Пояснения к лабораторной работе

Лабораторная работа № 3

Дифференциальный усилитель

Цель работы

Изучить назначение, принцип действия, свойства и возможные схемотехнические решения дифференциального усилительного каскада.

Задание

1. Ознакомиться с принципами построения, характеристиками и свойствами дифференциального усилительного каскада.

2. Исследовать свойства дифференциального усилительного каскада, построенного на биполярных транзисторах.

Пояснения к лабораторной работе

3.1. Краткие сведения

Дифференциальный усилитель (ДУ) является одним из основных каскадов операционного усилителя. Простейший ДУ (рис. 1,а) состоит из двух одинаковых плеч, каждое из которых содержит транзистор и резистор нагрузки. Эмиттеры транзисторов соединены между собой и через резистор Rе подключены к общей шине.

Рис. 1. Дифференциальный каскад с резистором (a) и стабилизатором тока (б) в эмиттерной цепи

Предположим, что каскад абсолютно симметричен, т.е. сопротивления резисторов и параметры транзисторов, входящих в каждое плечо, одинаковы. Тогда при одинаковых входных сигналах U1 и U2 токи транзисторов также будут одинаковы, а это означает, что разность потенциалов между коллекторами (точки 1 и 2) будет равна нулю. Этот случай, когда оба входных сигнала одинаковы как по амплитуде, так и по фазе, называется режимом усиления синфазного сигнала.

Если на оба входа подать одинаковые по уровню, но разные по фазе сигналы, то в результате ток одного транзистора увеличится, а другого на столько же уменьшится. В этом случае разность потенциалов между коллекторами будет пропорциональна удвоенному значению изменения напряжения на коллекторе транзисторов. При этом через резистор Re будет течь неизменный ток.

Если положительное приращение получит сигнал только на одном входе, например, на первом, это приведет к увеличению коллекторного тока транзистора VT1 и, следовательно, тока через резистор Re. Но увеличение падения напряжения на резисторе Re вызовет уменьшение разности потенциалов между базой и эмиттером транзистора VT2, и его ток уменьшится, причем изменение тока транзистора VT2 будет таково, что приращения напряжений эмиттер-база обоих транзисторов будут одинаковы. Следовательно, при увеличении входного напряжения на некоторую величину потенциал эмиттера увеличится на половину этой величины. При этом приращение напряжения база-эмиттер для обоих транзисторов будет одинаковым, но разного знака.

Важной характеристикой ДУ является коэффициент подавления синфазного сигнала, который показывает, во сколько раз коэффициент усиления дифференциального входного сигнала, приложенного между входами каскада, больше коэффициента усиления синфазных сигналов, действующих между каждым входом и общей шиной (землей). Анализ показывает, что для увеличения коэффициента подавления необходимо увеличивать сопротивление Re. Однако при этом приходится сталкиваться с проблемой обеспечения необходимого режима транзисторов по постоянному току. Трудности заключаются в необходимости увеличения напряжения питания до такой величины, что его реализация становится технически нецелесообразной. Кроме того, на резисторе Re при этом будет бесполезно рассеиваться электрическая мощность, что снижает КПД каскада.

Для устранения этого недостатка вместо резистора Re включают транзистор по схеме с ОЭ (рис. 1,б), который выполняет роль источника тока. Выходное сопротивление транзистора VT3 не равно бесконечности и примерно равно дифференциальному сопротивлению коллекторного перехода.

3.2 Исследуемые свойства

Важнейший параметр ДУ — коэффициент усиления дифференциальной составляющей сигнала К, который часто называют просто коэффициентом усиления. ДУ при анализе может рассматриваться как каскад с ОЭ при Re=0. Следовательно, его коэффициент усиления определяется выражением

K=aRk/[Re'+(1-a)(Ri+ R_b')], (1)

где R_k =R1=R2; R_e', R_b'— объемные сопротивления эмиттера и базы соответственно; Ri — внутреннее сопротивление источников входного сигнала; a — коэффициент усиления тока в схеме с ОБ.

Очевидно, что коэффициент усиления ДУ значительно больше, чем у каскада с ОЭ, поскольку Re=0 (для каскада с ОЭ коэффициент усиления обратно пропорционален Re'+Re). Следовательно, при гораздо меньшей нестабильности статического режима ДУ имеет гораздо больший коэффициент усиления, что является его вторым важным преимуществом.

В случае источников сигнала с малым внутренним сопротивлением (R_i менее 1 кОм) и небольших рабочих токах (менее 1 мА) вторым слагаемым в знаменателе выражения (7.8) можно пренебречь; тогда

K»a(Rk/Re'). (2)

При α=0,9, Rk=4 кОм и Re'=10 Ом получаем К=360.

При определении коэффициента усиления синфазной составляющей на оба входа ДУ подается входной сигнал от одного источника. При таком условии коэффициент усиления синфазной составляющей Кс определяется как

Kc=aRk/ Ri. (3)

Следующий параметр ДУ - коэффициент подавления синфазной составляющейКдc - характеризует влияние синфазной составляющей входного сигнала на дифференциальную составляющую выходного сигнала. Поскольку на практике синфазная составляющая входного сигнала может в тысячи раз превышать дифференциальную составляющую, то значение Кc должно быть меньше К на несколько порядков. Соотношение модулей этих двух величин принято характеризовать коэффициентом подавления синфазной составляющей, выраженным в децибелах:

Kп=201g|K/Kс|. (4)

3.3. Схема для исследования ДУ

Схема для исследования ДУ показана на (рис. 2). По сравнению с рис. 1,б она дополнительно содержит элементы задания статического режима (резисторы R1s, R2s), блокировочный конденсатор Сb в цепи питания, источники входного сигнала, внутренние сопротивления которых имитируются резисторами Ri, Ri’, а также контрольно-измерительные приборы. С помощью вольтметров, подключенных к коллекторам транзисторов ДУ, можно измерять напряжения смещения при изменении сопротивлений резисторов Rl, R2, Ri, Ri’ и параметров транзисторов в статическом режиме и сравнивать полученные результаты с данными расчетов по формулам (1) - (4), а с помощью вольтметра в эмиттерной цепи транзистора VT3 —контролировать ток покоя по напряжению на резисторе Re. Изменяя фазу источников входных сигналов, можно имитировать чисто синфазные входные сигналы (фаза обоих источников выбирается одинаковой, амплитуда — не более напряжения питания Ucc), дифференциальные сигналы (параметры источников показаны на рис. 2), смешанный режим (фазы отличаются на несколько градусов, амплитуда — несколько меньше Ucc).

Рис. 2. Схема испытаний ДУ и осциллограммы выходных сигналов в режиме дифференциального сигнала

Для улучшения характеристик транзисторных ДУ используется ряд схемотехнических решений, в частности, широкое применение нашел каскад Дарлингтона и более качественный стабилизатор тока (рис. 3).

Каскад Дарлингтона (рис. 3,а) относится к классу так называемых составных транзисторов, обладающих такими свойствами, которые трудно или невозможно получить в транзисторах с обычной структурой. Особенностью каскада Дарлингтона является исключительно большой коэффициент усиления тока базы, равный: b=b₁+b₂+b₁b₂, где b₁,b₂ — коэффициенты усиления тока транзисторов VT1 и VT2. Во всех практических случаях первые два члена в правой части приведенного выражения не существенны и эквивалентный коэффициент усиления можно записать в виде b=b₁b₂.

Если составляющие b₁ и b₂ равны 100... 200, то коэффициент усиления тока b составит (1... 4)10⁴. В практических схемах b₁ может быть существенно меньше b₂. Поэтому реальные значения коэффициента b составляют несколько тысяч, как и у транзисторов со сверхтонкой базой. Этот недостаток каскада Дарлингтона объясняется существенной разницей эмиттерных токов транзисторов. Для их выравнивания параллельно эмиттерному переходу транзистора VT2 включают резистор R (рис. 3,б), что позволяет достичь коэффициента усиления порядка 1000... 5000.

а) б) в) г)

Рис 3. Схемы включения каскада Дарлингтона и "токового зеркала"

Идея стабилизатора тока на рис. 3,в заключается в стабилизации напряжения базы транзистора с помощью параметрического стабилизатора, состоящего из стабилитрона VD и последовательно включенного с ним балластного резистора Rb. Постоянство напряжения на базе обеспечивает постоянство напряжения на резисторе Re и однозначно связанный с коллекторным током ток эмиттера, протекающий через нагрузку Rn.

В аналоговых интегральных схемах широкое распространение получил стабилизатор тока под названием "токовое зеркало" или отражатель тока (рис. 3,г). Из сравнения схем на рис. 3,в,г нетрудно установить сходство между отражателем тока и простейшим стабилизатором. Отличие заключается в том, что в отражателе вместо стабилитрона используются резистор R1 и прямо смещенный р—n -переход, роль которого играет транзистор VT1, включенный по схеме диода.

Если сопротивления R1 и R2 сделать неодинаковыми, то неодинаковыми будут и токи эмиттеров. При этом ток в нагрузке равен

I_n=I_s(r1/r2), (5)

I_s – ток через резистор R1.

Как видно из выражения (5), ток I_n может быть больше или меньше тока I_s, в зависимости от отношения R1/R2; обычно оно не превышает нескольких единиц из-за ограничений по площади, занимаемой на кристалле резисторами с большим сопротивлением.

Из (5) следует, что выходным током I_n можно управлять, меняя тем или иным способом входной ток I_в, в чем и проявляется достоинство отражателя тока. Кроме того, в выражение (5) не входят ни напряжение на стабилитроне, ни коэффициент усиления тока. Это значит, что работа отражателя тока в первом приближении не зависит от изменения этих параметров, т.е. от изменений температуры прежде всего.

Чтобы обеспечить особо малые выходные токи (например, при работе ДУ в микрорежиме) сопротивление R1 делают равным нулю. Для такого варианта I_n=(φ/R2) ln (I_s/I_n) зависимость тока нагрузки I_n от тока управления I_в значительно слабее, а управление выходным током менее эффективно.