Амплитудная характеристика каскада

Подача на входы каскада парафазного сигнала приводит к равным, но противоположным изменениям потенциалов его коллекторов (рис. 4.4, а).

Рис. 4.4. Передаточные характеристики каскада: а – для парафазного сигнала; б – для синфазного сигнала

По наклону передаточной характеристики вблизи e_Г=0 легко определяется величина K_{U ПАР}. Максимально возможная амплитуда выходного сигнала определяется попаданием транзистора в режим отсечки, либо насыщения. Оценить максимальное изменение потенциала коллектора и соответствующего входного сигнала можно, зная положение рабочей точки U_К⁰ = E_К – I_К⁰R_К. Из соотношения (4.3) видно, что при максимальной амплитуде выходного напряжения, равного Е_К – U_К⁰ = Е_К/2, максимальное допустимое входное напряжение, соответствующее работе в активной области характеристик транзистора, составляет j _т = 26 мВ при Т = 300 K.

При усилении синфазного сигнала потенциалы коллекторов изменяются одинаково в одну сторону (рис. 4.4, б). При подаче на вход запирающего напряжения, потенциалы коллекторов линейно возрастают вплоть до U_К = = E_К. При подаче положительного сигнала каскад достаточно быстро переходит в режим насыщения (рис. 4.4, б – штриховая линия).

Разбаланс и температурный дрейф каскада

В реальном каскаде малое, но конечное различие в свойствах транзисторов VT1 и VT2, а также резисторов R_К1 и R_К2, всегда имеет место. Это приводит к появлению разности напряжений на выходах каскада

U_К1 – U_К2 = I_К1R_К1 – I_К2R_К2 (4.12)

даже в отсутствие входного сигнала. Рассматривая малые приращения DI_К1, DI_К2, DR_К1, DR_К2 и пренебрегая членами высшего порядка малости, можно записать

U_К1 – U_К2 = I_К DR_К + R_К DI_К, (4.13)

где I_К = (I_К1 + I_К2)/ 2, R_К = (R_К1 + R_К2)/ 2,

DI_К = (I_К1 – I_К2) / 2, DR_К = (R_К1 – R_К2) / 2.

Принято разбаланс каскадов оценивать напряжением U_СМ⁰, которое необходимо приложить к входу, чтобы сбалансировать каскад

U_СМ⁰ = (U_К1 – U_К2) / K_{U ПАР}. (4.14)

Наиболее существенное влияние на разбаланс каскада оказывают четыре причины:

- неидентичность входных характеристик транзисторов,

- неидентичность коэффициентов передачи по току транзисторов b,

- неидентичность сопротивлений в цепи баз,

- неидентичность тепловых токов I_К⁰, протекающих через базу.

Это ведет к преобладанию второго члена в выражении (4.13).

Неидентичность входных характеристик выражается в неравенстве токов I₁₀ в уравнении I_Э = I₁₀(exp(U_БЭ/j_т) – 1), описывающем эмиттерно-базовые переходы транзисторов VT1 и VT2. Это значит, что для выравнивания токов в плечах каскада необходимо обеспечить неравенство напряжений U_БЭ1 и U_БЭ2, что обеспечивается подачей на вход каскада напряжения

DU_Э = U_БЭ1 – U_БЭ2. (4.15)

Это эквивалентно парафазному сигналу, поданному на вход схемы. Разбаланс токов коллектора, вызванный этой причиной, связан с DUэ соотношением

DI_К / I_К = DU_Э / j_т. (4.16)

Второй причиной разбаланса тока каскадов является различие коэффициентов усиления по току транзисторов: b₁ ¹ b₂. В этом случае даже при равенстве эмиттерных токов I _Э1 = I _Э2 токи их коллекторов так же, как и базовые токи, окажутся различными. Разность коллекторных токов ведет к разбалансу каскада. Разность базовых токов создает на сопротивлениях R_Б разбаланс входных напряжений DU_вx = DI_БR_Б, что эквивалентно входному парафазному сигналу и вызовет дополнительное изменение выходного напряжения DU_вых = DU_ВХK_{U ПАР}.

К аналогичному эффекту приведет неравенство сопротивлений источников сигнала в цепи баз R_Б1 ¹ R_Б2 (третья причина), что создает разбаланс входного сигнала DU_ВХ = DR_БI_Б даже при полной симметрии транзисторов. Для уменьшения влияния базового тока желательно, чтобы дифференциальные каскады и особенно входной каскад усилителя работали при малых токах, имели высо­кое b, а источник сигнала был низкоомным.

Влияние токов I _К0 транзисторов может быть существенным при малых токах I_К и высоких температурах. Ток I_К0 в дифференциальном каскаде, как и в любом каскаде, где R _Э >> R _Б протекает по цепи база-коллектор. При малых I_К токи I_К0 могут составлять значительную часть базовых токов транзисторов I_Б = I_К /b – I_К0. Поэтому неравенство токов I_К0 создает неравенство базовых токов со всеми вытекающими отсюда последствиями. Суммарное смещение нуля каскада от всех причин можно записать как

DU_СМ⁰ = DU_Э + DI_БR_Б+ DR_БI_Б + DR_КI_К / K_{U пф}, (4.17)

где I_Б = (I_Б1 + I_Б2) / 2,

R_Б = (R_Б1 + R_Б2) / 2.

Физическая несимметрия в каскаде является одной из главных причин смещения нуля каскада и его температурного дрейфа, зависимости напряжения (U_К1–U_К2) от напря­жения источника питания и т.д. Для хорошо подобранной пары транзисторов DU_СМ⁰ находится в пределах ±2мВ.

Если R_Б1 = R_Б2 = 0, то DU_СМ⁰ @ DU_Э. Температурный дрейф смещения нуля в таком предположении, можно оценить по формуле

DU_СМ⁰ / DT = U_СМ⁰ / T, (4.18)

т.е. дрейф прямо пропорционален начальному смещению каскада и обратно пропорционален температуре. Обычно температурный дрейф составляет 3—10 мкВ/°С при 300 K.