 |
Дифференциальные усилительные каскады
|
|
|
|
Для усилительных каскадов на биполярных транзисторах в схеме с ОЭ, ОК, ОБ имеется ряд трудностей:
1) При стабилизации режима покоя (нагревание активных элементов с помощью сопротивления в эмиттерной цепи) происходит значительное уменьшение коэффициента усиления засчет ООС.
2) При связи каскадов друг с другом коэффициент усиления уменьшается засчет потерь на резистивных элементах. Для снижения этого явления применяется схема со сложным источником питания.
3) В усилителях (для всех схем включения) имеется дрейф нуля, который снижает коэффициент усиления
Дифференциальный каскад (ДК) – симметричные усилитель постоянного тока с двумя входами, выполненный на двух транзисторах с эмиттерной связью.
В идеальном ДК выходное напряжение пропорционально только разности входных напряжений и не зависит от их абсолютных величин.
Рис. 1 Принципиальная схема
 |  |
В идеальном ДК идентичными считают элементы в обоих плечах, а Rэ является общим эмиттером.
ДК называется параллельно-балансовым каскадом. Питание осуществляется от двух источников равных по модулю Е. Таким образом суммарное напряжение на ДК составляет 2Е. В схеме имеются взаимосимметричные точки.
Сигналы, равные по амплитуде и одинаковые по знаку, действующие во взаимосимметричных точках будут называться синфазными.
Сигналы, равные по амплитуде, но противоположные по знаку – парафазные.
В общем случае если на входах ДК действуют сигналы различной величины, то такое изменение входного сигнала называется дифференциальным или разностным.
Произвольные сигналы, действующие на вход ДК, можно представить в виде суммы синфазного и парафазного сигналов.
|
|
|
Тогда для сигналов на входах VT1 и VT2 должно сохранятся соотношение:
Uвх1=Uвх. сф + Uвх. пф
Uвх2=Uвх. сф - Uвх. пф
Откуда и следует способ определения этих составляющих. Тогда назначение ДК состоит в усилении разности входного сигнала Uвх. раз=Uвх1-Uвх2. Отсюда, усиление разностного входного сигнала сводится к рассмотрению усиления парафазной составляющей входного сигнала. Для идеального симметрического ДК:
Поэтому разность сигнала на выходе между коллекторами определиться как
 |
Т. е. коэффициент усиления разностного сигнала совпадает с коэффициентом усиления парафазного сигнала в каждом плече
Uвых. раз = Ku(Uвх1 – Uвх2)
Это выражение показывает, что выходной разностный сигнал не зависит от величины синфазного сигнала. Идеальный ДК не усиливает синфазные сигналы. В идеальном ДК не будет появляться Uраз в случае возможной нестабильности источника питания, т. е. не будет появляться дрейф нуля.
Пренебрегая базовым током транзистора Iэ1= Iэ2= Iэ/2, Iк1= Iк2= Iэ/2.
При действии дифференциального сигнала увеличение коллекторного тока одного транзистора соответствует уменьшению коллекторного тока другого транзистора. Реальную симметрию каскада можно обеспечить не лучше чем на 2-4%, это приводит к появлению на выходе ложного сигнала (ошибки) вызванного синфазным сигналом. С учетом коэффициента усиления это может привести к превышению ложного сигнала над небольшим полезным сигналом. Для борьбы с этими явлением после принятия мер по симметрированию она достигается балансировкой плеч. Остается один пункт - сильное уменьшение коэффициента усиления для уменьшения синфазного входного сигнала каждым плечом. Практически нужно подключит Rэ с большим сопротивлением.
Введем коэффициент усиления синфазного сигнала в каждом плече для идеального ДК
 | ||||
 | ||||
 | ||||
|
|
|
(1- 
)< < 1
Rэ> > rэ
Режим х. х. при нагрузке R~=Rк||Rн
Т. к. Rэ общее, то его необходимо увеличить в 2 раза
Rк = 5кОм Rэ = 1МОм, тогда Ксф = 10-3
Правильно говорить, не о коэффициенте усиления, а о коэффициенте передачи синфазного сигнала или о его подавлении. Т. о. при помощи этого разность двух сигналов стремиться к нулю.
При симметрии
1 = + ∆ Rк1 = Rк + ∆ Rк
2 = - ∆ Rк2 = Rк - ∆ Rк
 | ||
 | ||
- степень асимметрии
Uвых = Kпр Uвх. сф, Кпр – коэффициент преобразования синфазного сигнала в разностный сигнал на выходе (сигнал ошибки)вх1
 |
Можно сказать, если ток Iэ1 в первом плече увеличивается, то ток Iэ2 должен уменьшаться. Усилитель в схеме с ОЭ увеличивает ток, напряжение и переворачивает фазу, выходное сопротивление мало. Усилитель в схемах с ОК (эмиттерный повторитель) не переворачивает фазу, повторяет напряжение, фазу и усиливает ток, малое выходное сопротивление. Усилитель в схеме с ОБ усиливает напряжение, но не усиливает ток, более помехозащищенный. Выходное сопротивление равно 2Rк. Входное сопротивление в схеме с ОЭ равно 2h11э. Напряжения ошибки необходимо сравнить с полезным выходным разностным напряжением, введем коэффициент ослабления синфазного входного сигнала, которое показывает во сколько раз коэффициент усиления дифференциального входного сигнала выше, чем синфазный сигнал
-> 0 => Kосс-> ∞
При нагрузке Rн включается параллельно Rк
Для поддержания нормального режима работы необходимо увеличить напряжение питания эмиттерной цепи, но иногда можно это не делать и включить источник стабильного тока
рис. 2
Частотные характеристики
 |
Ri – входное сопротивление источника питания
 |
|
|
|
