ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА (ДУ)

ДУ является основным базовым элементом современной аналоговой электроники. На его основе строятся операционные усилители, модуляторы, перемножители сигналов, усилители с электронной регулировкой коэффициента усиления для диапазона частот от постоянного тока до сотен и тысяч мегагерц.

Основные достоинства ДУ:

- высокий коэффициент усиления;

- высокая стабильность работы транзисторов при изменении их параметров;

- нечувствительность к изменению в широких пределах условий работы (питающих напряжений, температуры окружающей среды и др.);

- простота сопряжений уровней напряжений при построении многокаскадных систем;

- возможность реализации законченных многокаскадных устройств в виде однокристальных монолитных интегральных микросхем.

Простейший ДУ состоит (рис. 4.1) из дифференциальной пары транзисторов VT1, VT2 и источника стабильного тока (ИСТ) в их общей эмиттерной цепи. Питание расщепленное , середина которого есть общий провод. Вследствие наличия ИСТ .

Напряжения изменяются относительно общего провода. Различают дифференциальный входной сигнал и синфазный . Выходной сигнал такого каскада равен разности напряжений на коллекторах транзисторов VT1 и VT2: . При отсутствии входного сигнала и равенства это напряжение будет равным нулю и не зависит от напряжения источников питания.

Это напряжение не изменится и в том случае, если параметры плеч ДУ будут меняться одновременно по одному и тому же закону. Таким образом, стабильность схемы определяется идентичностью характеристик транзисторов дифференциальной пары. Добиться идентичности параметров пары транзисторов при их обычном конструктивном исполнении в виде двух законченных полупроводниковых приборов практически невозможно, поэтому реализация преимуществ ДУ стала возможной после появления интегральной полупроводниковой технологии. В этом случае дифференциальная пара изготавливается на общей подложке в рамках единого технологического процесса. При этом все дестабилизирующие факторы, влияющие на параметры транзистора, будут сказываться на обоих транзисторах пары в одинаковой степени, и электрические характеристики транзисторов будут мало отличаться друг от друга. Тем не менее на выходе схемы будет существовать некоторое напряжение, которое приводится ко входу и называется напряжением смещения нуля .

Если же на вход схемы подан некоторый сигнал постоянного тока, вызывающий появление напряжения , стабильность этого напряжения будет определяться также и стабильностью тока в общей эмиттерной цепи .

Поэтому для питания эмиттерной цепи используются специальные схемы стабилизации тока. Величина выходного тока такого источника не должна зависеть от сопротивления нагрузки, напряжения источников питания, температуры.

ИСТ может быть построен на двух транзисторах VT₁ и VT₂ (рис. 4.2).

Нагрузкой транзистора VT₂ является дифференциальная пара ДУ ( ). Транзистор VT₂ управляется с помощью транзистора VT₁, включенного в диодном режиме.

Транзисторы благодаря интегральной технологии обладают идентичными характеристиками и имеют высокий коэффициент усиления по току: .

Из рис.4.2 видно, что (4.1)

или . (4.2)

Подставляем (4.2) в (4.1), имеем (4.3)

Так как ток является независимым, а ,то транзистор VT2 является идеальным источником тока. Благодаря тому, что ток равен току , эта схема называется токовым зеркалом. Из определения видно, что дифференциальный сигнал изменит (синфазный сигнал при этом неизменен) только напряжение переходов база-эмиттер; напряжение эмиттера при этом останется неизменным( ).

.

Т.к. характеристики транзисторной пары идентичны (крутизна ), то

.

Коэффициент усиления дифференциального сигнала

Принимая во внимание, что

. (4.4)

Если входной сигнал поступает одновременно на два входа ( ), то такой сигнал называют синфазным ( ).

Привести к заметному изменению тока в каждом плече этот сигнал не может, т.к. в эмиттерной цепи установлен ИСТ. Следовательно, примерно на величину должен увеличиться потенциал эмиттеров, а не напряжение переходов , так как

, (4.5)

где - дифференциальное внутреннее сопротивление ИСТ.

Т.к. - мало (влияет ИСТ), то велико (достигает нескольких МОм). Поэтому коэффициент усиления синфазного сигнала в одном плече:

,

т.к. ,то или с учетом (4.5)

. (4.6)

В связи с тем, что , близко к нулю.

Если же плечи идентичны, то .

На самом деле из-за не идентичности параметров плеч будет присутствовать некоторый сигнал. Отношение величины входного синфазного сигнала к величине выходного в этом случае называют коэффициентом подавления синфазного сигнала.

В итоге, благодаря схемному решению, благодаря интегральной полупро-водниковой технологии, благодаря наличию источника стабильного тока, по-лучена схема, обладающая ценными качествами:

- выходное напряжение не зависит от температуры, от напряжения источника, от нелинейных характеристик транзисторов;

- схема имеет высокий дифференциальный коэффициент усиления;

- синфазный коэффициент усиления близок к нулю.