Дифференциальный усилительный каскад

 

При контроле и измерении многих неэлектрических величин возникает необходимость усиления сигналов очень низких частот. Для этого требуются усилители постоянного тока. УПТ обычно запитывают от двухполярного источника и обеспечивают в точке покоя U _вых= 0 при U _вх= 0. При построении УПТ невозможно использование разделительных конденсаторов и трансформаторов в цепи связи между каскадами и с нагрузкой, поэтому применяется непосредственная (гальваническая) связь каскадов.

Усилители постоянного тока имеют специфический недостаток – дрейф нуля, затрудняющий усиление малых напряжений и токов. Дрейф нуля заключается в том, что с течением времени изменяются токи транзисторов и на выходе появляется напряжение в отсутствие входного сигнала. Причины дрейфа – нестабильность источников питания, старение транзисторов, изменение температуры окружающей среды. Нестабильность выходного напряжения УПТ D U _вых принципиально не отличается от полезного сигнала.

Величину дрейфа обычно оценивают дрейфом нуля, приведенным ко входу УПТ:

(11.1)

Таким образом, е _др– это такой источник, подключение которого ко входу УПТ компенсирует нестабильность выходного напряжения.

Приведенный к входу дрейф нулевого уровня одиночного каскада УПТ на биполярном транзисторе нельзя сделать меньшим D U _Т, т.е. примерно 2 мВ/К. Введение отрицательной обратной связи не снижает е _др, так как, наряду со снижением нестабильности рабочей точки, еще в большей степени уменьшается коэффициент усиления каскада.

Для уменьшения дрейфа, кроме стабилизации питающих напряжений, применяют специальные схемы (рис. 11.1), так называемые дифференциальные или балансные усилительные каскады (ДУ). Каскад обычно питается от двухполярного источника (с одинаковыми по величине напряжениями +Е и – Е), относительно общей точки которого ведется отсчет входных ( и ) и выходных ( и ) напряжений (рис. 11.1, а). Симметрия схемы относительно генератора постоянного тока практически устраняет дрейф нулевого уровня из-за температурного смещения входных и выходных характеристик транзисторов и (транзисторы идентичны).

Если входные напряжения и совпадают по фазе и одинаковы по амплитуде (такие сигналы называют синфазными)

,

то токи в плечах ДУ остаются постоянными (в силу симметрии схемы они равны ). При этом , а между коллекторами транзисторов и отсутствует разность потенциалов

.

 

Если на вход ДУ подается дифференциальный входной сигнал , то происходит перераспределение токов между плечами каскада, но сумма токов остается постоянной. На рис. 11.1, б показаны зависимости и от , определяемые соотношениями

и ,

где – температурный потенциал;

k – постоянная Больцмана;

Т – температура перехода по абсолютной шкале;

е – заряд электрона.

При комнатной температуре мВ. Линейный диапазон изменения входного дифференциального напряжения составляет примерно , а полный – . Если нагрузка включается между коллекторами транзисторов и (например, стрелочный милливольтметр), реализуются усилительные свойства обеих половин ДУ. Но часто используется и несимметричный выход, когда в качестве выходного сигнала используется изменение или ( и равны по величине, но противоположны по фазе).

Для оценки коэффициентов передачи по напряжению для входного дифференциального сигнала и (рис. 11.2, а) воспользуемся эквивалентной схемой для приращений напряжений и токов (рис. 11.2, б).

а

 

 

Входное сопротивление для дифференциального сигнала (обходим контур ABC)

, (11.2)

т.е. в два раза больше, чем для каскада по схеме с общим эмиттером.

Приращения выходных напряжений можно оценить как

.

Коэффициенты усиления входного дифференциального напряжения

. (11.3)

Переменная составляющая напряжения в точке В (общая точка эмиттеров транзисторов и ) равна половине . Она является входным сигналом для транзистора , включенного по схеме с общей базой. Его входное сопротивление является элементом последовательной обратной связи по току для транзистора , увеличивающим входное сопротивление со стороны базы этого транзистора.

Сопротивление эмиттерного перехода связано с током эмиттера транзистора соотношением . (11.4)

Рис. 11.3 – Схема для оценки коэффициента передачи синфазного сигнала в дифференциальном усилителе

Для уменьшения входных токов и повышения входного сопротивления входной дифференциальный каскад переводят в режим микротоков. При этом > > и справедливы соотношения

и . (11.5)

Выходное сопротивление реального генератора постоянного тока не равно бесконечности. Вследствие этого даже при полной симметрии плеч наблюдаются определенные изменения или при изменении входного синфазного напряжения (рис. 11.3, а). Для оценки коэффициента передачи синфазного напряжения воспользуемся эквивалентной схемой, приведенной к одному плечу дифференциального усилителя (рис. 11.3, б).

Входное сопротивление синфазному сигналу

.(11.6)

Коэффициент передачи синфазного напряжения

. (11.7)

Важной характеристикой дифференциального усилителя является коэффициент ослабления синфазного сигнала , определяемый отношением коэффициентов усиления K и :

. (11.8)

Его часто оценивают в децибелах

.