Типы дифференциальных усилителей

Дифференциальные усилители широко применяются в аналоговых устройствах для усиления сигналов как постоянного, так и переменного тока. Их можно разделить на две группы:

− однокаскадные ДУ, которые выполняются в виде законченных ИС и применяются для усиления сигналов постоянного и переменного тока;

− дифференциальные усилители, являющиеся входными и последующими каскадами многокаскадных операционных усилителей.

К первой группе относятся различные варианты основной схемы ДУ (рис. 3.25), которые используются в качестве усилителей постоянного и переменного тока. Они содержат, как правило, дополнительные элементы и выводы, позволяющие менять режим работы транзистора Т Зстабилизатора тока (задавать разные значения тока I₀). В некоторых типах усилителей предусмотрена возможность изменять ток I₀ с помощью внешнего управляющего напряжения, подаваемого на базу транзистора Т 3. Это позволяет изменять коэффициент усиления в широких пределах за счет изменения входного сопротивления (3.137) и используется для создания автоматической регулировки усиления.

Примерами ДУ настоянного тока являются усилители 122УД1, К198УТ1 и др. [11]. В усилителе К198УТ1 выходными каскадами являются эмиттерные повторители, что уменьшает выходное сопротивление. В нем предусмотрена также автоматическая регулировка усиления [11].

Дифференциальный усилитель К175УВ4 предназначен для усиления сигналов высокой частоты в полосе частот до 150 МГц. В качестве коллекторных нагрузок транзисторов включаются внешние навесные резисторы, через которые подается питающее напряжение, и навесной резонансный контур [11].

Во входных каскадах операционных усилителей применяют ДУ двух типов. В основу первого типа положен ДУ с резистивными нагрузками и стабилизатором тока (рис. 3.24). Для расширения полосы пропускания и повышения устойчивости к самовозбуждению вместо транзисторов Т 1 и Т 2применяют каскадные схемы ОЭ-ОБ (рис. 3.22, б). Входное сопротивление увеличивают применением составных транзисторов ОК-ОБ (рис. 3.22, в) или входных эмиттерных повторителей. При использовании составных транзисторов входное сопротивление ДУ (3.135) возрастает до значения

 

. (3.138)

 

Однако применение составных транзисторов и эмиттерных повторителей приводит к увеличению напряжения смещения U_СМ и его температурного дрейфа.

В новых типах операционных усилителей применяют входные ДУ с несимметричным выходом. Упрощенная схема такого ДУ приведена на рис. 3.26. Коллекторными нагрузками входных р-п-р транзисторов Т 1, Т 2 является стабилизатор тока (транзисторы Т 3 ,Т 4).

 

 

 

 

Рисунок 3.26 − ДУ с несимметричным выходом

 

Большое динамическое сопротивление стабилизатора позволяет получить большое усиление при небольшом питающем напряжении − Е_К и требуемом уровне тока I₀. На несимметричном выходе ДУ получается полное изменение дифференциального сигнала в отличие от основной схемы ДУ (рис. 3.24), у которой с несимметричного выхода снимается только половина дифференциального сигнала. Достигается это следующим образом. Пусть напряжение U_ВХ1 уменьшилось, а U_ВХ2 увеличилось на ∆ U_ВХ. Тогда ток левого плеча I_К1 увеличится, а ток правого плеча I_К2 уменьшится на ∆ I относительно тока покоя

 

, . (3.139)

 

В отражателе тока Т З, Т 4коллекторный ток транзистора Т 4(выходной ток отражателя I_{К 4} ) всегда повторяет коллекторный ток транзистора Т 3 (опорный ток I_К3). Но I_К3 = I_К1 следовательно,

 

. (3.140)

 

Выходной ток ДУ

 

. (3.141)

 

Таким образом, в нагрузке получается удвоенное изменение тока, т. е. на несимметричном выходе мы имеем полный дифференциальный сигнал. Полезным является и то, что потенциал на выходе ниже, чем на входе. Это позволяет соединять выход ДУ непосредственно с последующими каскадами без дополнительных устройств смещения уровня.

Для увеличения входного сопротивления вместо транзисторов Т 1 и Т 2применяют каскадные схемы ОК-ОК (рис. 3.22, в), МОП-транзисторы или супербета транзисторы, а в качестве нагрузки - отражатель тока. При использовании МОП-транзисторов входные токи уменьшаются до уровня 10^-9 А, а входное сопротивление достигает 10¹¹...10¹³ OM. Недостатками ДУ с MOП транзисторами является сильная зависимость входных токов от температуры при изменении температуры на 100°С входные токи возрастают на два порядка), большое напряжение смещения (до 30...50 мВ) и большой его температурный дрейф (до 40 мкB/°C).По этой причине в настоящее время отдают предпочтение ДУ с супербета транзисторами, которые имеют коэффициент передачи тока β = 3000...5000 и позволяют снизить входные токи до десятков-единиц наноампер.

 

Контрольные вопросы

 

1. Перечислите основные параметры электронных усилителей.

2. Приведите классификацию электронных усилителей.

3. При каких условиях нелинейные искажения увеличиваются?

4. Сравните усилители с ОЭ, ОБ, ОК и с ОИ, ОЗ, ОС по коэффициентам усиления.

5. Сравните усилители с ОЭ, ОБ, ОК по значениям R_ВХ и R_ВЫХ. Чем обусловлено их различие?

6. Сравните частотные свойства каскадов с ОЭ, ОБ, ОК и с ОИ, ОЗ, ОС, объясните причины различия.

7. Какой усилитель (ОЭ, ОБ, ОК) обладает наибольшим коэффициентом усиления?

8. Какой усилитель (ОЭ, ОБ, ОК) обладает наибольшим входным сопротивлением, наибольшим выходным сопротивлением?

9. Какой усилитель (ОЭ, ОБ, ОК) обладает наибольшей температурной нестабильностью?

10. Объясните назначение всех компонентов схем усилителей с ОЭ, ОБ, ОК, ОИ, ОС, 0З.

11. Каковы основные способы задания режима транзистора в усилительных каскадах ОЭ, ОБ, ОК?

12. Когда следует применять усилительные каскады, включенные по схеме с ОЭ, ОБ, ОК или с ОС, ОИ, ОЗ?

13. Объясните влияние температуры на режим работы усилительных каскадов с ОЭ, ОБ, ОК.

14. Какие вы знаете способы температурной стабилизации режима работы усилительных каскадов?

15. Как влияет ООС на амплитудно-частотную характеристику усилителя?

16. Приведите схемы усилителей на биполярных и униполярных транзисторах с местными ООС по постоянному току и дайте их краткую характеристику.

17. Перечислите паразитные RC-цепочки в усилителях. Как они влияют на их АЧХ и форму усиливаемого прямоугольного импульса?

18. Какие элементы схем усилителей образуют интегрирующие и дифференцирующие цепи?

19. За счет чего в каскадных схемах усилителя расширяется полоса пропускания?

20. Чем объясняется свойство дифференциальных усилителей подавлять сигналы помех?

21. Почему в дифференциальных усилителях применяют генераторы тока?

22. Объясните механизм действия ООС по току и по напряжению.

23. Объясните назначение и механизм действия внутри каскадных и межкаскадных фильтров по питанию.

 

Электронные ключи