книги / Электронные усилители

да оптрона VD1 уменьшается, и это приводит к уменьшению нап­ ряжения на входе Л/.

С помощью оптрона VD2	формируется		входное напряжение
усилителя Л2.
Коэффициент передачи усилителя по постоянному напряжению
определяется:
V- КIVD2		АIVD2 (IТ1	If2 )
	1\г	К,IVDI
	' к
А— 1?------ 5-----		и,
л / г а /	Ri

где / г/>/ тг — темновые токи фотодиодов соответствующих оптро­

нов VD1, VD2-, Ktvoh K IVD2 — коэффициенты передачи по току со­ ответствующих оптронов.

Так как оптроны идентичны, то при / г / = / г 2, KIVDI = K IVD2 по­ лучим K=Rz/R\.

Для гальванической развязки (рис. 5.12) также применяются дифференциальные оптроны, работающие в фотодиодном режиме. Диодные дифференциальные оптроны сострят из основной и веном,огательной оптопар. Основная оптопара, образованная излу­ чателем и одним из фотоприемников, служит для передачи инфор­ мационного сигнала и выполняет .функцию гальванической раз­ вязки. Фотоприемник включен на вход А2.

Вспомогательная оптопара образована излучателем и другим фотоприемником. Она предназначена для управления электричес­ ким режимом излучателя. В основе принципа гальванической раз­ вязки аналоговых сигнал,ов с помощью дифференциальных оптро­ нов лежит компенсационный метод стабилизации и линеаризации передаточной характеристики основной оптопары за счет парал­ лельной ООС по току через вспомогательную оптопару.

Работа этой схемы аналогична работе предыдущей. Разница состоит лишь в том, что смещение характеристик светодиода VD1 осуществляется источниками тока II, 12, что повышает термоста­ бильность усилителя.

В таких схемах могут применяться дифференциальные оптроны типов КОД301А, КОД302А-В, ОД301А и др.

При использовании в качестве модуляторов в УПТ с преобра­

зованием оптроны могут не только обеспечить	гальваническую
развязку, но и расширить полосу пропускания	УПТ (до десятков
мегагерц).

Контрольные вопросы

1.Поясните методы усиления сигналов постоянного тока.

2.Расскажите об источниках дрейфа нуля в УПТ.

3.Каковы достоинства и недостатки УПТ прямого усиления?

f - Перечислите способы уменьшения дрейфа нуля в усилителе,

те ее раб<,е^)ТИТе СТРУКТУРНУЮсхемУ УПТ с преобразованием сигнала н поясни- ‘цепей ^ 1,еРтпте и поясните схему оптронной развязки входных и выходных

'^птронеР°!1С1ШТе схемУ гальванической развязки на диодном дифференциальном

ГЛАВА 6

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ И

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

«.1. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ у с и л и т е л и

Дифференциальным усилителем называется симметричный каскад с двумя входами и двумя выходами. На рис. 6.1 приведена типичная принципиальная схема простейшего дифференциального каскада. Дифференциальный каскад (ДК) выполняется по прин­ ципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами RKi и R Ko , а два других — транзисторами VT1 и VT2. На рис. 6.2 приведена упрощенная схема замещения, в которой транзисторы представлены в виде динамических сопротивлений,

управляемых напряжением. Баланс моста достигается симметри­ рованием плеч моста, определяемого равенством параметров тран­ зисторов VT1, VT2 и постоянных сопротивлений R u R2. Устройство,

позволяющее регулировать значение постоянной составляющей то­ ка дифференциального каскада /0, представлено в виде переменно­ го сопротивления R0. Значение R0 выбирается из условия: R0~> >./?вых. В это м случае /0= (Е—0 бэ )/R0 не зависит от напряжения на входе и является постоянной величиной.

Питание ДК в большинстве случаев осуществляется				от двух
источников	питания с напряжением	+ £ ,(1и —£ к2	Суммарное
напряжение	Е = | + £ к11+ |—£ к2 |.	Напряжение	£ к2	снижа­

ет потенциал эмиттеров транзисторов относительно общей точки (земли), что позволяет подавать сигнал на входы каскада без вве­ дения дополнительного напряжения смещения.

Наличие двух входов позволяет подводить к каскаду диффе­

ренциальный £ /Вх.д и синфазный	UBX.c сигналы.	В общем слу­
чае входной сигнал содержит обе составляющие сигнала			f/BX=
= £/вх.с + £/вх.д Для определения	усилительных	свойств	каскада

рассмотрим независимую передачу синфазной и дифференциальной составляющих. На рис. 6.3 приведены принципиальная схема ДК

(а)	с обозначением прохождения токов и потенциальная диаграм­
ма	(б) при t/вх.д = Unx.c = 0. Соотношение токов схемы определяет­
ся	зависимостью / б1 =Уб2= / 0/2	(1 Л 21э ). Для симметричной схе­
мы /к1 = / к2«* 1/2 /0; RKi = R k2		Напряжение на коллекторах UK1 =

= / к1£ ,a— UKc Напряжение на симметричном выходе UBI1X= UKI —

- U к2=0.

При подаче на вход ДК дифференциального сигнала (сигнала разной полярности и одинакового значения) происходит перерас­ пределение токов в схеме, вызванное изменением напряжения на входах.

На рис. 6.4 приведены схема ДК (а) с обозначением прохожде­ ния токов при подведении дифференциального сигнала и потенци­ альная диаграмма (б). При подаче на левое плечо ДК положитель­ ного потенциала (для транзистора структуры п—р—п напряжение U бэ возрастает) увеличивается значение токов базы и коллектора транзистора VT1. При цодаче отрицательного потенциала на вход правого плеча ДК значение токов: базы и коллектора уменьшается. При этом /0= / si +'Л/э1+А>2 —А/эз =const. В этом случае Ro не является элементом отрицательной обратной связи по сигналу, так

как падение	напряжения £//?„ =RQAI э = 0.		Выходное	напряжение
^ BI,.X= A/KA	I +А /К2£ К2=2 А^к	Значения	напряжений	рассмотре­
ны для мгновенного значения потенциала. При изменении					знака
на противоположный изменятся		направления приращения			токов.

На рис. 6.5 представлена принципиальная схема ДК при не­ симметричном подведении сигнала. П,од воздействием входного сигнала на базу транзистора VT1 получают приращения токи ба­

зы / б и эмиттера / э	Из условия / 3i + / 32;=:^o==const значение тока
эмиттера транзистора	VT2 уменьшается на Д/э1 Соответственно,

напряжения на коллекторах будут выражены, как:

U Ki — E Ki —£ KI( / KI + A / k1);

Uk2= E к!—RK2(IK2—-A/1(I).

	Рис. 6.4
И симметричное выходное напряжение будет определено как
^вых	кг ^К2 = 2 А I кг ./?кг

Потенциальная диаграмма будет аналогична диаграмме, при­

веденной на рис. 6.4.	в обоих
Прц подаче на вход ДК синфазного сигнала (рис. 6.6)
плечах появляются приращения базовых и коллектррных	токов

при прохождении тока Д/ 9i + Д/Э2 через сопротивление Ro, а также появляется напряжение отрицательной обратной связи, которое уменьшает величину синфазного сигнала. Приращение выходного напряжения, вызванное синфазным сигналом, называется синфаз­ ной ошибкой. Синфазная ошибка оценивается коэффициентом син­ фазной передачи K=AUC/E,..

Рассмотрим основные параметры ДК.

Коэффициент усиления характеризуется способом подведения и снятия сигнала. Коэффициент усиления дифференциального сиг­

нала при несимметричном снятии выходного сигнала Кия ——0,5х Х Л 819 Кн1Ьц3= —0,5 S-R„, где 0,5 — коэффициент, который опреде­ ляется половиной подведенного сигнала ко входу; символ «—» оз­ начает инвертирование выходного сигнала относительно входного; 5 — крутизна характеристики, 5 = / к/ф т , где<рг— температурный потенциал, <рт =25,5 мВ. При симметричном способе снятия вы­ ходного сигнала Кия ——SR „

Для улучшения симметрии ДК и увеличения диапазона вход­

ных сигналов в каскад вводится		ООС в виде сопротивлений Ro,
R si >R э2 (рис. 6.7). При	этом	коэффициент усиления Кия=
— —0,5Л21э R/(h.113+ R 3 ).	Коэффициент усиления синфазного

■сигнала при симметричном каскаде Кис = —h ^ 3R/(h иэ+ 2 /г21э/?0). Применение несимметричных каскадов увеличивает коэффици­ ент усиления синфазного сигнала в связи с уменьшением результи­ рующего сопротивления R„. RH уменьшается в 2 раза, так как при несимметричном выходе сопротивление нагрузки полностью подключен,о параллельно R к. а при симметричном — параллельно

2# к« Качество дифференциального каскада оценивается коэффици­

ентом ослабления синфазного сигнала (Ко с.с): Ко.с.с=:Кид/Кис= = (’Лиэ+ 2 h.113R3)/h n 3 , — и характеризует способность ДК выде­ лять полезный сигнал на фоне помехи.

Нелинейные искажения характеризуются линейностью переда­ точной характеристики ДК. Передаточная характеристика каска­ да определяется зависимостью

где / к — ток коллектора; /0 — ток, определяемый значением ре­ зистора К0; Фг — температурный потенциал, фг =KT/q; при Т= = (273+20) К фг =25,5 мВ; UA— входное дифференциальное нап­ ряжение.

Передаточная характеристика ДК приведена на рис. 6.8. Ли­ нейность участка составляет около + 2ф г ^50 мВ. С увеличением диапазона входного сигнала или с отклонением t/CMот нуля нели­ нейные искажения возрастают, что видно из рис. 6.8. При напряже­ нии Uси =0 коэффициент гармоник (количественна^ оценка не­ линейных искажений) приближенно определяется как отношение амплитуды третьей гармоники к амплитуде первой гармоники. Ми­

нимальный	уровень нелинейных искажений	достигается при
U см = 0, чт,о	объясняется отсутствием четных	гармоник. Коэффи­
циент гармоник при этом

Коэффициент гармоник каскада по схеме с ОЭ имеет следующее приближенное значение;

Для примера можно сказать, что при равных значениях К г, К и уровни выходных сигналов составляют для ДК 1,4 В, для схемы с ОЭ — 0,2 В.

Амплитудно-частотная характеристика ДК может быть двух видов. Различают АЧХ ослабления синфазного сигнала и АЧХ ос­ лабления дифференциального сигнала. Примерная АЧХ приведена на рис. 6.9. Изменения указанных АЧХ происходят не синфазно, что обусловлено брлее значительным разбросом параметров тран­ зисторов на высоких частотах, наличием паразитных емкостей и эффектом Миллера. Вследствие наличия паразитных емкостей в це­ пи коллектор—база модуль коэффициента синфазного усиления увеличивается с ростом частоты и, следовательно, уменьшается ко­ эффициент ослабления синфазного сигнала. Граничная частота ос­ лабления синфазног,о сигнала намного ниже, чем для дифференци­ ального усиления.

К метрологическим характеристикам ДК относятся: напряжение смещения, средний входной ток, разбаланс входных токов.

Напряжение смещения (разбаланс входных напряжений) — значение постоянного входного напряжения, при котором напряже­ ние на выходе равно нулю. Напряжение смещения определяет не-

.симметрию каскада по постоянным доставляющим токов и напря­ жений. Температурный дрейф напряжения смещения составляет

— 2 мВ/К. Это эквивалентно приложению ко входу дифференциа­ льного каскада входного напряжения такого же порядка. Оно по­

является на выходе ДК,	умноженнре на Кис- Разброс коллектор­
ных токов при равных	напряжениях Uвэ и их зависимость от

температуры приводят к прявлению разностного напряжения дрей­ фа, которое, как и полезный сигнал, усиливается в Кил раз. Наи­ более приемлемый метод для уменьшения указанного дрейфа — использование пары транзисторов, выполненных на одном кристал­ ле. При этом дрейф напряжения разбаланса составляет 0,1 0,5 мкВ/К. В то же время при использовании отдельных транзисто­ ров значение этого параметра достигает 100 мкВ/К.

Основные пути улучшения параметров ДК — увеличение коэф­ фициента Кис , увеличение коэффициента подавления синфазного сигнала, увеличение входного сопротивления, уменьшение дрейфа напряжения смещения и входных токов, уменьшение среднего зна­ чения входного тока (среднего арифметического значения входного тока при заданном значении входного напряжения).

Увеличение коэффициента подавления синфазного сигнала дос­ тигается увеличением сопротивления Ro. Одновременно увеличе­ ние R0 повышает симметрию схемы. Увеличение сопротивления /?« ограничивается десятками килоом, что связано с увеличением нап­ ряжения Е к . Например, если требуется получить при сопротивле­ нии RQ= 1 МОм ток /0 = 1 мА, необходимо приложить напряжение 1 кВ. Это условие можно получить при использовании выхрдного сопротивления транзистора в качестве динамической нагрузки.

Наиболее широко для улучшения параметров ДК применяется схема дифференциального каскада с генератором стабильного то-

ка. Приведенная на рис. 6.10 схема включения транзистора VT3

называется генератором стабильного тока (ГСТ). Значение выходногр тока определяется:

г __ U a V T 3 __ УбУТЗ~и<>э

R0 ~

R0

Внутреннее сопротивление источника тока определяется выходным сопротивлением транзистора:

RВ Ы Х ----	dUк	11П з У Т З R o	]
	dIK	0 9 + ^ 0
При Ro=5 кОм, и э —5 В, /?il|/?2 = 1 0		кОм и с учетом параметров
условного транзистора гк9 = 100 кОм,		й21э=300,	г б9=Л 21э?г //о "

=300*26/1 =7,8 кОм, /?вых =6,7 МОм. Для компенсации темпера­ турного изменения потенциала t/63, равного — 2 мВ/К, в цепь делителя включается диод или транзистор VT4 в диодном включе­

нии. На приведенной схеме			(рис. 6.10) напряжение между точка­
ми 1 и 2 U69VT3 + 1 оКо=^Я2 + и бэУтз
I	_	^~К2	U б Э У __ , ^ к 2
Где	1		—|—7?а
/	__	Л1?2+(1Л>94—1^бэз)
	0		щ

Из данцого выражения видно, что температурная компенсация оп­ ределяется соотношением величин и ш и С/ 6э3 При и бэ3= и ш постоянная составляющая тока /о не зависит от температуры.

К способам увеличения коэффициента усиления дифференци­ ального сигнала относятся: увеличение сопротивления коллектор­ ной нагрузки R K; увеличение коэффициента передачи по току транзисторов; повышение сопротивления нагрузки путем увеличе­ ния номинального значения активного сопротивления, ограничен­ ное возрастанием напряжения источника питания и значением / к0.

Использование транзисторов в качестве динамической нагрузки позволяет значительно увеличить коэффициент усиления ДК (до 60 дБ). Принципиальная схема ДК с динамической нагрузкой при­

ведена на рис. 6.11. Здесь функцию динамической				нагрузки вы­
полняют транзисторы		VT3 и VT4 р—п—p-типа с одинаковыми па­
раметрами. При	прохождении		коллекторного тока	/ к1	по цепи
+ £ к1, VT3, VT1 на транзисторе			VT3, выполняющем	роль диода,
создается падение	напряжения		Uбъчтз , определяющее		значение
U б9 VT4 Поскольку транзисторы			VT3 и VT4 близки	по парамет­
рам, то ток / К1 = / к4		Каскад на транзисторах VT3 и VT4 назы­

вается «токовым зеркалом». Достоинства каскада: равенство то­ ков / к1 , / к2; высокое дифференциальное сопротивление перемен­ ному сигналу и значительно меньшее — постоянному току. В при­ веденной схеме выходной т,ок несколько изменяется при изменении выходного напряжения, т. е. выходное сопротивление каскада не­ достаточно велико.

На рис. 6.12 приведена схема «токрвого		зеркала	Уилсона»,
обеспечивающая высокую степень	постоянства выходного тока.
Транзисторы VT1 и VT2 включены как в обычном «токовом зерка­
ле». Включение транзистора VT3 позволяет		зафиксировать потен­
циал коллектора транзистора VT1, значение		которого	ниже U63
на удвоенное значение падения напряжения.		Благодаря	такому
включению цодавляется зависимость	С/кЭ от	коллекторного тока.