и т. д. Однако такая связь вносит в усили­тель рядспецифических особенностей, за­трудняющих как его выполнение, так и эк­сплуатацию.Хорошо передавая медленные изменения сигнала, непосредственная связь затрудняетустановку нужного режима покоя для каждого каскада и обусловливает нестабильностьих работы.

/>

  />

Приразработке УПТ приходится решать две основные проблемы: согласованиепотенциальных уровней в соседних каскадах и уменьшение дрейфа (нестабильности)выходного уровня напряжения или тока.

1.   ДРЕЙФ НУЛЯУСИЛИТЕЛЯ

Применение усилительных каскадов в УПТ ограничиваетсядрей­фом нуля. Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроиз­вольноеотклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения. Этотэффект наблюдается и при отсутствии сигнала на входе. Поскольку дрейф нуляпроявляется таким образом, как будто он вызван входным сигналом УПТ, то егоневозможно отличить от истинного сигнала. Существует достаточно многофизических причин, обусловлива­ющих наличие дрейфа нуля в УПТ. К ним относятсянестабиль­ности источников питания, температурная и временная нестабиль­ностипараметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы, помехи и наводки.Среди перечисленных причин наиболь­шую нестабильность вносят изменениятемпературы, вызывающие дрейф. Этот дрейф обусловлен теми же причинами, что ине­стабильность тока коллектора усилителя в режиме покоя изменениями Iкбо, Uбэ0 и B. Поскольку температурные изменения этих параметровимеют закономерный характер, то в некоторой степени могут быть скомпенсированы.Так, для уменьшения абсолютного дрейфа нуля УПТ необходимо умень­шатькоэффициент нестабильности Sнс.

Абсолютным дрейфом нуля />,называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТпри замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ обычнооценивают по напряжению дрейфа нуля, приведен­ного ко входу усилителя: едр=/>. Приведенный ко входу усилителя дрейф нуля не зависит от коэффициентаусиления по напряжению и. эквивалентен ложному входному сигналу. Величина едр ограничивает минимальный входной сигнал, т. е. определяетчувствительность усилителя.

Вусилителях переменного тока, естественно, тоже имеет место дрейф нуля, но таккак их каскады отделены друг от друга разделительными элементами (например,конденсаторами), то этот низкочастотный дрейф не передается из предыдущегокаскада в последующий и не усиливается им. Поэтому в таких усилителях(рассмотренных в предыдущих главах) дрейф нуля минимален и его обычно неучитывают. В УПТ для уменьшения дрейфа нуля, прежде всего, следует заботиться оего снижении в первом каскаде. Приведенный ко входу усилителя температурныйдрейф снижа­ется при уменьшении номиналов резисторов, включенных в цепи базы иэмиттера. В УПТ резистор RЭбольшого номинала может создать глубокую ООС по постоянному току, что повыситстабильность и одновременно уменьшит KUдля рабочих сигналов постоянного тока. Поскольку здесь KU пропорционален Sнс, то величина едр оказывается независимой от Sнс. Минимальногозначения едр можнодостичь за счет снижения величин Rэ, Rби Rr. При этом для кремниевых УПТ можно получить/> Кремниевые УПТ более пригодны для работы наповышенных температурах.

Следуетподчеркнуть, что работа УПТ может быть удовлетво­рительной только при превышенииминимальным входным сигна­лом величины Сдр. Поэтому основной задачей следуетсчитать всемерное снижение дрейфа нуля усилителя.

Сцелью снижения дрейфа нуля в УПТ могут быть использова­ны следующие способы:применение глубоких ООС, использование термокомпенсирующих элементов,преобразование постоянного тока в переменный и усиление переменного тока споследующим выпрямлением, построение усилителя по балансной схеме и др.

2.   ОДНОТАКТНЫЕУСИЛИТЕЛИ ПРЯМОГО УСИЛЕНИЯ

ОднотактныеУПТ прямого усиления по сути своей являются обычными многокаскаднымиусилителями с непосредственной связью. В таком усилителе резисторы Rэ1 и Rэ2 не только создают местную последователь­ную ООС потоку, но и обеспечивают необходимое напряжение/> в своих каскадах. В многокаскадном усилителенаблюдается последовательное повышение потенциала на эмиттере транзисторакаждого

/>/>

последующего каскада.Необходи­мость повышения потенциалов эмиттера от каскада к каскаду обусловленатем, что за счет непосредственной связи потенциал коллектора у каждогопоследующего транзистора оказывается выше, чем у предыдущего.

Обеспечитьнеобходимый режим покоя в каскадах рассматриваемого усилителя можно и за счетпоследовательного уменьшения номиналов коллекторных резисторов от каскада ккаскаду (Rк1 > Rк2). Однако в этом случае,как и в рассмотренном выше, будет падать усиление УПТ.

/>/>

Приразработке УПТ целесообразным является выбор эмиттерных резисторов по заданнымзначениям коэффициентов усиления и Sнс, а рабочие напряжения /> можно обеспечить путем дополнительных мер. На рис. 2приведены принципиальные схемы двух вариантов каскадов УПТ, в одном из которых (а)потенциал эмиттера устанавливается за счет балластного сопротивления Ro во втором (б) — за счет применения опорного диода D.Отметим, что вместо опорного диода можно включить несколько обычныхпрямосмещенных р-п переходов. Часто используются сочетания обоих вариантовсхем, приведенных на рис. 2.

Приразработке УПТ необходимо обеспечивать согласование потенциалов не только междукаскадами, но и с источником сигнала и нагрузкой. Если источник сигналавключить на входе усилителя между базой первого транзистора и общей шиной, точерез него будет протекать постоянная составляющая тока от источника питания EK. Для устранения этого тока обычно включают генераторвходного сигнала между базой транзистора Т1 и средней точкой специальногоделителя напряжения, образованного резисторами R1 и R2. Нарис. 3 приведена принципиальная схема рассматриваемого входного каскада УПТпрямого усиле­ния. При правильно выбранном делителе потенциал его средней точкив режиме покоя равен потенциалу покоя на базе первого транзистора.

Нагрузкаусилителя обычно включается в диагональ моста, образованного элементамивыходной, цепи УПТ. На рис. 4 приведена принципиальная схема такого выходного каскадаУПТ. Рассматриваемый здесь способ включения нагрузки используется для полученияUн=0 при Еr=0.Номиналы резисторов R3 и R4 выбираются таким образом, чтобы напряжение среднейточки делителя равнялось напряжению на коллекторе выходного транзистора врежиме покоя. При этом в нагрузке для режима покоя не будет протекать тока.  Вкаждом каскаде УПТ прямого усиления за счет резисторов в цепи эмиттера образуетсяглубокая ООС. Поэтому для определения входного сопротивления Kuocкаскада ОЭ здесь можно пользоваться формулами /> и KuОС = — Rкн/Rэ соответственно.Обычно максимальное усиление свойственно первому каскаду, у которого Rк имеет наибольшеезначение. Однако и в последующем каскаде УПТ, где Rк  меньше, все равно его номинал должен быть большеноминала Rэ. Вмногокаскадных УПТ прямого усиления может происходить частичная компенсациядрейфа нуля. Так, положительное приращение тока коллектора, первого транзисторавызовет отрицательное приращение тока базы и, следовательно, тока коллекторавторого транзистора. В результате суммарный дрейф нуля второго каскада можетоказаться меньше, чем в отсутствие первого каскада в идеальном случае и сведенк нулю. Заметим, что полная компенсация дрейфа нуля возможна лишь приспециальном подборе элементов и только для некоторой конкретной температуры.Хотя на практике это почти и недо­стижимо, тем не менее в УПТ с четным числомусилительных каскадов наблюдается снижение дрейфа нуля.

Способпостроения УПТ на основе непосредственной связи в усилительных каскадах сглубокой ООС может быть использован для получения сравнительно небольшогокоэффициента усиления (в несколько десятков) при достаточно большом />. Если в таких УПТ попытаться повысить Кu,то неизбежно получим резкое возрастание дрейфа нуля, вызванного не толькотемпературной нестабильностью, но и нестабильностью источников питания.Отметим, что применение традиционных методов уменьшения влияния нестабильностейЕк с помощью фильтрующих конденсаторов здесь не дает желаемогорезультата (слишком низкие частоты). Для снижения температурного дрейфа в УПТпрямого усиления иногда применяют температурную компенсацию. В настоящее времяв качестве термокомпенсирующего элемента обычно используется диод в прямомсмешении, включенный в цепь базы транзистора. Принцип построения такихустройств практически одинаков для усилителей постоянного и переменного тока. Всерассмотренные выше УПТ имеют большой температурный дрейф (eдр составляет единицымилливольт на градус). Кроме того, в них отсутствует зримая компенсациявременного дрейфа и влияния низкочастотных шумов. Эти факторы могут оказатьсядаже более существенными, чем температурный дрейф нуля. Отмеченные недостаткиусилителей прямого усиления в значительной степени преодолеваются в УПТ спреобразованием (модуляцией) сигнала.

3.   УСИЛИТЕЛИ СПРЕОБРАЗОВАНИЕМ

Приусилении малых сигналов постоянного тока или напряжения часто применяютусилители с преобразованием постоянного тока в переменный. Такие УПТ имеютмалый дрейф нуля, большой коэффициент усиления на низких частотах и ненуждаются в подстройке нулевого уровня. На рис. 5 приведена структурная схемаусилителя с преобразованием постоянного тока в переменный. На этой схемеиспользованы следующие обозначения: М—модулятор. Ус—усилитель переменного тока,ДМ—демодулятор. Такой УПТ часто называют усилителем с модуляцией и демодуляцией(МДМ).

/>

ВУПТ с МДМ входной сигнал постоянного напряжения Uвх (или тока) сначала преобразуется в пропорциональныйему сигнал переменного напряжения с помощью модулятора М, потом усиливаетсяобычным усилителем Ус, а затем Демодулятором ДМ преобразуется в сигналпостоянного напряжения. Поскольку в усилителях переменного тока (например, с RC-связью)дрейф не передается от каскада к каскаду, то в МДМ усилителях реализуетсяминимальный дрейф нуля. Работу рассмат­риваемого усилителя удобно проиллюстриро­ватьс помощью временных диаграмм на­пряжений (или токов) в основных точках схемырис. 5, которые приведены на рис. 6. Преобразование постоянного Uвх в переменное осуществляется с частотой сигналауправления (модуляции) Uупр,обычно имеющего вид меандра. Для успешной работы УПТ с МДМ необходимо, чтобычастота сигнала управле­ния была, как минимум, на порядок выше максимальнойчастоты входного сигнала.

/>

Из многообразия возможныхвариантов построения модуляторных устройств наибольшее распространение получилитранзисторные модуляторы (прерыватели или малотоковые переключатели).Рассмотрим работу простей­шего транзисторного модулятора, принципи­альная схемакоторого приведена на рис. 7.

/>

Рис. 7

Здесьпостоянное входное напряжение Uвх приложеномежду эмиттером и коллектором n-p-n транзистора, который с помощью трансформатора Труправляется сигналом Uупр. Транзисторработает как ключ, т. е. он имеет два рабочих состояния: открыт (режим насыщения)и закрыт (режим отсечки). Если в режиме отсечки сопротивление транзисторавелико, то в режиме насыщения оно близко к нулю. В результате ток черезтранзистор будет прерываться с частотой сигнала управления. Этот ток и являетсявходным сигналом для усилителя переменного тока Ус. Связь устройств М и Усобычно осуществляется через разделительный конденсатор. Схема на рис. 7обращает на себя внимание тем, что в ней представлен транзистор в инверсномвключении. Действительно, в транзисторных модуляторах получило распространениеинверсное включение транзистора. Дело в том, что дрейф нуля в УПТ с МДМ восновном определяется дрейфом модулятора, который обусловлен нестабильностьюостаточных параметров транзистора (тока и напряжения). Известно, что транзисторв инверсном включений имеет существенно меньшие остаточные параметры, чем впрямом включении. Это преимущество инверсного включения транзистора особенноярко проявляется в значении остаточного напряжения. Напомним, что остаточныйток планарного транзистора чрезвычайно мал и для прямого включения (десятые илисотые доли наноампер), поэтому использование инверсного включения имеет смысл именнодля уменьшения остаточного напряжения.

Спомощью формул Эберса-Молла можно получить расчетные отношения для остаточногонапряжения прямого Uост иинверсного UостIвключения транзисторапри токах коллектора, близких к нулю:

/>

Из (1) следует, что UостI<sub/>< Uост,поскольку />, т. е. при малых токах коллектора инверсноевключение транзистора лучше подходит для использования в модуляторах.Современные транзисторы при /> и оптимальном токебазы имеют />.

Длякачественных УПТ эту величину не всегда можно считать удовлетворительной.Меньшего остаточного напряжения можно достичь с помощью компенсированного модулятора(ключа) на двух инверсно включенных транзисторах, принципиальная схема которогоприведена на  рис. 8. Здесь транзисторы включены встречно, и поэтому ихостаточные параметры должны компенсировать друг друга. Так, для остаточногонапряжения рассматриваемого модулятора UостКможно записать:

UостК = Uост1-<sub/>Uост2  (2)

где Uост1 ,<sub/>Uост2 остаточныенапряжения транзисторов Т1 и Т2 соответственно. Из (2) следует, что снижения UостК, а следовательно,и дрейфа всего УПТ можно достичь за счет того, что Uост1≈<sub/>Uост2. Минимальныйразброс параметров транзисторов можно получить при их изготовлении на однойподложке в едином технологическом цикле. Такие модуляторные транзисторы,являющиеся простейшими ИС, и получили основное применение в современных УПТ сМДМ (например, ИС К101КТ1). Остаточное напряжение в них обычно не превышает 100мкВ.

/>

Рис.8

Сточки зрения современных требований к электронным устройствам рас­смотренныемодуляторы имеют существенный недостаток, состоящий в присутствииэлектромагнитных трансформаторов, которые очень трудно изготовить в виде ИС.Отметим, что иногда трансформаторы в модуляторах удается заменить оптронами.

Приработе с источниками входного сигнала с малыми Uвх и большими внутренними сопротивлениями Rг лучшие результатыполучаются, когда модуля­тор выполняется на полевых транзисторах. Дело в том,что при токе стока, равном нулю, они имеют нулевое остаточное напряжение (чегонет в биполярных транзисторах). Это обусловлено тем, что проводимость цепимежду стоком и истоком имеет, как правило, резистивный характер (сопротивлениеканала). Кроме того, большое Rвх позволяетиспользовать управляющие сигналы малой мощности. Однако с возрастанием Uвх и уменьшением Rг преимущества таких модуляторов исчезают.

Вкачестве демодулятора ДМ можно использовать различные электронные Устройства.Простейшим демодулятором является обычный двухполупериодный или мостовой выпрямительс фильтром на выходе. Более совершенным следует считать демодулятор,выполненный как фазочувствительный выпрямитель.

Нарис. 9 приведена принципиальная схема одного из вариантов демодулято­ра — фазочувствительноговыпрямителя. Она удобна тем, что ее основу составляет уже использованный вмодуляторе модуляторный транзистор, состоящий из двух транзисторных структур винверсном включении.

/>

Рис. 9

Навход демодулятора поступает переменное напряжение U2 с усилителя. Вбазовые цепи транзисторов посредством трансформатора поступает общийуправляющий сигнал Uупр.Транзисторы здесь открываются лишь при положитель­ных потенциалах баз, чтопроисходит именно в момент поступления на вход информационного сигнала,усиленного с помощью усилителя Ус. Такой модулятор успешно функционирует вшироком диапазоне рабочих сигналов. Емкость Сф выполняет функциисглаживающего фильтра. Достичь существенного улучшения электрических,эксплуатационных и массогабаритных показателей УПТ можно за счет их построенияпо балансным схемам.

4.   ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕУСИЛИТЕЛИ

Внастоящее время наибольшее распространение получили диф­ференциальные(параллельно-балансные или разностные) усилители. Такие усилители простореализуются в виде монолитных ИС и широко выпускаются отечественнойпромышленностью: К118УД, КР198УТ1 и др. Их отличает высокая стабильностьработы, малый дрейф нуля, большой коэффициент усиления дифференциальногосигнала и большой коэффициент подавления синфазных помех.

На рис.10 приведена принципиальная схема простейшего варианта дифференциальногоусилителя (ДУ). Любой ДУ выпол­няется по принципу сбалансированного моста, дваплеча которого образованы резисторами Rк1 и Rк1, адва других — транзисторами Т1 и Т2. Сопротивление нагрузки включается междуколлекторами транзисторов, т. е. в диагональ моста. Сразу отметим, что резисторыR01 и R02 имеют небольшиевеличины, а часто и вообще отсутствуют. Можно считать, что резистор RЭ подключен к эмиттерамтранзисторов. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что питание ДУосуществляется от двух источников, напряжения которых  равны (по модулю) другдругу. Таким образом, суммарное напряжение питания ДУ равно 2Е.

/>

Рис. 10

Использованиевторого источника (—Е) позволяет снизить потенциалы эмиттеров Т1 и Т2 допотенциала общей шины. Это обстоятельство дает возможность подавать сигналы на входыДУ без введения дополнительных  компенсирующих напряжений (что требуется,например, для усилителя на рис. 3). При анализе работы ДУ принято выделять внем два общих плеча, одно из которых состоит из транзистора Т1 и резистора Rк1 (и R01),второе —из транзистора Т2 и резистора Rк2(и R02).Каждое общее плечо ДУ является каскадом ОЭ. Таким образом, можно заключить, чтоДУ состоит из двух каскадов ОЭ. В общую цепь эмиттеров транзисторов включенрезистор RЭ, которыми задается их общий ток. Для того чтобы ДУ мог качественно и надежно выполнятьсвои функции, а также в процессе длительной работы сохранить свои параметры иуникальные свойства, в реальных усилителях требуется выполнить два основныхтребования. Рассмотрим эти требования последовательно.

Первоетребование состоит в симметрии обоих плеч ДУ. По нему необходимо обеспечитьидентичность параметров каскадов ОЭ, образующих ДУ. При этом должны бытьодинаковы параметры транзисторов Т1 и Т2, а также Rк1 = Rк2 (и R01= R02). Если первое требование выполнено полностью, тобольше ничего и не требуется для получения идеального ДУ. Действительно, при Uвх1= Uвх2 = 0 достигается полный баланс моста, т. е. потенциалыколлекторов транзисторов Т1 и Т2 одинаковы, следовательно, напряжение нанагрузке равно нулю. При одинаковом дрейфе нуля в обоих каскадах, ОЭ (плечах ДУ)потенциалы коллекторов будут изменяться всегда одинаково, поэтому на выходе ДУдрейф нуля будет от­сутствовать. За счет симметрии общих плеч ДУ будет обес­печиватьсявысокая стабильность при изменении напряжения питания, температуры,радиационного воздействия и т.д. Все это абсолютно верно, но возникает вопрос:«Как обеспечить симметрию общих плеч в ДУ?» На первый взгляд может показаться,что решить этот вопрос довольно просто. Действительно, всегда можно подобратьпары транзисторов и резисторов с весьма близкими параметрами… Если собрать ДУна таких дискретных элементах, то он может быть и продемонстрируете желаемыйрезультат, но только в относительно небольшой промежуток времени. С течениемвремени параметры транзисто­ров и резисторов будут изменяться различным образомв соот­ветствии с законами своей собственной структуры, естественно, что на нихразличным образом будут влиять и внешние факторы, а следовательно, нарушитсясимметрия плеч со всеми вытека­ющими отсюда последствиями. В конечном счетеможно за­ключить, что на дискретных элементах (изготовленных в разное время и вразных условиях) осуществить выполнение первого требования для ДУ практическиневозможно. Это и обусловили тот факт, что прекрасные свойства ДУ не нашлидолжного использования в дискретной электронике. Приблизиться к выполнениюпервого основного требования для ДУ позволила микроэлектроника. Ясно, чтосимметрию общих плеч ДУ могут, обеспечив лишь идентичные элементы в которых всеодинаково и которые были изготовлены в аб­солютно одинаковых условиях. Так, вмонолитной ИС близко расположенные элементы действительно имеют почтиодинаковые параметры. Следовательно, в монолитных ИС первое требование к ДУпочти выполнено. Это «почти» позволяет реализовать ДУ пусть не с идеальными, новсе же с хорошими параметрами, но при непременном условии выполнения второгоосновного требования к ДУ.

Второеосновное требование состоит в обеспечении глубокой ООС для синфазного сигнала.Синфазными называются одинаковые сигналы, т. е. сигналы, имеющие равные амплитуды,формы и фазы. Если на входах ДУ (рис. 10) присутствуют Uвх1=Uвх2, причем с совпадающими фазами, то можно говорить опоступлении на вход ДУ синфазного сигнала. Синфазные сигналы обычно обусловленыналичием помех, наводок и т. д. Часто они имеют большие амплитуды (значительнопревышающие полезный сигнал) и являют­ся крайне нежелательными, вредными дляработы любого усилителя.

Выполнитьвторое основное требование позволяет введение в ДУ резистора RЭ , (или его электронного эквивалента). Если на вход ДУпоступает сигнал синфазной помехи, например, положительной полярности, тотранзисторы Т1 и Т2 приотк­роются и токи их эмиттеров возрастут. В результатепо резистору RЭбудет протекать суммарное приращение этих токов, об­разующее на нем сигнал ООС.Нетрудно показать, что RЭобразует в ДУ последовательную ООС по току. При этомбудет наблюдаться уменьшение коэффициента усиления по на­пряжению длясинфазного сигнала каскадов ОЭ, образующих общие плечи ДУ, Kисф1 и Кисф2. Поскольку коэффициент усиления ДУ для синфазного сигнала Кисф= Кисф1 — Кисф2 и за счет выполненияпервого основного требования Кисф1 ≈ Кисф2<sup/>удается получить весьма малое значение Кисф, т. е.значительно подавить синфазную помеху.

Таккак в монолитном ДУ с достаточным приближением можно выполнить оба основныхтребования, удается не только подавить синфазную внешнюю помеху, но и снизитьвлияние внутренних факторов, проявляющихся через изменения парамет­ровэлементов схемы. Конечно, параметры составляющих каска­дов будут изменяться, нопо весьма близким зависимостям, влияние которых будет дополнительно ослаблятьсяналичием ООС.

Теперьрассмотрим работу ДУ для основного рабочего входно­го сигнала — дифференциального.Дифференциальными (противо­фазными) принято называть сигналы, имеющие равные амплиту­ды,но противоположные фазы. Будем считать, что входное напряжение подано междувходами ДУ, т. е. на каждый вход поступает половина амплитудного значениявходного сигнала, причем в противоположных фазах. Если Uвх1 в рассматриваемый моментпредставляется положительной полуволной, то Uвх2 — отрицательной.

Засчет действия Uвх1транзистор Т1 приоткрывается, и токего эмиттера получает положительное приращение ∆IЭ1, а за счет действия Uвх2 транзистор Т2 закрывается,и ток его эмиттера получает отрицательное приращение, т.е. — ∆IЭ2. В ре­зультатеприращение тока в цепи резистора RЭ IRЭ = ∆IЭ1 — ∆IЭ1. Если общие плечи ДУ идеально симметричны, то ∆IRЭ = 0и, следовательно, ООС для дифференциального сигнала отсутствует. Этообстоятельство позволяет получать от каждого каскада ОЭ в рассматриваемомусилителе, а следовательно, и от всего ДУ большое усиление. Отсюда происходит иназвание усилителя — дифференциальный. Так как для дифференциального входногосигнала в любой момент напряжения на коллекторах транзисто­ров Т1 и Т2 будутнаходиться в противофазе, то на нагрузке происходит выделение удвоенноговыходного сигнала. Итак, резистор RЭ, образуетООС только для синфазного сигнала.

Посколькув реальных ДУ идеальную симметрию плеч осущест­вить нельзя, то RЭ все же будет и длядифференциального сигнала создавать ООС, но незначительной глубины, причем чемлучше симметрия плеч, тем меньше ООС. Небольшую последовательную ООС по токузадают в каскадах ДУ с по­мощью резисторов R01 и R02. Какотмечалось выше, эти резисторы имеют небольшие номиналы (участки полупровод­никовойподложки), поэтому создаваемая ими ООС невелика и существенно не влияет наусилительные свойства ДУ.

Такимобразом, при выполнении в ДУ двух основных требова­ний он обеспечиваетстабильную работу с малым дрейфом нуля, с хорошим усилением дифференциальногосигнала и со значитель­ным подавлением синфазной помехи. В зависимости от того,как подключены в ДУ источник входного сигнала и сопротивление нагрузки, следуетразличать схемы его включения.

5.   СХЕМЫВКЛЮЧЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Можновыделить четыре схемы включения ДУ: симметричный вход и выход, симметричныйвход и несимметричный выход, несимметричный вход и симметричный выход,несимметричный вход и выход. Рассмотрим их последовательно при воздействиирабочего входного сигнала.

Присимметричном входе источник входного сигнала подключа­ется между входами ДУ(между базами транзисторов Т1 и Т2). При симметричном выходе сопротивлениенагрузки подключается между выходами ДУ (между коллекторами транзисторов Т1 иТ2). Такое включение ДУ и было рассмотрено в предыдущем разделе. Теперьостановимся на определении параметров сим­метричного включения ДУ.

/>                       />

Рис. 12                                                 Рис.11

Проанализируемработу одного плеча, т. е. одного каскада ОЭ, входящего в ДУ. Для этогопредставим плечо ДУ в виде, изображенном на рис. 11. Здесь отсутствует резисторRЭ, поскольку, он не участвует в работе надифференциальном сигнале. Для входного сопротивления плеча ДУ Rвхпл, можно записать:

/>  (3)

Здесьопущены индексы для номеров резисторов, так как плечи ДУ практическисимметричны. Слагаемое βR0 вноситсяза счет последовательной ООС. При R0=0 уравнение (3) для нашего случая можно упростить доследующего вида:

/>

Меньшую погрешность прирасчете /> формула(4) обеспечи­вает для ДУ, работающего на малых токах. Поскольку присимметричном входе источник входного сигнала включается между входами ДУ, тообщее входное сопротивление ДУ будет равно />.

Длярассматриваемого включения ДУ коэффициент усиления его плеча можно представитькак />, т.е. коэффициент усиления по напряжениювсего ДУ равен Kипл. Внашем случае для Kипл можнопереписать (4) в несколько измененном виде:

/>

Здесьучтено, что к выходу одного плеча подключается только половинаRH.Действительно, средняя точка резистора RH  длярассматриваемого режима ДУ всегда будет иметь нулевой потенциал (потенциалобщей шины).

ЕслиRH<(RH/2),Rвх пл >Rr и β велико, то (5) можно переписать в следующемприближенном виде:

Кидиф = RK/rэ (6)

Учитываяизложенное выше, коэффициент усиления ДУ по току можно представить в виде (6),заменив RН на RН /2. Нетруднопоказать, что выходное сопротивление ДУ для рассматриваемой схемы его включенияравно удвоенной величине выходного сопротивления плеча Rвых пл, которое длякаскада ОЭ можно считать равным RК.

Теперьостановимся на схеме включения ДУ с симметричным входом и несимметричнымвыходом. В этом случае источник входного сигнала подключается между входами ДУ;сопротивле­ние нагрузки подключается одним концом к коллектору одного изтранзисторов, а другим—к общей шине. При этом в кол­лекторной цепи второготранзистора может отсутствовать ре­зистор RK.Поскольку способ подачи входногосигнала здесь совпадает с ранее рассмотренным случаем, то входное сопротив­лениетакже можно определить с помощью (3) или (4). Однако выходной сигнал снимаетсялишь с одного выхода ДУ, следовательно, выходное сопротивление ДУ – Rвыхпл= RK. По той же причине Кидифоказывается в 2 раза меньше, чем при симметричном выходе.

Интереснасхема включения ДУ с несимметричным входом и симметричным выходом. Для удобствавосприятия специфики этого включения ДУ на рис. 12 приведена его принципиальнаясхема. Здесь Rо=0, а входной сигнал подается на базу транзисто­ра Т1.Плечо, образованное транзистором Т1, является каскадом ОЭ с ООС, образуемойрезистором Rэ,Кипл для него может бытьрассчитано по формуле (5), а Rвыхпл — формуле (3), где R0следуетзаменить на Rэ. У этого плеча ДУ есть и выход с эмиттера, где коэффициентусиления по напряжению для эмиттерного выхода Кик < Кипл.С эмиттерного выхода плеча ДУ будет сниматься неинвертирован­ный сигнал с Кик, который можно представить в следующем виде:

/>

где /> — входноесопротивление каскада ОБ, который является плечом ДУ, образованным транзисторомТ2. Для эмиттерного выхода первого плеча /> является сопротивлением нагрузки. Формула (7)справедлива при Rэ > Rвхб. Длякаскада ОБ, образованного транзистором Т2, коэффициент усиления по напряжению

/>

Формула (8) записана дляусловия Rвхб > Rвыхк, где Rвыхквыходное сопротивление по цепи эмиттера каскада натранзисторе Т1. При получении значения Кипл для выхода с коллектораТ2 следует перемножить (7) и (8). После проведения преобразова­ний нетруднозаписать и для этого плеча ДУ формулу (5). Таким образом, несмотря на то, что входнойсигнал подается лишь на один вход ДУ, его усиливают оба плеча, причем плечо, набазу транзистора которого подан входной сигнал, инвертирует, а другое плечо неинвертирует сигнал. В данном случае общий Kидиф=2Kипл.

Принесимметричном входе и выходе работа ДУ происходит аналогично предыдущей схемывключения ДУ. Если входной сигнал подан на вход того же плеча, с выходакоторого снимается выходной сигнал ДУ, то в этом случае работает на усилениесигнала лишь одно плечо. Здесь на выходе имеет место инвертированный сигнал скоэффициентом усиления Кипл.Если входной сигнал подан навход одного плеча ДУ, а выходной сигнал снимается с выхода другого плеча, то навыходе имеет место неинвертированный сигнал с тем же Кипл,что и в первом случае. Если снимать выходной сигнал всегда с одного заданноговыхода ДУ, то входам усилителя можно присвоить названия «инвертирующий» и«неинвертирующий».

Изложенноевыше показывает, что усилительные параметры ДУ для рабочего сигнала зависят отсхемы его включения, которая выбирается в зависимости от конкретных техническихтребований.

6.   КОЭФФИЦИЕНТОСЛАБЛЕНИЯ СИНФАЗНОГО СИГНАЛА

Коэффициентослабления (подавления) синфазного сигнала (KQOC) являетсяосновным параметром ДУ, характеризующим качество его работы. Для того чтобыпредставить этот параметр, прежде всего, необходимо определить коэффициентусиления по напряжению ДУ для синфазного сигнала Кисф.

Привоздействии синфазного сигнала на ДУ можно предста­вить, что его входысоединены друг с другом. Как уже анализировалось в разделе 3, в данном случаерезистор RЭ, будетсоздавать последовательную ООС по току для каждого плеча ДУ (каскада ОЭ).Обычно эту ООС стараются сделать глубокой. Коэффициент усиления плеча длясинфазного сигнала можно представить как Киос каскада ОЭ приглубокой ООС с помощью формулы  КиОС = — Rкн/Rэ, т.е. для первого плеча Kисф1=Rк1/Rэ, и для второго —  Kисф2=Rк2/Rэ. Теперь можно записать для Kисф всего ДУ:

/>

Из(9) следует основной вывод, ко­торый в разд. 3 был сформулирован в виде двухосновных требований к ДУ. Действительно, чем лучше симметрия плеч ДУ, темменьше RK.Поскольку идеальная симметрия невозможна, то всегда /> При заданном />, умень­шить Kисф можно за счетувеличения глубины ООС, т. е. увеличения Rэ. Обычно КООС представляется как отношение модулей Кидифи Киcф, выраженное в децибелах, т. е. KOOC=201g (Кидиф/ Киcф). Раскрыв значения коэффициентов усиле­ния из (6) и(9), можно записать (10):

/>

где/> — коэффициент асимметрии ДУ. При необходимос­тикоэффициент асимметрии можно дополнить слагаемыми, представляющими разбросдругих параметров элементов устрой­ства. Напомним, что разброс номиналов резисторовв монолит­ных ИС не превышает 3%. В ДУ всегда стремятся сделать КООС как можнобольше. Для этого следует увеличивать номинал RЭ. Однакосуществует несколько серьезных причин, ограничивающих эту возможность, самаяглавная из которых заключается в больших трудностях при реализации резисторовзначительных номиналов в монолитных ИС. Решить эту проблему позволяетиспользование электронного эквивалента резистора большого номинала, которымявляется источник стабильного тока. На рис. 13 приведена принципиальная схемаДУ с ИСТ. Здесь ИСТ выполнен на транзисторе ТЗ. Резисторы R1, R2 и R3, а также диод Dслужат для задания и стабилизации режима покоя транзистора ТЗ.

/>

Рис. 13

Напомним,что для реальных условий ИСТ представляет собой эквивалент сопротивления дляизменяющегося сигнала (в нашем случае синфазного) большого номинала — до единицмегаом. Кроме того, в режиме покоя ИСТ представляет собой относительнонебольшое сопротивление (порядка единиц килоом), из-за чего и все устройствобудет потреблять от источников питания относительно небольшую мощность. Такимобразом, использование ИСТ в ДУ позволяет реализо­вать усилитель в виде экономичноймонолитной ИС, имеющей большой КООС. Современные ДУ могут быть выполнены поразличным схемам, но в них всегда используется ИСТ. Для таких ДУ значения КООСобычно лежат в пределах 60...100дБ.

7.   РАЗНОВИДНОСТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Вбольшинстве практических случаев ДУ используется как входной каскадмногокаскадных усилительных ИС. Поэтому при разработке ДУ стремятся реализоватьв нем значительное входное сопротивление для дифференциального сигнала. Однойиз разно­видностей таких устройств является ДУ на составных транзис­торах,принципиальная схема которого приведена на рис. 14. Здесь ИСТ изображенсимволически.

Отметим,что составной транзистор позволяет получить большой коэффициент усиления потоку. При равенстве параметров транзисторов в плече ДУ его Rвхпл может быть рассчитано по формуле Rвх= β2Rэ, где вместо R, следует подставить сопротивление эмиттерного переходаrэ,транзистора ТЗ (или Т4). Для получения больших Rвхпл целесообразно использовать ДУ в режиме малых токов (вмикрорежиме), что будет приводить к возрастанию rэ. Кроме того, желательно применять транзисторы свысокими значениями β. Для ДУ с большими входными сопротивлениями вкачестве транзисторов Т1 и Т2 целесообразно использовать супербета транзисторы.Например, супербета транзисторы используются во входном каскаде операционногоусилителя серии 140УД6.

Другойразновидностью ДУ с повышенным входным сопро­тивлением является усилитель наполевых транзисторах. На рис. 15 приведена принципиальная схема одного извариантов ДУ на МДП-транзисторах. Здесь использованы МДП-транзисторы си-каналом, который может быть и встроенным, и индуцирован­ным. ПодложкиМДП-транзисторов могут быть соединены со своими истоками или с общей шиной.

/>Рис.14/>

/>

Рис. 15

Врассматриваемом ДУ МДП-транзисторы Т1 и Т2 выполняют свои основные усилительныефунк­ции активных элементов, а ТЗ и Т4 — функции резисторов. Такой ДУ иногданазывают усилителем с динамической нагрузкой.

/>

Рис. 16

Коэффициентусиления по на­пряжению для дифференциального сигнала определяется отношениемширин каналов МДП-транзисторов рис. 16 Т1 и ТЗ (или Т2 и Т4). Тех­нологическиэто отношение сделать большим очень трудно, поэтому в реальных структурах Кидиф обычно не превышает 10. И КООС у таких ДУ тоже меньше, чем у ДУна биполярных транзисторах. Однако входные сопротивления велики как длядифференциального, так и для синфазного сигналов (более 1010 Ом). ВДУ на МДП-транзисторах обычно   Rвх плопределяется утечками структуры. Для получения ДУ с очень большими входнымисопротивлениями и с хорошими другими параметрами целесообразно использоватьусилитель рис. 14, в котором транзисторы Т1 и Т2 являются МДП-транзисторами.

ВИС широкое распространение получили замены резисторов транзисторами, которые,являются наиболее предпочтительными элементами для ИС. Пример такой заменыприведен с помощью рис. 15. Однако не только МДП — транзисторы, но и биполярныешироко используются в усилительных ИС (в частности, в ДУ) вместо резисторов RK, т. е.выполняют в усилителях функцию динамических нагрузок.

На рис. 16 приведенапринципиальная схема одного из вариантов ДУ с динамической нагрузкой. Этот ДУвыполнен на комплементарных транзисторах: п-р-п транзисторах Т1, Т2 и р-п-ртранзисторах ТЗ и Т4. Транзисторы Т1 и Т2 выполняют свои обычные функцииусилительных элементов, а транзисторы ТЗ и Т4 — нагрузочных элементов, т. е.резисторов. Транзистор ТЗ включен по схеме диода. Предположим, что на базу утранзистора Т1 приложена в рассматриваемый момент положительная полуволна Uвх1. В результате в цепи транзистора ТЗ возникаетприращение тока ∆Iк1протекающего в направлении, указанном стрелкой на рис. 16. За счет этого токавозникает приращение напряжения между базой и эмиттером ТЗ, которое являетсяприращением входного напряжения для транзистора Т4. Таким образом в цепиэмиттер—коллектор Т4 возникает приращение тока, практически равное ∆Iк1, поскольку в ДУплечи симметричны. Структуру, основой которой являются тран­зисторы ТЗ и Т4,принято называть отражателем тока, или токовым зеркалом. Отражатели токанаходят широкое применение в современных ИС непрерывного дей­ствия.

Итак,в рассматриваемый момент на базу транзистора Т2 приложена отрицательнаяполуволна Uвх2. Следовательно, в цепи его коллектора появилосьотрицательное приращение тока ∆Iк2 протекающего в направлении,указанном стрелкой на рис. 16. При этом приращение тока нагрузки для ДУ равно ∆Iк1 + ∆Iк2, т. е. ДУ сотражателем тока обеспечивает большее усиление дифференциального сигнала. Вданном случае Кидиф = βRн/(Rг + Rвх).Необходимо также отметить, что для рассматриваемого варианта ДУ в режиме покояток нагрузки равен нулю.

Вмногокаскадных УПТ RНявляется входным сопротивлением последующего каскада, величина которого, какбыло показано выше, может быть очень большой. Таким образом, ДУ с от­ражателемтока является усилителем с большим Ки диф и, естественно,обладает всеми преимуществами дифференциальных усилителей.

8.   ТОЧНОСТНЫЕПАРАМЕТРЫ

Дляряда практических применений ДУ предъявляются довольно жесткие требования квеличинам точностных параметров. К точностным параметрам относятся паразитныенапряжения и токи, имеющие место в режиме покоя, но оказывающие влияние накачество усиления рабочего сигнала. Сразу подчеркнем, что точностные параметрылибо обусловлены, либо проявляются через асимметрию плеч ДУ. В идеальном ДУ (сидентичными плечами) погрешности, проявляемые через точностные параметры,отсутствуют. В реальном ДУ за счет асимметрии плеч на выходе устройства всегдаприсутствует разбаланс коллекторных потенциалов транзисторов Т1 и Т2, т. е.присутствует паразитное напряжение между выходами ДУ. Для сведения к нулю этогопаразитного напряжения на вход (плеча) ДУ необходимо подать компенсирующийсигнал. Напряжение этого сигнала называется напряжением смещения нуля Uсм. Оно представляет собой кажущийся входнойдифференциальный сигнал.

НапряжениеUсм представляетсобой функцию нескольких параметров, вернее разброса параметров элементовсхемы. Так, часть напряжения смещения нуля U’см порождается разбросом величин обратных токовэмиттерных переходов транзисторов Iэбо1 и Iэбо2, а другая часть U”см—разбросом номиналов резисторов Rк1 и Rк1. Для этих напряжений можно записать:

/>

Отметим,что и разброс других параметров элементов схемы может некоторым образомповлиять на общую величину Uсм,но, как правило, это влияние менеесущественно. Следует иметь в виду, что Uсм зависит от температуры. Эта зависимость обычнопредставляется самостоятельным точностным параметром — температурнойчувствительностью. Температурная чувствительность dUсм/dTобычно имеет размерность мкВ/град. Для основной части напряжения смещения,возникающей за счет разбаланса токов эмиттеров, температурную чувствительностьможно представить как разность ТКН эмиттерных переходов транзисторов Т1 и Т2.Отметим, что обычно температурная чувствительность уменьшается пропорциональноуменьшению ве­личины Uсм. Ещеодним точностным параметром ДУ является ток смещения ∆Iвх,представляющий собой разбаланс(разность) входных токов (токов баз транзисторов). В реальном ДУ ∆Iвх можно представить через значения токов эмиттеров Iэ01,  Iэ02 коэффициентов усилениятранзисторов по току В1 и B2. вследующем виде:

/>

Наиболее неблагоприятныйслучай будет иметь место, когда Iэ01 > Iэ02  и         В1 <B2. Из (11) следует, что ток смещения уменьшается приснижении рабочих токов ДУ и увеличении коэффициентов В.

Протекаячерез сопротивление источника сигнала, ток смещения создает на нем падениенапряжения ∆IвхRr, действие которогоравносильно ложному дифференциальному сигналу. Поэтому естественнымпредставляются усилия, направленные на снижение ∆Iвх в ДУ.

Среднийвходной ток Iвхср такжеявляется точностным пара­метром ДУ. Его можно представить как

/>

«Из (12) слeдyет, чтодля уменьшения Iвхср и ∆Iвх следует принимать одни и те же меры. Отметим, чтосредний входной ток значительно больше тока смещения.

Протекаячерез Rrсредний входной ток создает на нем падение напряжения, действующее каксинфазный входной сигнал. Хотя и ослабленное в Кисф, раз этонапряжение все же вызовет на выходе ДУ разбаланс потенциалов.

Обаточностных тока представляются и через свои темпера­турные чувствительности. Из(11) и (12) видно, что влияние температуры, прежде всего, проявляется черезизменение коэф­фициентов усиления В. Обычно уменьшение температурныхзависимостей для Iвхср и ∆Iвх достигают за счет снижения самих точностных токов.

Посколькув ДУ на МДП-транзисторах велико входное сопротивление, то входные токиоказываются пренебрежимо малы. Таким образом, ни сами токовые точностныепараметры, ни их температурный дрейф не являются ограничивающими факторами длятаких ДУ. Однако Uсм вДУ на МДП- транзисторах имеет большую величину, чем в ДУ на биполярныхтранзисторах. Поэтому ошибки в работе ДУ на МДП-транзисторах в основномопределяются величиной напряжения смещения нуля.

Внастоящее время ДУ представляет собой основной базовый каскад ИС непрерывногодействия. На основе ДУ создают самые разнообразные усилительные и генераторныеустройства. В частности, ДУ является входным каскадом любого операци­онногоусилителя.

9.    Литература

1.     Титце У., Шенк К. Полупроводниковаясхемотехника. – М.: Мир, 1982.

2.     Степаненко И. П. Основымикроэлектроники. – М.: Сов.радио, 1980.

3.     Игумнов Д. В., Костюнина Г. П.Полупроводниковые устройства непрерывного действия. – М.: Радио и связь, 1986.

4.     Забродин Ю. С. Промышленнаяэлектроника. – М.: Высшая школа, 1982.

5.     Зи С. М. Физика полупроводниковыхприборов. – М.: Мир, 1984.

6.     Миклашевский  С. П. Промышленнаяэлектроника. – М.: Недра, 1973.

7.     Алексеев О. Вю., Китаев В. Е., ШихинА. Я. Электротехнические устройства. – М.: Энергоиздат, 1981. 

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике