4.4. Оконечные каскады усиления

5. 3. Операционные усилители (оу) постоянного тока

5.3.1. Способы построения дифференциального усилителя и его модели

Усилитель постоянного тока на низкой частоте не имеет спада АЧХ (рис. 5.1). Это возможно, если на пути прохождения сигнала от входа к выходу нет конденсаторов. Такая схема уже была рассмотрена (рис. 4.2), о некоторых ее недостатках уже писалось:

а) при U_c=0 через нагрузку протекает постоянный ток

I_H=U_K/R_H=[U_П-R_бал(I_K+I_H)]/R_H;

I_H(1+ R_бал/R_H )= U_П /R_H - R_бал I_K /R_H;

I_H= (U_П -R_балI_K )/ (R_бал+R_H);

б) через источник u_C протекает постоянный ток.

Рис. 5.1

Чтобы устранить последний недостаток, вводят второй источник питания -U_п2, а источник u_C подключают к общему узлу (рис. 5.3, а). Можно сделать ток I_H=0 при u_C =0 за счет включения резистора R_H в диагональ уравновешенного моста. напряжение на диагонали равно нулю (U_K1=U_K2) при отсутствии сигнала. Подсоединив базу транзистора к общему узлу создают напряжение U_бэ=U_п2 - U_RЭ, отпирающее транзистор. Кроме того, недостатком схемы рис. 5.3, а является то, что при изменении U_П+ΔU_П ,.ток коллектора остается неизменным, а его коллекторное напряжение станет равным U_K1+ΔU_П, в то время как в другом плече моста оно станет U_K2+ ΔU_П R_RЭ/ (R_KЭ + R_бал), приводящее к возникновению тока через R_н при отсутствии изменения u_C .Очевидно, необходимо сделать мост полностью симметричным (рис. 5.3, б) и транзисторы T₁ и T₂ должны иметь равными следующие параметры:

h⁽¹⁾₂₁=h⁽²⁾₂₁; I⁽¹⁾_K0=I⁽²⁾_K0; T₁=T₂; U_бэ1 =U_бэ2; ΔU_бэ1(T)= ΔU_бэ2(T); U_K1=U_K2.

При выполнении этих условий напряжения U_Ki будут равными при изменении U_П1 и U_П2, так и при изменении температуры Т в широком диапазоне.

Усиление сигнала здесь выполняется только транзистором T₁ и согласно (4.10) K_U ≈ -( R_бал ||R_Н )/ R_Э и не может быть большим из-за большого сопротивления R_Э. Увеличить коэффициент усиления можно, если сигнал подавать в противофазе на транзистор T₂, например, на эмиттер (рис. 5.4, а). Так как напряжение на эмиттере T₁ (U_Э) повторяет по фазе и амплитуде напряжение U_С, т.е. U_Э ≈U_С, то U_бэ2 = - U_Э ≈ -U_С. Коэффициент усиления каскада будет тем больше, чем меньше будут приращения тока I₀ =I_Э2 +I_Э1 при изменении u_C. В пределе все приращения ∆I_Э1 должны равняться приращениям -∆I_Э2, т.е. I₀ должен оставаться постоянным, а это возможно будет, если в цепи эмиттеров вместо R_Э включить источник тока I₀ . В источник тока можно преобразовать U_П2, соединение последовательно с ним резистор R_Э с весьма большим сопротивлением. Это приведет к снижению I₀ =I_Э2 +I_Э1 до весьма малых величин, при которых h₂₁ станет намного меньше, чем при оптимальном значении I_{К опт} (рис. 5.4, б). Для сохранения приемлемого значения I_Э можно с увеличением сопротивления R_Э увеличивать и U_П2, но последнее совместно с U_П1 не должно превышать по соображениям пробоя U_{КЭ мах}.

Выход из противоречий можно найти, учтя разный характер требований к выходному сопротивлению источника тока для постоянного тока I₀ и его приращений ∆I₀ . Ток I₀ должен быть достаточно большим (≈2I_{К опт}), а приращения ∆I₀ тока должны быть возможно меньшими (∆I₀→0). Одновременно совместить эти требования можно с помощью нелинейного элемента (рис. 5.4, в), для которого U₀ /I₀= R₀<< ∆U₀ /∆I₀=r_дин. Легко видеть, что зависимость I(U) соответствует характеристике транзистора I_K(U_KЭ), при I_б=const

Таким образом, приходим к схеме рис. 5.5, а, называемой токовым зеркалом. Заменив сопротивление R_Э в схеме рис. 5.4, а источником тока, получим схему дифференциального каскада рис. 5.5, в. Считая ,в первом приближении, выходное сопротивление R_вых источника тока I₀ много больше входного сопротивления R_вхОБ транзистора T₂, включенного в данном случае по схеме с общей базой, можно схему усилителя рис. 5.5, в для приращений преобразовать в схему рис. 5.5, г.

Коэффициент усиления напряжения для дифференциального сигнала, поданного на один вход (), найдем из схемы замещения (рис. 5.6, а) усилителя (рис. 5.5, в). Дифференциальный сигнал отличаем от синфазного (рис. 5.6, б), подаваемого на оба входа усилителя и имеющего идентичные мгновенные значения и фазы. Синфазными сигналами являются атмосферные и сетевые помехи, изменения напряжения источников питания и, приведенного к входу усилителя выходного напряжения в зависимости от изменения температуры и т.п.

При выводе K_u учтем, что для приращения напряжений (рис. 5.6, а) R_вх.об включено параллельно R_вых.Iо, а поэтому в цепи эмиттера Т₁ Будет сопротивление примерно равное R_вх.об = h₁₁/(h₂₁+1). В соответствии с уравнением (5.11) и, учтя, что ∆I_э1 = ∆I_э2 имеем

, (5.1)

где коэффициент 2 отражает взаимосвязь транзисторной пары Т₁ и Т₂ дифференциального каскада.

Отметим, что в интегральной схеме трудно выполнить из-за технологических и экономических ограничений R_бал >>R_н, поэтому для повышения K_uдиф. Балластные сопротивления заменяют подобно замене R_э двумя источниками одинакового постоянного тока I₁ =I₂ =I₀/2 =I_кА (рис. 5.7).

Входное сопротивление дифференциального каскада, как видно из (4.2), равно

R_вх.диф≈2h₁₁, (5.3)

а выходное

R_{вых.диф} ≈ R_бал. (5.4)

Для синфазного сигнала (рис. 5.6, б) приращения эмиттерных токов I₁ и I₂ одинаковы при равных h₂₁ и направлены к источнику тока I₀ Поэтому оба транзистора работают по схеме усилителя с общим эмиттером, в цепи которого включено весьма большое сопротивление эмиттера, равное R_{вых.диф} ≈ r_к^* источника I_0.. Коэффициент усиления такого каскада

(5.5)

будет скорее всего меньше 1 из-за большого r_к^* и α= =h₂₁/(h₂₁+1)≈1. При полной симметрии схемы ∆U_к1=∆U_к2 и усиление синфазного сигнала будет равно нулю. Реально имеются отклонения R_бал =R_бал1 =R_бал2 ±ΔR_бал, α=α₁=α₂±Δα Следовательно, получим некоторое небольшое значение коэффициента усиления. Для сравнения различных усилителей по и вводят относительный коэффициент ослабления синфазного сигнала

, (5.6)

которое в реальных усилителях имеет значение –(60-120) дБ для различных типов усилителей.

Таким образом, дифференциальный усилитель позволяет весьма эффективно подавлять синфазные помехи. Это и определяет его широкое применение в различных сложных электронных устройствах.