Дифференциальный усилитель

Простой дифференциальный усилитель. Идею работы ДУ можно пояснить на примере четырех плечевого моста (рис.4), выполненного на резисторах R1,R2,R3,R4.

Рис.4. Схема четырех плечевого моста

В одну диагональ моста включен источник U, а в другую – сопротивление нагрузки R_Н. Если выполняется условие R1/R2 = R3/R4, то мост сбалансирован, и ток в R_Н будет равен нулю. Баланс не нарушится, если будут меняться напряжение U и сопротивления резисторов плеч моста, но при условии, что соотношение R1/R2 = R3/R4 сохранится.

Основная схема самого простого дифференциального усилителя представлена на рис.5.

Рис.5

Очевидно, что она аналогична схеме моста на рис.4, если R2 и R4 заменить транзисторами VT1 и VT2 и считать, что R1 = R_к1, а R3 = R_к2.

Любой ДУ выполняется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами R_к1 и R_к2, а два других – транзисторами VT1 и VT2. Сопротивление нагрузки включается между коллекторами транзисторов, т.е. в диагональ моста. Резистор R_Э подключен к эмиттерам транзисторов и создает последовательную отрицательную обратную связь (ООС) по току.

Питание ДУ осуществляется от двух источников, напряжения которых равны друг другу по величине. Таким образом, суммарное напряжение питания ДУ равно 2Е_ПИТ.

При анализе работы ДУ принято выделять в нем два общих плеча, одно из которых состоит из транзистора VТ1 и резистора R_к1, второе – из транзистора VТ2 и резистора R_к2.

Каждое общее плечо ДУ является каскадом усилителя по схеме с ОЭ. Таким образом, ДУ состоит из двух каскадов усиления по схеме с ОЭ.

В общую цепь эмиттеров транзисторов включен резистор R_Э, которым и задается их общий ток.

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

Первое основное требование состоит в симметрии обоих плеч ДУ. По этому требованию необходимо обеспечить идентичность параметров каскадов ОЭ, образующих ДУ. При этом должны быть одинаковы параметры транзисторов VТ1 и VТ2, а также R_к1 = R_к2 .

Если первое требование выполнено полностью, то больше ничего не требуется для получения идеального ДУ. Действительно, при U_вх1 = U_вх2 = 0 достигается полный баланс моста, т.е. потенциалы коллекторов транзисторов VТ1 и VТ2 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 общих плеч ДУ будет обес­печиваться высокая стабильность при воздействии различных факторов – изменении напряжения питания, температуры, радиационного воздействия и т.д.

Обеспечить симметрию общих плеч в ДУ на дискретных элементах, т.е. с весьма близкими параметрами, практически невозможно, так как с течением времени параметры транзисто­ров и резисторов будут изменяться различным образом, на них будут влиять внешние факторы, и, следовательно, нарушится симметрия плеч. Значит, на дискретных элементах (изготовленных в разное время и в разных условиях) выполнить первое требование для ДУ невозможно. Поэтому ДУ не нашли массового применения в дискретной электронике.

Приблизиться к выполнению первого требования для ДУ позволила микроэлектроника. Симметрию общих плеч ДУ могут обеспечить лишь идентичные элементы, в которых все одинаково и которые были изготовлены в аб­солютно одинаковых условиях.

Например, в полупроводниковой монолитной интегральной микросхеме (ИМС) близко расположенные элементы имеют почти одинаковые параметры. Таким образом, в монолитных ИМС первое требование к ДУ почти выполнено. Это «почти» позволяет реализовать ДУ не с идеальными, но с хорошими параметрами при выполнении второго требования к ДУ.

Второе основное требование состоит в создании глубокой ООС для синфазного сигнала. Синфазными являются одинаковые сигналы, т.е. сигналы, имеющие равные амплитуды, формы и фазы.

Если на входах ДУ (рис.5) присутствуют U_вх1 = U_вх2, причем с совпадающими амплитудами, фазами и формой, 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, вредными для работы любого усилителя.

Например, электромагнитное поле сетевого напряжения может наводить на входах дифференциального усилителя ЭДС одинакового знака и величины, которое не будет передаваться на выход за счет взаимной компенсации на выходе. В однокаскадном усилителе напряжения этот эффект отсутствует, так как в нем напряжение на коллекторном выводе одного транзистора отсчитывается относительно одной и той же общей точки, как и на входе.

Выполнить второе требование, создать глубокую ООС, позволяет введение в ДУ резистора R_Э, (или его электронного эквивалента).

В ДУ всегда стремятся сделать коэффициент ослабления синфазного сигнала К_О.С.С как можно больше по величине (для идеального ДУ К_О.С.С = ∞). В реальном ДУ значение К_О.С.С определяется отношением сопротивлений R_Э / r_i ,где r_i – приведенное внутреннее сопротивление транзистора.

Для увеличения К_О.С.С следует увеличивать номинал R_Э. Решить эту проблему позволяет использова­ние электронного эквивалента резисто­ра R_Э большой величины, которым является источник стабильного тока[2](ИСТ).

На рис.6,а приведена принципиальная схема ДУ с ИСТ на дискретных элементах и вариант исполнения ДУ с ИСТ в виде интегральной микросхемы (рис.6,б).

а) б)

Рис.6

На рис.6,а ИСТ выполнен на транзисторе VT3. Резисторы R₁, R₂ и R₃, а также диод VD1 предназначены для задания и стабилизации режима покоя транзистора VT3.

Для реальных условий ИСТ представляет собой эквивалент сопротивления R_Э большого номинала – до единиц мегаом для изменяющегося сигнала (в нашем случае синфазного). Кроме того, в режиме покоя ИСТ представляет собой относительно небольшое сопротивление (порядка единиц килоом), из-за чего и все устройство будет потреблять от источников питания относительно небольшую мощность.

Современные ДУ в интегральном исполнении могут быть выполнены по различным схемам, но в них всегда используется ИСТ. Для таких ДУ значения К_ОСС обычно лежат в пределах 60...100 дБ.

Принцип работы простого ДУ.

Если на вход ДУ (рис.5) поступает сигнал синфазный, например, положительной полярности, то транзисторы VТ1 и VТ2 приотк­роются и токи их эмиттеров I_Э1 и I_Э2 возрастут на ∆I_Э. В результате по резистору R_Э будет протекать суммарное приращение этих токов ∆I_Э1 + ∆I_Э2, образующее на нем сигнал ООС. Резистор R_Э образует в ДУ последовательную ООС по току.

При этом будет наблюдаться уменьшение коэффициентов усиления по на­пряжению для синфазного сигнала K_U.сИНф1 и К_U.сИНф2 каждого из каскадов ОЭ, образующих общие плечи ДУ. Поскольку коэффициент усиления ДУ для синфазного сигнала K_U.сИНф = K_U.сИНф1 – K_U.сИНф2 и за счет выполнения первого основного требования K_U.сИНф1 ≈ K_U.сИНф2 , то удается получить весьма малое значение K_U.сИНф и значительно подавить синфазную помеху.

Дифференциальный сигнал – это для ДУ основной входной рабочий сигнал. Дифференциальные (противофазные) сигналы – это сигналы, имеющие равные амплитуды, но противоположные фазы.

Пусть входное напряжение подано между входами ДУ, т.е. на каждый вход поступает половина амплитудного значения входного сигнала, причем в противоположных фазах. Если U_вх1 в рассматриваемый момент представляется положительной полуволной, то U_вх2 – отрицательной.

За счет действия U_вх1 транзистор VТ1 приоткрывается, и ток его эмиттера I_Э1 получает положительное приращение ∆I_Э1, а за счет действия U_вх2 транзистор VТ2 закрывается, и ток его эмиттера I_Э2 получает отрицательное приращение, т.е. – ∆I_Э2. В результате приращение тока в цепи резистора R_Э будет определяться по формуле

∆I_Rэ = ∆I_Э1 – ∆I_Э2.

Если общие плечи ДУ идеально симметричны, то ∆I_RЭ = 0 и, следовательно, ООС для дифференциального сигнала отсутствует. Это позволяет получать от каждого каскада ОЭ и от всего ДУ большое усиление.

Так как для дифференциального входного сигнала в любой момент времени напряжения на коллекторах транзисторов VТ1 и VТ2 будут находиться в противофазе, то на нагрузке происходит выделение удвоенного выходного сигнала.

Вывод: резистор R_Э, образует ООС только для синфазного сигнала.

Поскольку в реальных ДУ идеальную симметрию плеч осуществить нельзя, то R_Э будет и для дифференциального сигнала создавать ООС, но незначительной величины, при этом чем лучше симметрия плеч, тем меньше ООС.

Таким образом, при выполнении в ДУ двух основных требований он обеспечивает стабильную работу с малым дрейфом нуля, с хорошим усилением дифференциального (разностного) сигнала и со значительным подавлением синфазного (суммарного) сигнала, т.е. синфазной помехи.

Схемы включения ДУ.

В зависимости от того, как подключены в ДУ источник входного сигнала U_ВХ и сопротивление нагрузки R_Н, следует различать схемы его включения:

а) симметричный вход и выход (рис.7,а);

б) симметричный вход и несимметричный выход (рис.7,б);

в) несимметричный вход и симметричный выход (рис.7,в);

г) несимметричный вход и выход (рис.7,г).

а) б)

в) г)

Рис.7

При симметричном входе источник входного сигнала подключается между входами ДУ, т.е. между базами транзисторов VТ1 и VТ2 (рис.5).

При симметричном выходе сопротивление нагрузки подключается между выходами ДУ, т.е. между коллекторами транзисторов VТ1 и VТ2 (рис.5).

При включении ДУ с симметричным входом и несимметричным выходом источник входного сигнала подключается между входами ДУ, а сопротивление нагрузки подключается одним концом к коллектору одного из транзисторов, а другим – к корпусу. При этом в коллекторной цепи второго транзистора может отсутствовать резистор R_K.

Для увеличения входного сопротивления ДУ, при сохранении его высоких усилительных свойств, в схемотехнике этих усилителей применяются полевые транзисторы и составные транзисторы (схема Дарлингтона). При использовании полевых транзисторов характер построения ДУ не меняется, следует только учитывать особенности питания этих транзисторов и термостабилизации их режима работы.

В многокаскадных усилителях постоянного тока и особенно в операционных усилителях первые (первый) каскады усиления выполняются в виде симметричного ДУ, что обеспечивает усиление сигнала почти без дрейфа нуля, а дополнительное усиление может осуществляться в несимметричном дифференциальном каскаде.

Выводы:

1. Дифференциальный усилитель имеет следующие достоинства: малый дрейф нуля; высокую степень подавления синфазных помех.

2. Недостатки дифференциального усилителя: требует двухполярного источника питания; необходима очень высокая симметрия схемы, что реализовать на дискретных элементах чрезвычайно сложно.

[1] часто такой проводник-корпус называют общая шина

[2] в технической литературе ИСТ также называют генератором стабильного тока (ГСТ)

Дата добавления: 2014-08-04; просмотров: 679; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!