7.3. Балансные усилители

Существуют усилители последовательного и парал­лельного баланса. В транзисторных и интегральных усили­телях широкое распространение получили усилители па­раллельного баланса (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Схемы усилителей параллельного баланса с симметричными входами и выходами на биполярных (а) к полевых (б) транзисторах

Активные элементы VT1 и VT2 образуют два плеча моста. Еще два плеча образованы резисторами R1 и R2. Эмиттирующие электроды активных элементов имеют общий резистор R_Э. Источник входного напряжения и_вх включен между управляющими электродами активных элементов, а выходным напряжением и_вых является напря­жение между выходными электродами. Таким образом, данный УГС имеет симметричные вход и выход.

Если элементы симметричных плеч одинаковы, т. е. R1 = R2, и параметры активных элементов VT1 и VT2 оди­наковы, то при и_вх = 0 мост сбалансирован и и_вых = 0. Из­менение напряжения питания, температуры окружающей среды и других факторов в симметричной мостовой схеме приводит к одинаковому изменению токов i₁ и i₂. В ре­зультате напряжения выходных электродов (коллекторов или стоков) изменяются одинаково, и разность напряже­ний между ними по-прежнему остается равной нулю.

Под действием напряжения и_вх изменения напряже­ний управляющих электродов оказываются одинаковыми по значению и противоположными по полярности (фазе): и_вх/2 и –и_вх/2. Эти напряжения вызывают изменения токов i₁ и i₂ таким образом, что Δi₁ = —Δi₂. Напряжение на резисторе R_Э при этом не изменяется, так как

.

Это означает, что для парафазных напряжений резистор R_Э, не является резистором ООС, и транзисторы VT1 и VT2 совместно с резисторами R1 и R2 образуют однокаскадныс усилители без ООС. Коэффициент усиления можно определить, используя эквивалентные схемы отдельных каскадов, представленные на рис. 7.5. Знаки «минус»

Рис. 7.5. Эквивалентные схемы левого (а) и правого (б) плеч усилителя параллельного баланса

перед обозначениями генераторов тока отображают ин­вертирующие свойства каждого каскада.

В соответствии с этими схемами имеем:

,

откуда

и

, (7.3)

где

. (7.4)

Сравнение выражений (7.3) и (5.15) показывает, что усилитель параллельного баланса имеет такой же коэф­фициент усиления, что и усилительный каскад без ООС.

7.4. Дифференциальные усилители

Дифференциальные усилители (ДУ) на биполярных и полевых транзисторах отличаются от балансных усили­телей, доказанных на рис. 7.4, наличием двух несимметрич­ных входов (рис. 7.6).

При поступлении на входы ДУ парафазных напряже­ний и_вх1 = и_вх/2 и и_вх2 = –и_вх/2 работа ДУ не отличается от работы усилителя параллельного баланса. При этом резистор R_Э не является элементом ООС, и напряжения на несимметричных выходах оказываются равными:

,

Рис. 7.6. Схемы дифференциальных усилителей на биполярных (а) и полевых (б) транзисторах

а на симметричном выходе

.

При поступлении на входы ДУ синфазных сигналов и_вх1 = и_вх2 = и_вх изменения токов i₁ и i₂ равны и по значе­нию и по знаку, а изменение напряжения на резисторе R_Э

.

Таким образом, для синфазных входных напряжений ре­зистор R_Э является элементом ООС, и каждое плечо ДУ можно представить в виде, показанном на рис. 7.7.

Рис. 7.7. Эквивалентная схема одного'' плеча ДУ для синфязных сигналов

Коэффициент усиления каждого плеча можно определить по формуле

,

где К_и = SR — коэффициент усиления плеча без учета действия ООС; β = и_ос/и_вык — коэффициент передачи цепи ООС; R — эквивалентное сопротивление выходной цепи усилителя, определяемое выражением (7.4).

Подставив значения К_и и β в выражение для коэффи­циента усиления одного плеча, получим

. (7.5)

Обычно R_вых » R1 и R_вых » R2, поэтому можно считать, что R = R1 = R2 = R_К. Тогда выражение (7.5) примет вид

, (7.6)

где R_К и R_Э — сопротивления резисторов в коллекторных и эмиттерных цепях соответственно.

При входных синфазных сигналах потенциалы кол­лекторов изменяются одинаково, поэтому напряжение на симметричном выходе и_вых = 0.

Обычно синфазные сигналы представляют собой сигна­лы помехи, поэтому желательно иметь К_исф = 0. Уменьше­ние К_исф достигается, как это видно из (7.6), увеличением сопротивления резистора R_Э.

В большинстве случаев входные сигналы не являются чисто синфазными или противофазными, а содержат оди­наковую (синфазную и_вх.сф) и отличающуюся (дифферен­циальную и_вх.диф = и_вх1 – и_вх2) части, как показано на рис. 7.8. В таком случае сигналы, действующие на входах

Рис. 7.8. Представление входных сигна­лов в виде дифференциальных и син­фазных составляющих

ДУ, можно представить математически в следующей фор­ме:

,

В каждом плече синфазная составляющая будет усили­ваться с коэффициентом К_исф = —R_K/2R_Э, а дифферен­циальная — с коэффициентом К_и = — SR_K, так что

, (7.7)

, (7.8)

. (7.9)

Выражения (7.7), (7.8) и (7.9) показывают, что в ДУ с полностью симметричными плечами синфазный сигнал по симметричному выходу полностью подавляется, а вы­ходное напряжение пропорционально разности входных напряжений, т. е. их дифференциальной части.

Выходные напряжения по несимметричным выходам, кроме полезной дифференциальной составляющей, со­держат и синфазную составляющую.

Важным параметром ДУ является коэффициент ослаб­ления синфазного сигнала К_ос.сф. который определяется отношением

, (7.10)

Данное выражение показывает, что для увеличения К_ос.сф. необходимо увеличить R_Э. Однако повышение сопротив­ления резистора R_Э сопровождается увеличением падения напряжения на нем и требует увеличения напряжения источника питания. Поэтому вместо резистора R_Э часто включают генератор стабильного тока (ГСТ), обладаю­щий большим динамическим и малым статическим сопро­тивлениями.