Дифференциальные усилители

В настоящее время наибольшее распространение в микроэлектронике получили дифференциальные (параллельно-балансные или разностные) усилители. Такие усилители просто реализуются в виде монолитных ИМС и широко выпускаются отечественной промышленностью: К118УД, KP198УT1 и др. Их отличает высокая стабильность работы, малый дрейф нуля, большой коэффициент усиления дифференциального сигнала и большой коэффициент подавления синфазных помех.

На рис. 2.40 приведена принципиальная схема простейшего варианта дифференциального усилителя (ДУ). Любой ДУ выполняется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами и , а два других - транзисторами и . Сопротивление нагрузки включается между коллекторами транзисторов, т. е. в диагональ моста. Сразу отметим, что резисторы и имеют небольшие значения, а часто и вообще отсутствуют. Можно считать, что резистор подключен к эмиттерам транзисторов.

Отметим, что питание ДУ осуществляется от двух источников, напряжения которых равны (по модулю) друг другу. Таким образом, суммарное напряжение питания ДУ равно 2E. Использование второго источника (-Е) позволяет снизить потенциалы эмиттеров и до потенциала общей шины. Это дает возможность подавать сигналы на входы ДУ без введения дополнительных компенсирующих напряжений.

При анализе работы ДУ принято выделять в нем два общих плеча, первое из которых состоит из транзистора и резистора (и ), а второе - из транзистора и резистора (и ). Каждое общее плечо ДУ является каскадом ОЭ, т. е. ДУ состоит из двух каскадов ОЭ. В общую цепь эмиттеров транзисторов включен резистор , которым и задается их общий ток.

Для того чтобы ДУ качественно и надежно выполнял свои функции, а также мог в процессе длительной работы сохранить свои параметры и свойства, в реальных усилителях требуется выполнить два основных требования.

Первое требование состоит в симметрии обоих плеч ДУ. Необходимо обеспечить идентичность параметров каскадов ОЭ, образующих ДУ. При этом должны быть одинаковы параметры транзисторов и , а также (и ). Если это требование выполнено полностью, то больше ничего и не требуется для получения идеального ДУ. Действительно, при достигается полный баланс моста, т. е. потенциалы коллекторов транзисторов одинаковы, следовательно, напряжение на нагрузке равно нулю. При одинаковом дрейфе нуля в обоих каскадах ОЭ (плечах ДУ) потенциалы коллекторов будут изменяться всегда одинаково, поэтому на выходе ДУ дрейф нуля будет отсутствовать. За счет симметрии плеч ДУ обеспечивается высокая стабильность при изменении напряжения питания, температуры, радиационного воздействия и т. д.

Симметрию общих плеч ДУ могут обеспечить лишь идентичные элементы, в которых все одинаково и которые были изготовлены в абсолютно одинаковых условиях. Так, в монолитной ИМС близко расположенные элементы действительно имеют почти одинаковые параметры. Следовательно, в монолитных ИМС первое требование в ДУ почти выполнено. Это позволяет реализовать ДУ пусть не с идеальными, но все же с хорошими параметрами, но при непременном выполнении второго основного требования к ДУ.

Второе основное требование состоит в обеспечении глубокой ООС для синфазного сигнала. Синфазными называются одинаковые сигналы, т. е. сигналы, имеющие равные амплитуды, фазы и формы. Если на входах ДУ (рис. 2.40) присутствуют , причем с совпадающими фазами, то можно говорить о поступлении на вход ДУ синфазного сигнала. Синфазные сигналы обычно обусловлены наличием помех, наводок и т. д. Часто они имеют большие амплитуды (значительно превышающие полезный сигнал) и являются крайне нежелательными, для работы любого усилителя.

Выполнить второе основное требование позволяет введение в ДУ резистора (или его электронного эквивалента). Если на вход ДУ поступает синфазная помеха, например, положительной полярности, то транзисторы и приоткроются и токи их эмиттеров возрастут. В результате, по резистору будет протекать суммарное приращение этих токов, образующее на нем сигнал ООС. Нетрудно показать, что образует в ДУ последовательную ООС по току. При этом будет наблюдаться уменьшение коэффициента усиления по напряжению для синфазного сигнала каскадовОЭ, образующих общие плечи ДУ, который можно рассчитать с помощью (2.33). Таким образом, для коэффициента усиления ДУ для синфазного сигнала можно записать:

, (2.42)

Чем лучше симметрия плеч ДУ, тем меньше . Поскольку идеальная симметрия невозможна даже в монолитной ИМС, то всегда . При заданном уменьшить удается за счет увеличения глубины ООС, т. е. увеличения . В результате удается значительно подавить синфазную помеху.

Теперь рассмотрим работу ДУ для основного рабочего входного сигнала - дифференциального. Дифференциальными (противофазными) сигналами принято называть сигналы, имеющие равные амплитуды, но противоположные фазы. Будем считать, что входное напряжение подано между входами ДУ, т. е. на каждый вход поступает половина амплитудного значения входного сигнала, причем в противоположных фазах. Если в рассматриваемый момент времени представляется положительной полуволной, то - отрицательной.

За счет действия транзистор приоткрывается и ток его эмиттера получает положительное приращение , а за счет действия транзистор призакрывается и ток его эмиттера получает отрицательное приращение - . В результате приращение тока в цепи резистора будет . Если общие плечи ДУ идеально симметричны, то и, следовательно, ООС для дифференциального сигнала отсутствует . Это обстоятельство позволяет получать от каждого каскада ОЭ в рассматриваемом усилителе, а следовательно, и от всего ДУ большое усиление. Так как для дифференциального входного сигнала в любой момент времени напряжения на коллекторах транзисторов и будут находиться в противофазе, то на нагрузке происходит выделение удвоенного выходного сигнала. Итак, резистор образует ООС только для синфазного сигнала.

На практике можно использовать четыре схемы включения ДУ: симметричный вход и выход, симметричный вход и несимметричный выход, несимметричный вход и симметричный выход, несимметричный вход и выход. При симметричном входе источник входного сигнала подключается между входами ДУ (между базами транзисторов). При симметричном выходе сопротивление нагрузки подключается между выходами ДУ (между коллекторами транзисторов). Такое включение ДУ и было рассмотрено выше (рис. 2.40).

При несимметричном входе источник входного сигнала подключается между одним входом ДУ и общей шиной. Коэффициент усиления ДУ не зависит от способа подачи входного сигнала, т. е. не зависит от того, симметричный или несимметричный вход.

При несимметричном выходе сопротивление нагрузки подключается одним концом к коллектору одного транзистора, а другим - к общей шине. В этом случае оказывается в 2 раза меньше, чем при симметричном выходе.

Если при несимметричном входе и выходе входной сигнал подан на вход того же плеча, с выхода которого и снимается выходной сигнал ДУ, то в этом случае работает на усиление лишь одно плечо. Здесь на выходе получаем инвертированный сигнал. Когда входной сигнал подан на вход одного плеча ДУ, а выходной сигнал снимается с выхода другого плеча, то на выходе получаем неинвертированный сигнал с тем же , что и в первом случае. Если снимать выходной сигнал всегда с одного заданного выхода, то входам ДУ можно присвоить название «инвертирующий» и «неинвертирующий».

Одним из основных параметров ДУ является коэффициент ослабления (подавления) синфазного сигнала (КООС). Обычно КООС представляется как отношение к , т. е.

.

Используя (2.42), можно записать:

, (2.43)

где - коэффициент асимметрии ДУ. При необходимости коэффициент асимметрии можно дополнить слагаемыми, представляющими разброс других параметров элементов устройства. Напомним, что разброс номиналов резисторов в монолитных ИМС не превышает 3%.

В ДУ всегда стремятся сделать КООС как можно больше. Для этого следует увеличивать . Однако существует несколько причин, ограничивающих эту возможность, самая главная - это большие трудности при реализации резисторов значительных номиналов в монолитных ИМС.

Решить эту проблему позволяет использование электронного эквивалента резистора большого номинала, которым является источник стабильного тока (ИСТ). На рис. 2.41 приведена принципиальная схема ДУ с ИСТ. Здесь ИСТ выполнен на транзисторе . Резисторы , и , а также диод VD служат для задания и стабилизации режима покоя транзистора . Рабочая точка для располагается на пологой части его выходной ВАХ. В результате при изменении напряжения на таком ИСТ его ток остается практически постоянным. В реальных условиях ИСТ представляет собой эквивалент сопротивления для изменяющегося сигнала (в нашем случае синфазного) значительного номинала - до единиц МОм.

Существует много вариантов схем ДУ, но в них всегда используются ИСТ. В таких ДУ значения КООС обычно лежат в пределах 60—100дБ.

Для ряда практических применений к ДУ предъявляются довольно жесткие требования по величинам точностных параметров, к которым относятся паразитные напряжения и токи, имеющие место в режиме покоя, но оказывающие влияние на качество усиления рабочего сигнала. Отметим, что точностные параметры либо обусловлены, либо проявляются через асимметрию плеч ДУ.

В идеальном ДУ (с идентичными плечами) погрешности, проявляемые через точностные параметры, отсутствуют.

За счет асимметрии плеч в реальном ДУ всегда присутствует разбаланс коллекторных потенциалов транзисторов и , т. е. наблюдается паразитное напряжение между выходами ДУ. Это напряжение и определяется напряжением смещения нуля . Величина представляет собой кажущийся входной дифференциальный сигнал. Чтобы

приблизить к нулю, необходимо подать на вход компенсирующий сигнал.

Следует иметь в виду, что зависитот температуры. Эта зависимость представляется самостоятельным параметром - температурной чувствительностью (мкВ/град). Отметим, что температурная чувствительность уменьшается пропорционально уменьшению .

Еще одним точностным параметром ДУ является ток смещения , представляющий собой разбаланс (разность) входных токов покоя. В реальном ДУ можно представить через значения токов эмиттеров , и коэффициентов усиления транзисторов по току и в следующем виде:

. (2.44)

Наиболее неблагоприятный случай имеет место при и . Из (2.44) следует, что ток смещения уменьшается при снижении рабочих токов ДУ и увеличении коэффициентов . Протекая через сопротивление источника сигнала, ток смещения на нем создает падение напряжения, действие которого равносильно ложному дифференциальному сигналу. Поэтому естественными представляются усилия, направленные на снижение в ДУ.

Средний входной ток также является точностным параметром ДУ. Средний входной ток значительно больше тока смещения. Протекая через сопротивление источника сигнала, он создает на нем падение напряжения, действующее как синфазный входной сигнал. Хотя и ослабленное в раз, это напряжение все же вызовет на выходе ДУ разбаланс потенциалов.

Широкое распространение в аналоговых ИМС получили отражатели тока или токовое зеркало. Отражатели тока (рис. 2.42.а) выполняют на взаимно согласованных транзисторах Т₁, Т₂ , … , Т_N , изготовленных групповым способом на одном кристалле кремния.

Параллельное соединение эмиттерных переходов всех транзисторов, при котором , гарантирует равенство их коллекторных токов. Ток одного из транзисторов (Т1) используется в качестве сигнала отрицательной обратной связи. Он вычитается из входного тока , в результате образуется сигнал рассогласования , управляющий посредством автоматического регулятора (АР) режимом работы транзисторов. При идеальном АР значение таково, что сигнал рассогласования и, следовательно, . Различные схемные реализации отражателей тока отличаются друг от друга главным образом исполнением АР.

В простейшем случае (рис. 2.42 б) разностный сигнал подается непосредственно на шину, соединяющую базы транзисторов. Однако это приводит к погрешности, так как сигнал рассогласования отличается от нуля на значение суммарного базового тока . В схеме на рис. 2.42,в эта погрешность уменьшена за счет использования эмиттерного повторителя в 1+β раз. Вариант отражателя тока, изображенный на рис. 2.43 , позволяет «отражать» ток как в увеличенном, так и в уменьшенном масштабе, в зависимости от соотношения сопротивлений R1 и R2 в эмиттерах транзисторов Т1 и Т2. Отраженный ток I₂ можно определить в виде . При выходной ток определяют из выражения .

Входной ток согласно рис. 2.43 выражается следующим образом: . Если то ток зависит только от напряжения источника питания и резистора . Из выше сказанного следует, что отражатели тока можно использовать в качестве источников стабильного тока (ИСТ). Важным достоинством отражателей тока является возможность создания сразу нескольких источников стабильного тока при единственной токозадающей цепи.

На рис. 2.44 приведена упрощенная схема дифференциального каскада с однофазным выходом, на двух комплементарных парах взаимно согласованных биполярных транзисторов. Транзисторы Т1 и Т2 первой пары включены по схеме, по сути не отличающейся от схемы обычного дифференциального каскада (см. рис. 2.41) Транзисторы Т3 и Т4 второй пары образуют отражатель тока, использующийся в качестве динамической нагрузки в коллекторных цепях Т1 и Т2. Пусть на базы транзисторов Т1 и Т2 поступают соответственно сигналы и . При этом коллекторный ток изменится на величину . Приращение будет повторено отражателем тока в коллекторной цепи транзистора Т4 и даст приращение коллекторного потенциала . Точно такая же величина получится под действием приращения , обусловленного сигналом . В результате получаем на выходе: , где - коэффициент усиления; - входное сопротивление следующего каскада. Таким образом, использование отражателя тока позволяет не только получить высокий коэффициент усиления (до нескольких тысяч), но и удвоить сигнал на однотактном выходе ДУ.