Глава 7. Усилители электрических сигналов

Уровень 2

Дифференциальный каскад (ДК)

ДК называют устройство, усиливающее разность двух напряжений.

 

Схему ДК делают симметричной

Т1, Т2 - выполняют как взаимные компаненты, /на одной

R k1= R k2= R k подложке, по единому технологическому циклу/.

I k1= I k2

 

Идеальный ДК

К р ∞; Z вх ∞; Z вых 0;

U вх1= U вх2 U вых= 0;

ΔW = ∞ - ширина полосы пропускания.

 

Коэффициент передачи К р разностного сигнала определяют как

К р= Uвых12 /(Uвх1 – Uвх2)

Выходной сигнал снимаем между точками 1,2.

Сигнал можно снимать с одного из выходов 1 или 2 относительно земли U вых1 или U вых2.

U вых12 - обусловлен Δ U вх =(Uвх1 – Uвх2)

В исходном состоянии, когда Δ U вх = 0

U вых1= U вых2 = E k – I o * R k/2.

При подаче сигнала на вход 1 потенциал на входе 1 будет выше потенциала на входе 2, т.е. действует разностный сигнал + Δ U вх.

 

вых1 инвертирующий вход /обозначают знаком (-)/

Δ U вх

вых2 инвертирующий вход /обозначают знаком (+)/

Δ U вх = Uвх1 – Uвх2

 

Коэффициент усиления по первому входу

 

К и инв ≈ ≈ ß,

По второму входу при действии сигнала по первому входу

 

К и неинв = = К иэ * Ки об,

 

Ки об = ß 2 К и э 1,

 

Ки = Кр = = ß как для каскада с общим эмиттером

В эмиттерной цепи ДК стоит генератор тока, для которого имеем

Iо = Iэ1 + Iэ2 или приближенно считают Iо = Iк1 + Iк2.

При подаче сигнала + Δ U вх ток первого транзистора увеличивается, а второго – уменьшается на ту же самую величину, т.к. Iо = const.

В этой схеме происходит перераспределение тока по цепям транзисторов Т1 и Т2.

Увеличение тока Т1 приводит к уменьшению потенциала точки 1 и, соответственно U вых1

это инверсный выход, а потенциал точки 2 увеличивается на ту же самую величину, это прямой выход.

Δ U вых1 = -Δ U вых2

Δ U вых1 - Δ U вых2 =2 Δ U вых =Δ U вых12

Кр1 = - Кр2 = Кр/2

Δ U вх = 0 Δ U вых12 = 0.

ДК можно использовать в качестве амплитудного ограничителя:

Например, при Δ U вх = 4φт = 0,1 В ток I k = 0,96 I0/2. Следовательно, при Δ U вх > 0,1 В происходит ограничение. При Δ U вх < 4φт ВАХ линейна.

Если в качестве генератора тока используют источник Ек и сопротивление

Rэ ∞, то коэффициент ослабления синфазной помехи Кс определяют как

 

Кс = = ß ß

 

 

При Rэ ∞ Кс 0,т.к. действует сильная ОС. Для полезного сигнала ток через сопротивление Rэ не изменяется, ОС не действует, Кр ∞ (Кл)

 

Отметим, что широкие функциональные возможности ДК связаны со следующими особенностями ДК, его принципиальной схемы

1. Высокие качественные показатели к дестабилизирующим факторам, особенно к воздействию Т С.

2. Большое число входов и выходов. Возможность их комбинирования. Легко согласуется с другими каскадами.

3. Схема может работать как перемножитель двух сигналов.

4. Схема позволяет значительные вариации режима работы по постоянному и переменному току.

5. Ток коллектора пропорционален току генератора

Iк = Iо,

Следовательно, ДК можно использовать в качестве регулируемого каскада, усиление которого изменяется при изменении тока генератора Iо.

К = f (Io).

 

Примечание:

Uвх1*Uвх2 относительно клемм земля – несимметричные входы,

Δ U вх – симметричный вход, требуется источник сигналов с изолированными обоими клеммами,

Uвых1*Uывх2 – несимметричные выходы

Δ U вых1,2 - симметричный выход.

 

Эквивалентная схема показана на рис.

В исходном состоянии мост сбалансирован, ток в диагонали 1-2 отсутствует, напряжение U1,2 равно нулю Uвых1,2 = 0.

При изменении сопротивления Т1 под действием входного сигнала /+Δ Uвх/ ток в левой ветви возрастает на величину + Δ I, а во второй ветви, даже если она будет представлять собой просто резистор, уменьшится на величину - Δ Iк, т.к. их сумма остается const, / Io=const/. Мост разбалансируется.

 

Если входные сигналы на выходах1,2 равны по величине и знаку, то токи в ветвях не именяются / Io=const/, мост остается сбалансированным, Uвых1,2 = 0. В реальном ДК идеальной симметрии нет, поэтому есть остаточный разбаланс моста, связанный с изменением величин второго порядка. Uвых1,2 в этом случае зависит от суммы входных сигналов, при этом (Uвх1 + Uвх2)\ 2 называют синфазным сигналом

Uвх1 = Uвх2 Uвых1 = Uвых2: Δ Uвых = 0,

Δ Uвых = 0, действует синфазная помеха несимметрия каскада)

Коэффициент передачи синфазного сигнала Кс

 

Кс =

В общем случае коэффициент передачи каскада содержит Кр и иКс, при этом выходной сигнал оценивают как

Uвых12 = Кр(Uвх1 – Uвх2) + Кс(Uвх1 + Uвх2) /2.

Качество ДК оценивают коэффициентом ослабления синфазной помехи

Кос СП = Кр / Кс

Коэффициент К ос сп характеризует приближение каскада к идеальному

 

Кос сп = 10⁴ -10⁸ хороших ДК.

 

Таким образом, синфазная помеха действует на оба входа сразу, состояние моста не изменяет. Только в случае несимметрии каскада появляется сигнал на выходе схемы.

В случае изменения Т С токи в обоих ветвях могут возрасти одновременно, но баланс моста сохранится, напряжение на выходе останется равно нулю. Изменение Т С считаем синфазной помехой, но Io может измениться. Только неравномерный нагрев транзисторов Т1, Т2 или других элементов приводит к появлению сигнала на выходе каскада.

Т1, Т2 и Rk1, Rk2 выполняются как взаимные компоненты, т.е. на одном небольшом кристалле, в одном технологическом процессе, что обус лавливает их идентичность и одинаковое влияние Т С. Как следствие получаем Δ Uвых(Т С) = 0.

Полярность сигнала Δ Uвх

Полярность сигнала Δ Uвх определяется разностью потенциалов на входе! относительно входа2, например:

Δ Uвх1 = 3В, Δ Uвх2 = 2В, то Δ Uвх = +1В, φ1 > φ2

Δ Uвх1 = -3В, Δ Uвх2 = -2В, то Δ Uвх = -1В, φ1 < φ2

Δ Uвх1 = 2В, Δ Uвх2 = 3В, то Δ Uвх = -1В, φ1 > φ2

Δ Uвх1 = -2В, Δ Uвх2 = -3В, то Δ Uвх = +1В, φ1 < φ2

Вольт-амперная характеристика ДК

Размах характеристики лежит в пределах до 100мв / φт = 0,025В.

 

 

Ток эмиттера определяем как ток через P-N переход, область малых сигналов

 

Iэ1 = Iн exp (U1/ φт), Iэ2 = Iн exp (U2/ φт),

Io = Iэ1 + Iэ2 = Iн exp (U1/ φт) (1+ exp (U2- U1)/ φт),

Ik1 = άo Iэ1 Iн exp (U1/ φт) или Ik1= άo Io/(1+e(u2-u1)/ φ1) = άo Io/(1+e(-Δu2/ φт)

Ik2 = = άo Io/(1+e(+Δu2/ φт)

Компоненты ДК

1) Супербета – транзисторы. Имеют очень тонкую базу и малое

напряжение пробоя Uкэогр = 3÷5 В. Высокий клэфицент передачи тока

h_{21э =} 1000-5000 при малых токах коллектора 10 мкА, при этом входное сопротивление R_вх ≈ h_11э ≈ 12,5 Мом. Необходимо в схемах ИС ограничивать U_кэ за счет делителей напряжения на резисторах или с помощью других транзисторов.

2) Составные транзисторы (схема Дарлингтона)

I_δ1-входной сигнал

Ток эммитера первого транзистора является током базы второго транзистора

I_э1 = I_δ2 = (1+β₁)I_δ1

Ток коллектора T₁ и T₂

I_k1 =β₁∙I_δ1

I_k2 =β₂∙I_δ2=(1+ β₁)∙I_δ1∙ β₂ = (β₂+ β₁∙β₂)∙ I_δ1

Общий ток коллектора I_k будет равен

I_k = I_k1+ I_k2 = (β₁+ β₂+ β_I∙ β₂)∙I_δ1

I_k = β∙ I_δ1, где β = β₁∙ β₂

β₁∙ β₁ > β₁

β₁∙ β₂ > β₂

 

 

Для получения составного транзистора необходимо использовать пару транзисторов с разной мощностью, иначе первый транзистор будет работать на начальном участке ВАХ, где I_K мал, а нелинейность ВАХ большая.

Схему Дарлингтона можно построить на комплементарных транзисторах

I_δ2 = I_K1 = β₁∙I_δ1,

3) Каскадная схема.

 

Управление осуществляется по двум входам U_вх1 = «I», U_вх2 = «I» транзисторы открыты, через них протекает ток. Если один из них закрыт, то ток через транзисторы равен нулю.

Фактически выполняется логическая операция В_х1∙В_х2 = «I»

 

4) Токопитающий каскад

Диод служит для компенсации влияния температуры. При возрастании T°C ΔI_k↑(T°C), но сопротивление диода уменьшается, уменьшается падение напряжения на диоде и соответственно на цепочке ДR2 на величину ΔU_δ , что приводит к уменьшению тока коллектора на -ΔI_k

(+ΔI_k) ≈ (- ΔI_k)

 

Для БТ доминирующим является изменение напряжения U_эб в зависимости от T°C

(U_эб(U*))

 

- коэффициент температурной нестабильности

TKI_Э – температурный коэффициент эмиттерного тока

 

 

Эталоны тока (генератор тока I₀)

 

Основные источники нестабильности ΔU_эб=ΔU*, Δβ/β, ΔI_K0.

Простейший эталон тока (токозадающая цепь с 2-мя согласованными БТ)

В цепь базы БТ дополнительно включают р-п переход, согласованный с переходом база-эмиттер БТ

2-варианта, которые воплощают конфигурацию эталона тока, известную под названием отражателя или зеркала тока.

1-вариант. С диодом и токозадающим генератором (схема 1).

2-вариант. С БТ и источником напряжения (схема 2).

Схема 1. Схема 2.

Схема 1.

 

 

Считают ток базы мал по сравнению с двумя другими компонентами, тогда: , т.е.

 

С учетом значения U_δ и I_э запишем

 

, из которого находим

 

При взаимном согласовании:

 

 

и выражение для TKI будет

 

Обычно R₁ >> R_д, что ослабляет температурную зависимость I_k, I_э на порядок и более по сравнению с обычной схемой. При R₁ >> R_д

 

 

Схема 2.

, сопротивление в цепи T₂ отсутствует (нет R_э), транзисторы T1, T2 согласованы (ВК), то

При этом для цепи эталона, содержащего

 

При выполнении условия R₁ >> R_э вторая схема термостабильнее первой. Кроме того, вторая легко реализуется. На взаимных компонентах T1, T2 (ВК) используют схему 2а.

T1 – предназначен для изменения U2* в полном диапазоне изменений температуры и иных эксплуатационных характеристик (старение, вариация номиналов напряжений и т.д.)

 

I_δ1<<I_k1, I_δ<<I_k1 т.е. , транзисторы согласованы, поэтому U1* = U2* = U* и следовательно I_k1=I₁ независимо от абсолютного значения U*. I₁ задают с помощью источника E1 и резистора R₁.

Схема 2а.

 

Генератор пропорционального тока (ГПТ)

Соотношение между токами I_k1 и I₁ можно варьировать выбором геометрических размеров T1 и T2. Если геометрические размеры разные, то отношение δ= I_k/ I_k1 отлично от 1_, но сохраняется в диапазоне температур (начертание схемы не меняется).

 

Зеркальные свойства оценивают с помощью коэффициента K₁

 

 

 

или

 

 

Если T1, T2 являются ВК, то

, а

 

, откуда

 

В случае идеального согласия

, при этом

 

 

 

 

Близость δ=1 определяется тополого-технологическими факторами, β увеличивают за счет введения избыточных транзисторов (схемотехническими средствами).

Дополнительно вводят повторители напряжения или тока.

 

 

 

Эталон с токовым повторителем T₁, T₂ - ВК

I_k1 повторяет I_э2 ,

 

близок к единице,

 

6. “Активная нагрузка”

 

 

Если +ΔU_вх, то ток I_k1:= I_k + Δ I_k

I_k2:= I_k + (-Δ I_k)

Ток через T₃ возрастает на величину +Δ I_k, что вызовет возрастание тока через T₄ на +Δ I_k (зеркало тока на T₃, T₄). Через T₂ ток уменьшится на величину -Δ I_k, поэтому на выход будет ответвляться ток +2 Δ I_k, который на сопротивлении нагрузки создает падение напряжения как положительной, так и отрицательной полярности в зависимости от входного сигнала (полярности). Здесь ДК имеет несимметричный выход, в котором складываются приращения коллекторных токов левого и правого транзисторов.

 

6. Схемы сдвига уровней напряжения.

Требование: изменение постоянного потенциала на заданную величину при незначительном (минимальном) изменении переменного поиенциала.

U_вых~= U_вх~

. Конденсатор включают параллельно резистору R, который шунтируется по переменной составляющей. Сдвиг только по постоянному потенциалу (рис. 1).

 

рис. 1 рис. 2 рис. 3

 

Сдвиг на U_ст. Напряжение на стабилитроне практически не изменяется (U_ст=const), напряжение на выходе схемы равно U_вых = U_вх – U_ст, сдвиг по постоянному напряжению (рис. 2). Если необходимо иметь возможность сдвига в широких пределах, то такой сдвиг может обеспечить схема так называемого “переменного” стабилитрона. Другое название “умножитель” U_бэ (рис 3.).

При I_δ=0

или

Кроме описанных схем для потенциального сдвига применяют один или несколько диодов, включенных последовательно и смещенных в прямом направлении.

7. Входные каскады ИС.

Простая схема.

T₁, T₂ – ВК; T3, T4 – ВК – эталон тока. I₀ = 40мкА; I_э1 = I_э2=10 ÷ 20 мкА. Малая величина токов приводит к малому падению напряжения на сопротивлениях R₁, R₂ и соответственно к высоким потенциалам коллекторов транзисторов T₁, T₂. Необходимы специальные меры, обеспечивающие уменьшение потенциалов коллекторов, связанных со входами последующего каскада и обуславливающих определенное смещение на базах транзисторов этого каскада. С этой целью уменьшают значение напряжения питания входного каскада путем сдвига напряжения Е₂ на необходимую величину за счет T₅, для которого соотношение R₄, R₅ определяет потенциал эмиттера T₅.

рис. 3.

 

рис. 2.

Сумма R₄, R₅ и номинал R₃ определяют ток I₀

, где R_д – сопротивление T₄ в диодном режиме при токе I₁ равном

При R₃ >> R_д ток I₀ весьма мал.

Недостатки:

1. К_и = 30÷100 – сравнительно мал.

2. Относительно высокий потенциал коллекторов при U_вх = 0 (необходимо повышать уровень напряжения).

На практике используют каскад на комплементарных БТ, в основе которого лежит конфигурация (рис. 3). Пример схемы приведен на рис. 2, где вместо T₁, T₂ (рис. 3) использованы сложные транзисторы T₂, T₃ и T₁, T₄.

Нагрузками в коллекторах T₂, T₃ служат плечи двойного зеркала токов (T₅, T₆, T₇)

Особенность:

Эталон тока I₁″ соединен с коллекторной цепью T₇.

T₅, T₆, T₇ – ВК.

β₀ >> 1.

I_K5 = I_k6 = I_э7∙β/2 = I₁″ ∙ β₀/2

T₈, T₉ – эталон тока для питания базовых цепей транзисторов T₃, T₄.

Такая конфигурация ДК непосредственно согласуется с выходными данными каскадами аналоговых ИС (не требуется специальных цепей сдвига уровней напряжения). K_и = 60 -70 дБ, R_вх = 800 – 1000 Ком.

 

8) Выходные цепи ИС

 

 

рис. 1. рис. 2.

 

8.1. Эмиттерный повторитель (ЭП)

R_вых – мало. P_{0 покоя} – велика. Необходимо уменьшить потери, что достигается при использовании схемы комплементарного ЭП, для которого в режиме покоя транзисторы T₁, T₂ закрыты, P_{0 пок} = 0.

Недостаток: искажения, связанные с нелинейностью входных характеристик БТ. Для уменьшения нелинейных искажений используют диодное смещение переходов T₁, T₂. В качестве диодов используют транзисторы в диодном режиме, поддерживающие T₁, T₂ в режиме покоя на границе отсечки.

Недостаток: при случайном замыкании U_вых на любой источник E₂, E₁ возможно перегорание транзисторов T₁, T₂.

Необходима защита выходных цепей аналоговой ИС. Для этой цели используют резисторы-огранечители R₁, R₂ в сочетании с транзисторами T₃,T₄ (рис. 3).

 

В нормальном режиме работы транзисторы T₃, T₄ закрыты и практически не влияют на работу каскада.

При коротком замыкании (К_З) ток через транзисторы T₁, T₂ резко возрастает, что приводит к открыванию транзисторов T₃, T₄. Через открытые транзисторы ответвляется часть базового тока транзистора T₁ (T₂), так что напряжение на резисторе R₁ (R₂) не превысит U*, а ток выходного каскада будет ограничен.

U*= R_{1, 2}, где R_1,2 = R₁ = R₂. Д1, Д2 – смещение, выбор рабочей точки.