Реализация ДУ

Дифференциальные усилители

В настоящее время наибольшее распространение получили УПТ на основе дифференциальных (параллельно-балансных или разностных) каскадов. Такие усилители просто реализуются в виде монолитных ИМС и широко выпускаются промышленностью (КТ118УД, КР198УТ1 и др.). На рис. 11.5 приведена принципиальная схема простейшего варианта дифференциального усилителя (ДУ) на БТ.

Рис. 11.5. Схема ДУ.

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 R_н включено в диагональ моста. Резисторы цепи ПООСТ R_ОС1 и R_ОС2 обычно невелики или вообще отсутствуют, поэтому можно считать, что резистор R_э подключен к эмиттерам транзисторов.

Двухполярное питание позволяет обойтись на входах (выходах) ДУ без мостовых схем за счет снижения потенциалов баз (коллекторов) до потенциала общей шины.

Рассмотрим работу ДУ для основного рабочего режима – дифференциального. За счет действия U_вх1 транзистор VT₁ приоткрывается, и его ток эмиттера получает приращение ∆I_э1, а за счет действия U_вх2 транзистор VT₂ призакрывается, и ток его эмиттера получает отрицательное приращение –∆I_э2. Следовательно, результирующее приращение тока в цепи резистора R_э при идеально симметричных плечах близко к нулю и, следовательно, ООС для дифференциального сигнала отсутствует.

При анализе ДУ выделяют два плеча, представляющие собой каскады с ОЭ, в общую цепь эмиттеров транзисторов которых включен общий резистор R_э, которым и задается их общий ток. В связи с этим представляется возможным при расчете частотных и временных характеристик ДУ пользоваться соотношениями разд. 5 и 8 с учетом замечаний, приведенных в подразд. 10.4. Например, коэффициент усиления дифференциального сигнала K_Uдиф будет равен в случае симметрии плеч (см. подразд. 10.4) K_Uдиф = 2K_Uпл = K₀, т.е. дифференциальный коэффициент усиления равен коэффициенту усиления каскада с ОЭ.

ДУ отличает малый дрейф нуля, большой коэффициент усиления дифференциального (противофазного) сигнала K_Uдиф и большой коэффициент подавления синфазных помех, т.е. малый коэффициент передачи синфазного сигнала K_Uсф.

Для обеспечения качественного выполнения этих функций необходимо выполнить два основных требования. Первое из них состоит в обеспечении симметрии обоих плеч ДУ. Приблизиться к выполнению этого требования позволила микроэлектроника, поскольку только в монолитной ИМС близко расположенные элементы действительно имеют почти одинаковые параметры с одинаковой реакцией на воздействие температуры, старения и т.п.

Второе требование состоит в обеспечении глубокой ООС для синфазного сигнала. В качестве синфазного сигнала для ДУ выступают помехи, наводки, поступающие на входы в фазе. Поскольку R_э создает глубокую ПООСТ для обоих плеч ДУ, то для синфазного сигнала будет наблюдаться значительное уменьшение коэффициентов передачи каскадов с ОЭ, образующих эти плечи.

Коэффициент усиления каждого плеча для синфазного сигнала можно представить как каскада с ОЭ при глубокой ООС. Согласно подразд. 9.2 имеем:

,

.

Теперь можно записать для всего ДУ:

,

где .

Для оценки подавления синфазного сигнала вводят коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС), равный отношению модулей коэффициентов передач дифференциального и синфазного сигналов.

Из сказанного следует, что увеличение КОСС возможно путем уменьшения разброса номиналов резисторов в цепях коллекторов (в монолитных ИМС – не более 3%) и путем увеличения . Однако увеличение требует увеличения напряжения источника питания (что неизбежно приведет к увеличению рассеиваемой тепловой мощности в ДУ), и не всегда возможно из-за технологических трудностей реализации резисторов больших номиналов в монолитных ИМС.

Решить эту проблему позволяет использование электронного эквивалента резистора большого номинала, которым является источник стабильного тока (ИСТ), варианты схем которого приведены на рис. 11.6.

Рис. 11.6. ИСТ на БТ и ПТ.

ИСТ подключается вместо (см. рис. 11.5), а заданный ток и термостабильность обеспечивают элементы , , и (рис. 11.6,а), и (рис. 11.6,б). Для реальных условий ИСТ представляет собой эквивалент сопротивления для изменяющегося сигнала номиналом до единиц мегом, а в режиме покоя – порядка единиц кОм, что делает ДУ экономичным по питанию.

Использование ИСТ позволяет реализовать ДУ в виде экономичной ИМС, с КОСС порядка 100 дБ.

При использовании ПТ характер построения ДУ не меняется, следует только учитывать особенности питания и термостабилизации ПТ.