Короткі теоретичні відомості. Диференціальний каскад (ДК) призначений для підсилення різ­ниці сигналів, що прикладені до його входів

Диференціальний каскад (ДК) призначений для підсилення різ­ниці сигналів, що прикладені до його входів, він складається з двох плечей - транзисторів VT1 та VT2з навантаженням R­_H1 та R­_H2 (рис.3.1).

Резистори R­_H1, R­_H2 та транзистори VT1 та VT2утворюють мостову схему, до вертикальної діагоналі якої під’єднано джерело живлення, а горизонтальна діагональ утворює вихід. У режимі спокою, якщо U_вх.1=U_вх.2, при повній симетрії пле­чей, тобто балансу мосту, потенціали колекторів VT1 і VT2однакові й вихідна напруга дорівнює нулю

U_вих = U_вих.1 – U_вих.2 = 0.

Рисунок 3.1 – Диференціальний каскад

ДК має високу стабільність. Так, наприклад, при зміні напру­ги джерела живлення чизміні температури, у випадку симетрії схеми, потенціали колекторів отримують рівний приріст напруги.

Вихідна напруга у цьому випадку не змінюється, оскільки при­ріст напруги

∆ U_вих = ∆ U_вих.1 – ∆ U_вих.2 = 0.

Реальна схема ДК завжди має деяку асимет­рію плечей, тому має місце зміна вихідної напруги, тобто ∆ _вих≠ 0, але на­багато менша від аналогіч­ної нестабільності звичай­ного каскаду.

Існує кілька схем ввімкнення ДК. Перша - вхід­ний сигнал прикладається до баз VT1 та VT2. Така схема називається схемою із симетричним входом. Друга - вхідний сигнал прикладається до бази одного з тран­зисторів, потенціал бази другого транзистора фіксу­ється - несиметричний вхід. Вихідний сигнал також може зніматися чи з колекторів VT1 та VT2, чи з одного з колекторів відносно загальної точки схеми, утворюючи таким чином симетричний чи несиметричний вихід (рис. 3. 2).

У свою чергу, для схеми „симет­ричний вхід” вхідний сигнал може прокладатись двома способами - дво­фазним чи синфазним. Якщо ввімкнення двофазне ω ₀, на обидва входи схеми пода­ються протифазні сигнали

 

що зумовлює зниження струму на одно­м з транзисторів і зростання на другому. Зміна колекторних струмів при­зводить до зміни потенціалів колекто­рів, внаслідок чого при повній си­метрії схеми маємо:

Рисунок 3.2 – Еквівалентна схема ввімкнення ДК

,

 

.

Якщо обидва плеча ДК симетричні, то через резистор R_eпротікають струми однакової амплітуди, але протифазні. Такі струми взаємно компенсуються і не створюють напруги на резисторі R_e.За таких умов обидва плеча схеми стають незалежними.

Якщо вхідний сигнал подається тільки на одну з баз, тобто має місце несиметричний вхід, то в разі фіксованого потенціалу дру­гої бази вихідна напруга за модулем буде така сама, як і в поперед­ньому випадку. Так, якщо до бази VT1 прикладено сигнал –U_вх, то транзистор відкривається, збільшуються його колекторний та емітерний струми, що зменшує потенціал колектора VT1 і збільшує потенціал емітерів VT1 і VT2 .

Це у свою чергу викликає зміни напруг і

,

.

За такої зміни потенціалів робоча точка транзистора VT2 змі­щується у напрямі напруги відсікання, тобто протилежному зміщенню VT1. При досить великих значеннях R_e можна вважати, що

що зумовлює

 

Аналіз отриманих виразів показує, що у схемі з несиметричним і симетричним входами напруги будуть рівними.

Залежно від схеми прикладання вхідної напруги та її зміщення розрізняють плечові і диференціальні коефіцієнти підсилення. Плечові коефіцієнти підсилення дорівнюють:

=Y_21e(1)

=Y_21e(2)

Диференціальний коефіцієнт підсилення каскаду незалежно від способу подання вхідного сигналу буде визначаться як

=Y_21eR_н

Вказані виразі наведені для ДК підсилювача постійного струму.

Для випадку повної симетрії схеми, виходячи з того, що , а і

можна показати, що

Якщо до входів ДК прикладено синфазний сигнал, то він характеризується коефіцієнтом підсилення (передачі) синфазного сигналу

 

≈

 

Показником, що об’єднує К_Д та К_сф, є коефіцієнт послаблення синфазного сигналу

 

 

Цей показник характеризує симетрію схеми. Симетрія схеми залежить від значення опору R_e для змінного струму. Якщо утворити на вході 1 деякий приріст напруги , а потенціал входу 2 від­носно спільної точки лишити без зміни, то цей приріст викличе приріст емітерного струму транзистора . Але тільки якщо , отримаємо і можна вважати, що відгалуженням частини струму до опору можна знехтувати, тобто має місце повна симетрія схеми.

При дії на вході ДК різницевого сигналу та забезпеченні повної симетрії схеми, струми транзисторів VT1 і VT2 через емітерний опір рівні й протилежні за фазою. Тому при підсиленні різницевого сиг­налу на опорі R_e немає змінної напруги, тобто можна вважати, що опір R_e
відсутній.

Коефіцієнт підсилення різницевого сигналу одного плеча схеми, тобто плечовий визначається як

 

.

 

Коефіцієнт з’явився тому, що на вході 1 ДК діє лише половина різницевого сигналу між двома входами.

Загальний коефіцієнт передачі різницевого сигналу двома плечи­ма ДК визначається як

Рисунок 3.3 – Еквівалентна схема ДК для синфазного сигналу

 

Еквівалентну схему ДК для синфазного сигналу можна розглядати як схему з резистором 2R_e у колі зворотного зв’язку (рис.5.3), тому коефіцієнт передачі синфазного сиг­налу одним плечем схеми

Цей вираз може використовуватись для визначення опору R_e.

Вхідний опір ДК підсилювача постійного струму при несиметричному вході буде дорівнювати

R_вх = h_11е + (1 + h_21е)R’_e,

де R’_e = R_e || h_11б

ДК може використовуватись як фазоінверторний каскад, для цього необхідно закоро­тити за змінним струмом вхід 2, лишивши на ньому тільки напругу зміщення. У цьому випад­ку одна половина напруги на вході 1 створю­ється між базою та емітером першого транзис­тора, а друга - між емітером i спільною точ­кою. Таким чином, змінні напруги U_бе першого та другого транзисторів рівні, але про­тилежні за фазою, відповідно і змінні напруги на колекторах цих тран­зисторів рівні й протилежні за фазою.

При достатньо великому R_e можна вважати постійною суму емітерних струмів . При цьому їх різниця

 

.

 

У свою чергу, відносний приріст вихідного струму

 

. (3.1)

 

Відомо, що струм емітера є експоненціальною функцією напруги :

,

де - зворотний струм насичення, φ _Т - температурний потенціал .

Напруга першого транзистора , а другого . У випадку симетрії схеми ; , де - диференціальна різницева напруга.

Підставляючи значення напруг та у вираз для емітерного струму, отримаємо емітерні струми та . Підстав­ляючи їх у вираз (3.1), отримаємо

 

(3.2)

 

При зміні аргументу від до гіперболічний тангенс змінюється від -1 до +1. Тому змінюється від до , де - сума емітерних струмів.

Із виразу (3.2) випливає, що диференціальний каскад можна використовувати як амплітудний обмежувач. Наприклад, при

 

.

Отже, при амплітуді різницевого сигналу, що дорівнює приблизно 0, 1В і більше, має місце обмеження амплітуди вихідного струму. При менших рівнях він працює як лінійний підсилювач.

З виразу (3.2) також випливає, що ДК можна використовувати як регульований каскад, підсилення якого змінюється залежно від струму .

Як вже зазначалося, збільшення опору резистора необхідне для покращення симетрії схеми ДК. Але в той же час зрозуміло, що збільшення опору викликає підвищення падіння напруги на ньому за рахунок протікання сталої складової емітерних струмів. Тому замість резисто­ра у схему вмикають транзистор. Така схема має назву генератора стабільного струму (ГСС). Це один з каскадів інтегральної схемотехні­ки, які широко використовуються. ГСС будуються на біполярних чи по­льових структурах (рис.3.4) і можуть використовуватись як нелінійні еквівалентні високоомні навантажувальні опори або джерела фіксованих струмів.

 

 

Рисунок 3.4 – Генератор стабільного струму

 

Заміна у схемі резистора транзистором дозволяє при не­змінності опору постійному струму забезпечити для змінного струму опір, більший на 1-2 порядки. Для забезпечення режиму транзистора VT1служить коло E–R–VT2, при цьому VT2 використовується у діодному ввімкненні. У цьому колі протікає струм I₁, який викли­кає падіння напруги на переході база-емітер VT2 у діодному ввімкненні. Якщо знехтувати стру­мом бази транзистора VT1, то можна вважати, що

 

 

У свою чергу, відношення цих напруг визначає співвідношення струмів I₀ та I₁.У нашому випадку можна вважати, що струм I₀ = I₁ і досить точ­но відображає будь-які його зміни, тобто має місце „дзер­кало струмів”. У той же час мож­на бачити, що в разі зміни за рахунок зміни опору резистора Rвиникає можливість змінювати струм I₀, який у свою чергу задає режими транзисторів ДК і зумовлює підсилення ДК.