Дифференциальный усилительный каскад: принцип работы, преимущества и применение

Такая схема обеспечивает базовую функциональность дифференциального усилителя, но имеет ограниченные характеристики.

Дифференциальный каскад с генератором стабильного тока

Для улучшения характеристик в эмиттерную цепь добавляют генератор стабильного тока:

Генератор тока повышает коэффициент усиления и улучшает подавление синфазных сигналов.

Как улучшить характеристики дифференциального каскада?

Существует несколько способов улучшить параметры дифференциального усилителя:

1. Использование генератора стабильного тока в эмиттерной цепи
2. Применение каскодных схем для повышения коэффициента усиления
3. Использование схем активной нагрузки для увеличения коэффициента усиления
4. Применение схем температурной компенсации
5. Использование обратных связей для стабилизации параметров

Эти методы позволяют значительно улучшить характеристики дифференциальных каскадов.

Проблемы и ограничения дифференциальных усилителей

Несмотря на все преимущества, дифференциальные каскады имеют ряд ограничений:

• Сложность схемы по сравнению с обычными усилителями
• Требование точного согласования параметров транзисторов
• Ограниченный динамический диапазон входных сигналов
• Сложность обеспечения высокого входного сопротивления

Для преодоления этих ограничений применяют различные схемотехнические решения и технологические приемы.

Перспективы развития дифференциальных усилительных каскадов

Развитие дифференциальных усилителей идет в следующих направлениях:

• Повышение степени интеграции и миниатюризация
• Улучшение температурной стабильности
• Расширение частотного диапазона
• Снижение энергопотребления
• Повышение линейности характеристик

Эти тенденции позволят расширить области применения дифференциальных каскадов и улучшить их характеристики.

Дифференциальный каскад на транзисторах | Техника и Программы

Значительно улучшает схему использование двух одинаковых транзисторов в паре, соединенных эмиттерами — т. н. дифференциальный каскад (см. рис. 6.9). Дифференциальные каскады в силу их удобства широко применяли еще в эпоху недоступности микросхем (в том числе даже и в ламповые вре­мена), но теперь их отдельно почти не используют, кроме некоторых облас­тей, таких, как звукотехника. Они являются основой операционных усилите­лей, которые имеет смысл рассматривать как единое целое. Тем не менее, понимание принципов работы дифференциального каскада необходимо, и мы рассмотрим его. вкратце, а потом (в главе 8) построим на его основе простей­ший звуковой усилитель.

Дифференциальный каскад, как он показан на рис. 6.9, предполагает два раз­дельных одинаковых питания (плюс и минус) относительно «земли», но для самого каскада это не более, чем условность — питание всего каскада можно рассматривать, как однополярное (и равное в данном случае 10 + 10 = 20 В), просто входной сигнал должен находиться где-то посередине между пита­ниями. Ради удобства проектирования схем источник входного напряжения всегда привязывают к «земле», потенциал которой находится посередине между потенциалами источников питания самого каскада, то есть общее пи­тание рассматривают, как разделенное на два— положительное и отрица­тельное. Относительно этой же «земли» мы будем также отсчитывать выход­ные напряжения t/euxi и

Рис. 6.9. Дифференциальный каскад на биполярных транзисторах

Так как мы знаем, что база и эмиттер транзистора всегда привязаны друг к другу, то в этой схеме обе базы в рабочем режиме всегда будут иметь одина­ковый потенциал. Поэтому, если на них подавать один и тот же сигнал (базо­вые резисторы на рис. 6.9 не показаны), то ничего происходить не будет — току течь некуда, так как все под одним и тем же напряжением. Вся конст­рукция из двух транзисторов будет смещаться относительно «земли» в соот­ветствии с поданным сигналом, а на выходах ничего и не шелохнется — это легко проверить. Такой сигнал называют синфазным.

Иное дело, если сигналы на входах различаются — они будут усиливаться. Такой сигнал называют дифференциальным. Это основное свойство диффе­ренциального усилителя, которое позволяет выделять небольшой сигнал на фоне довольно большой помехи. Помеха одинаково — синфазно — действу­ет на оба входа, а полезный сигнал усиливается.

Мы не будем здесь подробно разбирать работу этой схемы, только укажем некоторые ее особенности:

? входное сопротивление дифференциального каскада равно входному со­противлению каскада с общим коллектором;

? усиление по напряжению (дифференциальному) составляет 100 и более раз. Если вы хотите получить точно определенный коэффициент усиле­ния, в каждый из эмиттеров нужно ввести по одинаковому резистору — тогда Кус будет определяться, как для каскада на рис. 6.7. Но обычно в таком режиме дифференциальный усилитель не используют— их ис­пользуют в системах с общей обратной связью, которая и задает необхо­димый коэффициент усиления;

? выходы строго симметричны;

? резистор Rк если не используется f/выхь вообще можно исключить — или наоборот, смотря какой выход (прямой или инверсный) использо­вать.

Дифференциальный усилительный каскад, страница 2

Оценим входное сопротивление дифференциального каскада для синфазного сигнала, для чего объединим базы транзисторов VT1 и VT2 и подадим на них относительно общего провода схемы входной сигнал с    э. д. с.

Входное сопротивление ДК для синфазного сигнала

Поскольку первое слагаемое много меньше второго, то

Таким образом, входное сопротивление дифференциального каскада для синфазного сигнала много больше входного сопротивления для дифференциального сигнала.

Оценим выходное сопротивление дифференциального каскада.

При симметричном выходе, когда выходное напряжение снимается между коллекторами транзисторов VT1 и VT2, выходное сопротивление дифференциального каскада

В принципе, выходное напряжение может сниматься с одного из выходов относительно общего провода схемы. Такой вывод называют несимметричным.

При несимметричном выходе выходное сопротивление дифференциального каскада

Оценим коэффициент усиления дифференциального каскада при несимметрично выходе.

Если выходное напряжение снимается с коллектора транзистора VT1, то ;

Если выходное напряжение снимается с коллектора транзистора VT2, то

Таким образом, при несимметричном выходе коэффициент усиления дифференциального каскада в 2 раза меньше, чем у каскада с ОЭ.

Оценим коэффициент усиления дифференциального каскада при симметричном выходе.

,

поскольку , а входное сопротивление осталось неизменным.

Окончательно

Отсюда следует, что при симметричном выходе коэффициент усиления дифференциального каскада равен коэффициенту усиления каскада с ОЭ.

Очевидно, что коэффициент усиления дифференциального каскада не зависит от типа входа, т. к. от типа входа не зависит входное сопротивление каскада.

Оценим коэффициент передачи синфазного сигнала при несимметричном выходе.

Двойка в знаменателе появилась потому, что по сопротивлению r_вхС протекает ток 2i_Б.

После подстановки r_вхC получим

Если , то

При идеальной симметрии дифференциального каскада коэффициент передачи синфазного сигнала на симметричный выход равен нулю.

Качество дифференциального каскада принято оценивать коэффициентом ослабления синфазного сигнала, который равен отношению коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала. .

Оценим коэффициент ослабления синфазного сигнала при несимметричном выходе

Отсюда следует, что для улучшения подавления синфазной составляющей входного сигнала необходимо увеличивать R_э.

На практике для увеличения коэффициента ослабления синфазного сигнала вместо резистора R_э включают генератор тока.

Если сопротивление резистора R_э составляет единицы килоОм, то дифференциальное сопротивление генератора тока составляет сотни кОм, что позволяет существенно улучшить подавление синфазной составляющей сигнала.

Проделанный нами анализ остается справедливым и в случае применения вместо резистора R_э генератора тока, при этом в формулы вместо сопротивления R_э необходимо подставлять значение выходного дифференциального сопротивления генератора тока.

Для увеличения входного сопротивления дифференциального каскада на его входах ставят эмиттерные повторители.

Для уменьшения выходного сопротивления дифференциального каскада эмиттерные повторители ставят на выходах.

Дифференциальные каскады выпускались в виде микросхем в составе серий 118, 119,122, 175, 177, 198, 235, 265. В настоящее время эти серии запрещены к применению в новых разработках. Тем не менее дифференциальные каскады продолжают широко использоваться в составе других микросхем, например, в операционных усилителях; преобразователях частоты, модуляторах и т. д.

Источники тока

Наиболее часто в дифференциальных каскадах в качестве источника тока используют так называемое токовое зеркало.

Изобразим простейшую схему токового зеркала.

Левая ветвь зеркала является токозадающей (входной), а правая – выходной ветвью.

Пусть транзисторы строго идентичны. Найдем коэффициент передачи тока из входной ветви в выходную:

В силу идентичности транзисторов:

I_Б1= I_Б2= I_Б и I_к1= I_к2= I_к.

Тогда  

Но I_Б= I_к/b. После подстановки получим

Если b=100, то , т. е. .

Выходное сопротивление генератора тока равно дифференциальному сопротивлению коллектор–эмиттер транзистора VT2, которое составляет сотни кОм.

Так I_вх обычно задают с помощью резистора

Если выходной ток источника должен быть небольшим, то сопротивление резистора R получается высоким, что неудобно при реализации его в составе микросхемы (большая занимаемая площадь).

Для обеспечения малых выходных токов при больших входных токах в эмиттер транзистора VT2 включают резистор.

В этом случае  и

В симметричном токовом зеркале , потому что часть входного тока ответвляется в базы транзисторов.

Чтобы приблизить , необходимо уменьшить значение ответвляющегося тока. Это достигается путем введения в зеркало третьего транзистора.

В силу симметрии I_Б1= I_Б2= I_Б и I_к1= I_к2= I_к.

Тогда

Окончательно

Если b=100, то ,

т. е. К_I такой схемы ближе к 1 по сравнению с простейшей схемой, однако других достоинств у этой схемы нет и введение 3-го транзистора только ради того, чтобы К_I®1 вряд ли целесообразно.

Более высокие характеристики имеет так называемое токовое зеркало Уилсона.

Пусть все транзисторы идентичны. Поскольку базовые переходы транзисторов VT1 и VT2 включены параллельно, то:

I_Б1= I_Б2= I_Б и I_к1= I_к2.

Найдем коэффициент передачи тока из входной ветви в выходную.

Выразим  и  через   

Разрешив это уравнение относительно , получим:

Подставим найденные выражения для I_Б1 и I_К2 в формулу для К₁: .

После преобразования получим

При , . т. е. К₁ оказалось практически таким же, как в предыдущей схеме. Однако токовое зеркало Уилсона имеет существенно более высокое выходное сопротивление, благодаря имеющейся в ней отрицательной обратной связи по току.

Пусть сопротивление нагрузки уменьшилось. Тогда:

—  Напряжение на коллекторе VT3 возрастет;

—  Ток I_К3 возрастает;

—  Возрастет ток базы транзистора VT1;

—  Возрастает ток I_К1;

—  Уменьшится ток I_Б3;

—  Уменьшится ток I_К3, т. е. ОС отрицательна:

Если нужно несколько источников тока, то можно поступить следующим образом:

Токи_{I2, I3, I4 могут быть как меньше, так и больше I1 в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов R1, R2, R3, R4.}

Токовые зеркала используются не только в качестве источников тока в дифференциальных каскадах. Они используются во входных каскадах операционных усилителях Нортона, в качестве активной нагрузки в дифференциальных каскадах, в межкаскадных цепях и т. д.

Дифференциальный усилительный каскад

Дифференциальный усилительный каскад

U_вх= и_вх1-и_вх2,         U_вых= и_вых1-и_вых2

Дифференциальный каскад состоит из двух одинаковых каскадов усиления с ОЭ, имеющих в эмиттерах общий резистор R_э.

Дифференциальный каскад имеет два входа и два выхода, а также два источника питания Е₁ и Е₂, включенных последовательно.

Принцип действия дифференциального каскада основан на его симметрии, которая предполагает равенство сопротивлений в коллекторах R_к1= R_к2= R_к и идентичность параметров транзисторов VT1 и VT2.

Пусть дифференциальный каскад строго симметричен и напряжения на его входах и_вх1=и_вх2=0. На резисторе R_э будет действовать напряжение             ,

где  — напряжение на прямосмещенных эмиттерных переходах транзисторов VT1 и VT2 .

Через резистор R_э будет протекать постоянный ток

В силу симметрии схемы в цепи эмиттеров будут протекать одинаковые токи, равные половине тока, протекающего через резистор R_э.

В цепях коллекторов транзисторов будут протекать равные токи.

Напряжения на выходах каскада будут также равны

Поскольку потенциалы коллекторов в дифференциальном каскаде могут изменяться от 0 до напряжения источника питания Е₁, то для обеспечения максимальной амплитуды неискаженного выходного напряжения напряжения на коллекторах в состоянии покоя следует установить на уровне половины напряжения источника Е₁.

Разрешив это уравнение относительно R_к/R_э получим:

Чаще всего (хотя и не обязательно) Е₁=Е₂. В этом случае R_к=R_э.

Таким образом, в состоянии покоя дифференциальный каскад представляет собой сбалансированный мост. Одно плечо моста образовано транзистором VT1 и резистором R_K1, a другое транзистором VT2 и резистором R_к2. На одну диагональ моста подано напряжение от источников питания, а с другой диагонали снимается выходное напряжение.

В силу симметрии дифференциального каскада образованный им мост будет сбалансирован при любых одинаковых изменениях токов в плечах моста независимо от причин, вызвавших эти изменения.

Например, с ростом температуры токи коллекторов будут увеличиваться из-за уменьшения  и увеличения

Это приведет к уменьшению  и , однако их разность останется

Изменение выходного напряжения усилителя постоянного тока с течением времени или при воздействии дестабилизирующих факторов при  называют дрейфом нуля.

Из наших рассуждений следует, что в идеально симметричном дифференциальном каскаде дрейф нуля отсутствует.

Подадим на входы усилителя равные напряжения одного знака. Такие напряжения называют синфазными. Пусть эти напряжения положительны. Тогда токи эмиттеров и токи коллекторов несколько увеличатся. В силу симметрии схемы приращения токов коллекторов будут одинаковы, а следовательно, выходное напряжение  останется равным нулю.

Таким образом, в идеально симметричном дифференциальном каскаде синфазные напряжения не влияют на выходное напряжение.

Подадим на вход дифференциального каскада напряжения, равные по модулю, но противоположные по знаку. Такие напряжения называют дифференциальными.

Пусть для конкретности , и

Под воздействием дифференциального сигнала токи коллекторов получат приращения, равные по модулю и противоположные по знаку: , , . Потенциал коллектора транзистора VT1 получит приращение , а потенциал коллектора транзистора VT2 – приращение

Тогда выходное напряжение

.

Таким образом, идеально симметричный дифференциальный каскад реагирует только на дифференциальное входное напряжение, что и отражено в его названии.

Сравнивая знаки входных напряжений и напряжений  и ,можно заметить, что выход 1 является инвертирующим по отношению ко входу 1, а выход 2 – неинвертирующим.

Оценим основные параметры дифференциального каскада, для чего составим замещения.

Найдем входное сопротивление дифференциального каскада для дифференциальной составляющей входного сигнала.

Пусть между базами транзисторов VT1 и VT2 включен источник сигнала с э. д. с. , имеющий отвод от средней точки.

Согласно второму закону Кирхгофа можно составить следующее уравнение баланса напряжений для контура, образованного источником входного сигнала и элементами , , , ;

Но в силу симметрии схемы ,

Тогда, принимая во внимание, что , получим

Входное сопротивление

Поскольку выражение в квадратных скобках есть входное сопротивление каскада с ОЭ, то можно сделать вывод, что входное сопротивление дифференциального каскада  для дифференциального сигнала в 2 раза больше входного сопротивления каскада с ОЭ, составленного из тех же элементов и работающего в том же режиме

Если источник сигнала подключен между базами транзисторов, а его средняя точка заземлена, то говорят, что дифференциальный каскад имеет симметричный вход.

Легко показать, что проводник, соединяющий среднюю точку источника сигнала с общим проводом схемы, можно изъять.

Действительно, через этот проводник, протекают равные по модулю и противоположные по знаку токи баз транзисторов VT1 и VT2, т.е. суммарный ток через него равен нулю, и его можно изъять из схемы, не нарушая распределение токов и потенциалов в схеме.

Такой вход, когда источник сигнала подключен между базами транзисторов и не имеет средней точки, также будет симметричным.

Если источник сигнала подключен между базами транзисторов VT1 и VT2 и одна из них при этом соединена с общим проводом схемы, то говорят, что дифференциальный каскад имеет несимметричный вход.

Пусть сигнал подан на базу транзистора VT1, а база транзистора VT2  соединена с общим проводом.

Оценим входное сопротивление дифференциального каскада для дифференциального сигнала при несимметричном входе.

В этом случае входное сопротивление дифференциального каскада представляет собой входное сопротивление каскада с ОЭ на транзисторе VT1, в эмиттере которого включено сопротивление, равное параллельно соединенным R_э и входного сопротивления каскада с ОБ на транзисторе VT2.

Поскольку , то

Таким образом, если при симметричном входе входное сопротивление дифференциального каскада для дифференциального сигнала , то при несимметричном входе  будет чуть меньше .

Различия обусловлены тем, что при симметричном входе переменная составляющая напряжения на резисторе R_э равна 0, в то время как при несимметричном входе на резисторе R_э будет иметь место переменная составляющая

Соответственно, через резистор R_э будет протекать переменная составляющая тока

Отсюда следует, что при несимметричном входе  будет меньше , на величину тока  т. е. симметрия схемы нарушается, хотя и незначительно.

Дифференциальный усилитель | Основы электроакустики

В настоящее время входные цепи операционных усилителей в подавляющем большинстве выполняются по схеме дифференциальных усилителей. По принципу построения это балансные (мостовые) усилительные каскады параллельного типа. Они обладают высокой стабильностью параметров при воздействии различных дестабилизирующих факторов, большим коэффициентом усиления дифференциальных сигналов и высокой степенью подавления синфазных помех. Дифференциальный усилитель – это широко известная схема, используемая для усиления разности двух напряжений. В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из сигналов, а определяется только их разностью. Когда уровни сигналов на обоих входах изменяются одинаково, то такое изменение сигнала называют синфазным. Дифференциальный или разностный сигнал называют еще полезным. Хороший дифференциальный усилитель обладает высоким коэффициентом ослабления (подавления) синфазного сигнала (КОСС), который представляет собой отношение выходного полезного сигнала к выходному синфазному сигналу.         Дифференциальные усилители используют в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне шумов. Примерами таких сигналов являются цифровые сигналы, передаваемые по длинным линиям (кабель обычно состоит из двух скрученных проводов), звуковые сигналы, напряжения кардиограмм. Дифференциальные усилители используются для построения входных каскадов операционных усилителей, которые являются базой современной аналоговой схемотехники.         Дифференциальный каскад состоит из двух каскадов, у которых используется общий эмиттерный резистор (рис.11.15, а). Элементы схемы образуют мост (рис.11.15, б), в одну диагональ которого включен источник питания UПИТ, в другую – сопротивление нагрузки RН. Условие баланса моста, при котором его выходное напряжение равно нулю, определяется как   RVT1RK2 = RVT2RK2.              Нарушение этого условия приводит к разбалансировке моста и появлению выходного напряжения. Такой разбаланс может произойти, например, при изменении выходных сопротивлений транзисторов RVT1и RVT2, которые, в свою очередь, зависят от входных напряжений UВХ1 и UВХ2. 

Рис.11.15. Дифференциальный усилительный каскад (а) и его схема замещения (б)

         Если элементы схемы будут полностью идентичны, выходное напряжение при воздействии любых дестабилизирующих факторов, например, температуры, напряжения источника питания, приведут к одинаковым изменениям токов обоих транзисторов. В результате абсолютное значение выходного напряжения не изменится.         На вход схемы подаются сигналы, один из которых – дифференциальный необходимо усиливать, другой – синфазный необходимо подавлять. Синфазный сигнал вызывает одинаковое изменение состояния транзисторов, следовательно, выходное напряжение при идентичности параметров плеч не будет изменяться, что обеспечивает подавление синфазной помехи. Дифференциальный сигнал вызывает приоткрывание одного из транзисторов и подзапирание второго, тем самым, вызывая появление напряжения на выходе схемы. В этом случае напряжения на входах имеют противоположные знаки. Поэтому приращения как коллекторного, так и эмиттерного токов также имеют противоположные знаки. Изменения коллекторных потенциалов обоих транзисторов, вызванные противоположными по знаку приращениями коллекторных токов, протекающих через соответствующие резисторы, приводит к появлению выходного напряжения  ΔUВЫХ = ΔIK1RK1 – (-ΔIK2RK2) = RK (ΔIK1 + ΔIK2).    На общем эмиттерном резисторе изменение эмиттерных токов даст соответственно приращение 

ΔUЭ = RЭ (ΔIЭ1 – ΔIЭ2).    Если параметры обеих половин дифференциального усилителя одинаковы, то ΔUЭ = 0.          Напряжение ΔUЭ отражает действие в каскаде, выполненном по схеме с ОЭ, последовательной ООС по току нагрузки. Отсутствие этого напряжения говорит о том, что в полностью симметричном дифференциальном каскаде, как по постоянному, так и по переменному току действие ООС отсутствует.         На основании сказанного можно сделать следующий вывод. Коэффициент усиления по напряжению дифференциального усилителя всегда больше, чем в каскаде на одиночном транзисторе.          Сопротивление RЭ определяет коэффициент усиления дифференциального сигнала, чем меньше RЭ, тем больше коэффициент. С другой стороны, чем больше RЭ, тем меньше изменяются коллекторные токи транзисторов при воздействии возмущений (например, синфазных сигналов), тем больше КОСС.         Для устранения этого противоречия в цепь эмиттера включают генератор стабильного тока на транзисторе (рис.11.16). Эта схема при небольшом статическом сопротивлении обладает большим дифференциальным сопротивлением, т.е. при небольшом падении напряжения имеет большое внутреннее сопротивление для переменных составляющих.

         Идеальный генератор постоянного тока обладал бы бесконечным сопротивлением. Транзистор по своим свойствам приближается к идеальному генератору тока, поскольку его выходное сопротивление приближается к 100 кОм.         Применение диода VD в нижнем плече делителя напряжения обеспечивает температурную компенсацию. Прямое напряжения на диоде падает с ростом температуры точно так же, как это имеет место с разностью напряжений между базой и эмиттером, так что в широком диапазоне температур приложенное к базе напряжение согласуется с тем, какое требуется транзистору для поддержания постоянного тока эмиттера. В интегральных микросхемах роль диода может играть точно такой же открытый переход база – эмиттер (транзистор с замкнутым накоротко коллектором и базой), что приводит к идеальному отслеживанию температурных изменений, такую схему называют токовым зеркалом. 

Рис.11.16. Дифференциальный усилитель с генератором тока в эмиттерной цепи 

         Когда в эмиттерной цепи дифференциального усилителя включен генератор стабильного тока, можно дать простое качественное объяснение работы усилителя в целом. Входные сигналы не могут изменить суммарный ток в эмиттерной и коллекторной цепи, они могут только по-разному распределять его между транзисторами. Следовательно, синфазный сигнал не меняет коллекторных токов, и выходной сигнал не возникает. Сигнал на выходе появляется только в том случае, когда входные напряжения различны, при этом в один из транзисторов будет отводиться большая доля суммарного тока эмиттеров, чем в другой. Например, если увеличивается входное напряжение первого транзистора, увеличивается его коллекторный ток, уменьшается – у второго транзистора, соответственно уменьшается напряжение коллектора первого транзистора и увеличивается – у второго транзистора, выходное напряжение равно разности этих двух напряжений.         В реальном усилителе из-за неизбежной асимметрии схемы происходит лишь частичная компенсация изменений выходного напряжения, вызванного действием внешних дестабилизирующих факторов.         Недостатком рассмотренных схем усилителей постоянного тока является дрейф нуля – самопроизвольное изменение выходного напряжения. В первую очередь оно обусловлено несимметрией схемы. Все рассмотренные схемотехнические приемы направлены на улучшение параметров схемы.         Для устранения дрейфа нуля используются усилители постоянного тока с преобразованием. В усилителях рассматриваемого типа входной постоянный или медленно меняющийся сигнал преобразуется (модулируется) в переменный сигнал повышенной частоты. Полученный сигнал усиливается с помощью усилителя переменного напряжения, а затем вновь преобразуется (демодулируется) в постоянный или медленно меняющийся сигнал. Частота переменного напряжения часто составляет десятки килогерц.         Вследствие того, что в таких усилителях отсутствуют гальванические связи между каскадами, удается достичь высокого качества усиления, так как дрейф нуля в данной схеме отсутствует. Такие усилители могут использоваться в прецизионных устройствах. Еще одним достоинством усилителей постоянного тока с преобразованием является возможность изолировать входную и выходную части.         К недостаткам таких усилителей относятся малый частотный диапазон и наличие импульсных помех от модуляторов, присутствующих в выходном сигнале.

Дифференциальная пара (дифференциальный каскад)

Все схемы усилительных каскадов, которые мы рассматривали до сих пор, были несимметричными, то есть, другими словами, они имеют только один выход. Типовые схемы μ-повторителей, не смотря на то, что часто имеют два выхода, также являются несимметричными, поскольку напряжения на обоих выходах одинаковой полярности (то есть говоря языком переменных токов — синфазны).

В отличие от других усилительных каскадов, дифференциальная пара имеет два входа и усиливает разностный сигнал (разностное напряжение) между ними. Она имеет два выхода, инвертированные (то есть противофазные) один по отношению к другому — это делает дифференциальную пару или фазоинвертор с катодной связью очень полезным каскадом.

Рис. 3.42 Дифференциальная пара или фазоинвертор с катодной связью

Дифференциальная пара может быть выполнена, основе усилительных каскадах на триоде с общим катодом или каскодной схемы. μ-повторитель непригоден, потому что в дифференциальной паре обычно стремятся использовать большое отношение между R_Hи R_K.) Для упрощения будем рассматривать дифференциальную пару, построенную на основе усилительного каскада на триоде с общим катодом. Упрощенная принципиальная схема такой дифференциальной пары приведена на

Дифференциальный каскад строится на двух идентичных триодах, зачастую выполненных в одном баллоне, с соединенными катодами, пропускающими общий ток к земле через приемник неизменяющегося тока (на схеме обозначен условным значком). Каждый из триодов работает на равные по величине резисторы в качестве анодной нагрузки.

Предположим, что входной сигнал подается таким образом, чтобы напряжение на аноде триода V₁, повысилось на 1 В. Ток через V₁, должен, следовательно, понизится, но поскольку токи обеих ламп протекают через общий приемник неизменяющегося тока, это изменение может произойти только если ток через второй триод V₂ повысится на равную величину. Поскольку резисторы анодной нагрузки равны, то следует, что напряжение на аноде триода V₂при этом должно понизиться на 1 В.

Таким образом, выходные анодные напряжения двух ламп равны по величине, но одно из них является инвертированным (сдвинутым по фазе на полпериода) по отношению к другому.

Обратимся теперь к входам: если закоротить сетку второй лампы g_V2на землю, и подать синусоидальный сигнал на сетку первой лампы g _V1, то общий катодный ток будет повторять этот сигнал, и каскад будет работать аналогично катодному повторителю. При закороченной сетке триода V₂, эта лампа по сути управляется ее катодным током. Под действием синусоидального анодного тока, усиленное синусоидальное напряжение появится на ее аноде, и, следовательно, равное и противоположное ему по фазе напряжение появится и на аноде первой лампы V₁. Это суждение верно и для случая, когда входной сигнал приложен к сетке второй лампы g_V2, а сетка первой лампы заземлена.

Коэффициент усиления дифференциальной пары.

В случае, когда управляющий (входной) сигнал приложен между двумя сетками, то коэффициент усиления дифференциальной пары равен коэффициенту обычного каскада с общим катодом. При этом, выходное напряжение снимается между двумя анодами каскада. Следовательно, если рассмотреть отдельно напряжение между одним из анодов каскада и землей, то оно составит только половину выходного напряжения, и коэффициент усиления будет вдвое меньше.

Если использовать дифференциальную пару как фазорасщепитель (фазоинвертор), то есть одну из сеток заземлить, а на другую подать все входное напряжение, вместо того, чтобы подавать на каждую сетку половину входного напряжения, то на одной сетке будет все входное напряжение, а на другой никакого. Так как разность напряжений между двумя сетками будет такой же, как и в предыдущем случае, то и коэффициент усиления дифференциальной пары остается без изменения.

Выходное сопротивление дифференциальной пары.

При условии, что выходной сигнал дифференциальной пары сбалансирован, эквивалентные сопротивления r_вых, приведенные к каждому выводу являются идентичными и

равны аналогичному эквивалентному выходному сопротивлению обычного усилителя с общим катодом, которое может быть найдено, как параллельное включение (r_a| | R_H). Тем не менее, если загружен только один из выходов, выходное сопротивление значительно повышается. Эквивалентное сопротивление, приведенное в направлении земли (напряжения питания) через сопротивление R_Hпервой лампы, можно найти следующим образом:

В тоже время, цепь, образованная R_Kпопеременному току включена которое параллельно r_к:

Умножаем на (μ + 1):

Если теперь разделить на R_K(μ + 1), то получаем:

Со стороны второго анода последовательно приведено сопротивление r_a, умноженное на коэффициент (μ + 1):

Так как R_Kстремится к ∞, правое выражение в знаменателе уменьшается до нуля, давая максимальное значение r_a:

Это высокое значение r_aстановится существенным, когда рассматривается коэффициент реакции питающего напряжения дифференциальной пары.

Если R_H >> r_a, то выходное сопротивление (при условии, что только один выход нагружен) равно:

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) в дифференциальной паре.

Если подать одинаковые напряжения (например, +1 В) на обе сетки дифференциальной пары, то катодное напряжение также повысится на 1 В, ток катода остается неизменным, а значит анодные ток и напряжение не изменятся, потому что не изменяется величина напряжения, приложенного между сеткой и катодом V_СКлюбой из ламп. Дифференциальный усилитель реагирует только на разность между входными напряжениями или на дифференциальные сигналы. Подача одинакового сигнала на обе сетки называется синфазным сигналом и не вызывает отклика на выходе усилителя.

Это свойство подавления синфазного сигнала является существенным, поскольку оно также предполагает, что дифференциальный усилитель способен подавить помеху от источника промышленной частоты, источника питания или синфазную помеху во входном сигнале. Обратимся к этому свойству подробнее.

Выходное напряжение на каждом из выходов дифференциальной пары возникает путем падения на нагрузке за счет анодных токов ламп. Каждое из этих напряжений легко может быть найдено через анодные токи, используя закон Ома:

Каждый выходной сигнал (выходное напряжение) будет точной инвертированной (сдвинутой по фазе на полпериода) копией другого если i₁, = i₂, при условии, что два нагрузочных резистора равны. Существуют две основные причины по которыми эта идеальность может быть нарушена.

Первая причина связана с ответвлением тока на землю. Ток i₁, текущий в катодной цепи лампы V₁разветвляется: часть тока ответвляется в R_K, а оставшаяся часть течет на катод лампы V₂, создавая ток i₂. Тем не менее, если R_Kустремить к бесконечности, то токи выровняются: i₁, = i₂. Если μ₁ = μ₂ и R_H(1) = R_H(2)то коэффициент ослабления синфазного сигнала будет равен:

Из этого выражения следует, что нужно использовать электронные лампы с большим μ, и максимизировать отношение R_Kк R_h. Например, вторая ступень сбалансированного предусилителя, разработанная в Американской Ассоциации звукозаписи (RIAA) использует источник неизменяющегося тока на лампах EF184 (r приемника = R_K≈ 1 МОм), дифференциальную пару на Е88СС (μ = 32), R_H = 47 кОм, так что коэффициент ослабления синфазного сигнала ≈ 57 дБ.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала будет заметно хуже, если μ₁ ≈ μ₂ или R_H(1) ≈ R_H(2). Легкодоступные, недорогие, точные цифровые мультиметры, позволяют избежать неравенства нагрузочных резисторов, но точно подобрать электронный лампы с одинаковыми параметрами намного сложнее. Если μ₁ ≈ μ₂, то:

Это уравнение показывает, что большой μ лампы по-прежнему желателен, но и из равенство является важным.

Так как в линейном уравнении коэффициента ослабления синфазного сигнала не учтена возможная неодинаковость μ ламп, различие резисторов нагрузки и паразитная емкость, то любой теоретический расчет коэффициента ослабления синфазного сигнала, давший значение >60дБ должен рассматриваться с достаточной долей скептицизма. Тем не менее, полезно проверить, что сопротивление R_K достаточно высокое для уверенности, что прогнозируемый коэффициент ослабления синфазного сигнала >40дБ. 40 дБ — легко достижимый на практике коэффициент ослабления синфазного сигнала дифференциальной пары.

Дифференциальный усилительный каскад

Связь Дифференциальный усилительный каскад

просмотров — 636

Дифференциальный усилительный каскад (ДУ) или усилитель разности — ϶ᴛᴏ УПТ выполненный по параллельно-балансной схеме с эмиттерной связью (рис. 3). Основной частью этого схемного построения является эмиттерно-связанная пара транзисторов VT₁ и VT₂ с идентичными (согласованными) характеристиками. По существу это двухкаскадный усилитель, у которого используется общий эмиттерный резистор R₀. Типовое его включение предполагает использование двух разнополярных источников питания Е_ИП1 и Е_ИП2.

Применение разнополярных источников даёт возможность работы как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами и получать разнополярное выходное напряжение U_ВЫХ, симметричное относительно нулевого уровня. Вместе с тем, такой вариант питания позволяет при отсутствии входного сигнала сделать базовые потенциалы равными нулю, тогда усилители напряжения на входах становятся излишними, если входные источники обеспечивают цепь для постоянных базовых токов.

В качестве основного токозадающего источника, определяющего ток I₀ и, соответственно, начальные коллекторные токи I_K1A, I_K2A, выступает источник Е_ИП2.

(1)

Начальные напряжения смещения U_БЭА должны быть такими, чтобы транзисторы не заходили в режим отсечки и насыщения, ᴛ.ᴇ. работали в режиме класса А. Для маломощных кремниевых транзисторов это обычно 0,6…0,7 В.

В силу симметрии схемы, в коллекторных и эмиттерных цепях протекают одинаковые токи

(2)

Каскад имеет два входа, на которых действуют два входных напряжения U_ВХ1 и U_ВХ2. Эти напряжения бывают либо постоянными, либо переменными, либо комбинацией того и другого. Разность этих напряжений называют дифференциальным (разностным) сигналом U_Д.

(3)

В случае если входные напряжения равны по величинœе и имеют разные знаки (противоположные фазы), то их называют парафазными. К примеру, при гармоническом воздействии парафазных сигналов имеют вид

(4)

В этом случае дифференциальный (разностный) сигнал максимален

В случае если входные напряжения имеют одинаковые и величину, и знак (фазу), то их называют синфазными.

(5)

В этом случае дифференциальный сигнал равен нулю

а напряжения на базе изменяются синфазно относительно друг друга и в любой момент времени потенциалы баз одинаковы.

Синфазные напряжения на базе U_СФ определяются как средние арифметическое двух входных напряжений

(6)

При парафазном воздействии (4) синфазные напряжения равны нулю

При воздействии (5) синфазные напряжения максимальны

В общем случае из совокупности входных сигналов U_ВХ1 и U_ВХ2 можно выделить дифференциальную (3) и синфазную (6) составляющую. Дифференциальная составляющая U_Д характеризует различие (асимметрию) сигналов U_ВХ1 и U_ВХ2, а синфазная U_СФ – степень их совпадения (симметрии).

Пример 6.1. На входах действуют постоянные напряжения U_ВХ1 = = 10 В, U_ВХ2 = 4 В. Определить дифференциальную и синфазную составляющую входных сигналов.

Р е ш е н и е

1. Определим по (6.3) дифференциальную составляющую

2. Найдём по (6.6) синфазную составляющую

На рис. 6.4 показан график поясняющий решение примера 6.1.

На входе ДУ ничего не изменится, если два сигнала U_ВХ1 = 10 В и U_ВХ2 = 4 В заменить двумя парафазными сигналами 3 В и –3 В, образующими дифференциальную составляющую в 6 В, и синфазным напряжением U_СФ = 7 В, действующим на обеих базах.

В качестве выходного напряжения U_ВЫХ используется разность потенциалов коллекторов транзисторов

(7)

Для того, чтобы найти связь между выходным и входными напряжениями рассмотрим, что происходит в схеме ДУ при синфазных и парафазных сигналах на входах. Перед анализом работы заметим, что элементы схемы образуют мост (рис.6.5), в одну диагональ которого включён задающий ток I₀, а в другую выходные клеммы и , на которых действует выходное напряжение U_ВЫХ.

При условии баланса моста

(6.8)

потенциалы точек и равны, следовательно, выходное напряжение равно нулю. Нарушение условия (6.8) приводит к разбалансировке моста и появлению выходного напряжения пропорционального возникшему разбалансу. Он может вызываться, к примеру, изменением выходных сопротивлений транзисторов R_VT1 и R_VT2, которые, в свою очередь, зависят от входных напряжений U_ВХ1 и U_ВХ2. Пусть на входах транзисторов действуют только синфазные сигналы (6.5). В этом случае, как мы уже отмечали, потенциалы баз в любой момент времени взаимно равны. В случае если они растут, то R_VT1 и R_VT2 уменьшаются. Коллекторные токи в плечах моста получают одинаковые положительные приращения Эти приращения складываются в резисторе R₀ и создают на нём напряжение последовательной ООС.

(6.9)

Т.е. формально можно считать, что напряжение ООС создаётся на резисторе R_ОС = 2R₀.

Это напряжение увеличивает потенциал эмиттеров транзисторов, компенсируя тем самым рост потенциалов баз и возвращая коллекторные токи к прежним значениям. В результате баланс моста не нарушается, выходное напряжение остаётся равным нулю. Тоже самое происходит и при уменьшении синфазного напряжения. Отрицательные приращения коллекторных токов создают напряжение ООС на R₀, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ уменьшает потенциал эмиттеров синхронно с уменьшением потенциалов баз, возвращая коллекторные токи к начальным значениям. Выходное напряжение тоже остаётся равным нулю.

Итак, в идеальном случае, при полном совпадении параметров транзисторов и резисторов R_K, воздействие синфазной составляющей входных сигналов компенсируется полностью последовательной отрицательной обратной связью по току, возникающей на элементе R₀. Потенциалы выходных зажимов и не изменяются. Отсюда следует очень важный вывод: дифференциальный усилитель не усиливает синфазные сигналы, а в идеальном случае подавляет их до нуля. Отметим, что потенциалы зажимов и не будут изменяться только при условии неизменности задающего тока I₀, а для этого элемент обратной связи R₀ должен обладать свойством источника тока: — при изменении напряжения на нём, ток I₀ должен остаться постоянным, что в обычном резисторе невозможно.

Рассмотрим, как реагирует схема ДУ, если на входах действуют парафазные сигналы? Парафазные сигналы, к примеру (6.4), вызывают на входах ДУ приращения напряжений противоположных знаков. По этой причине приращения коллекторных токов тоже имеют противоположные знаки. Баланс моста нарушается, появляется выходное напряжение.

(6.10)

На общем эмиттерном резисторе R₀ изменения эмиттерных токов даёт приращение напряжения

В случае если считать схему симметричной, то , в связи с этим

Отсутствие этого напряжения говорит о том, что в полностью симметричных ДУ, как по постоянному, так и по переменному току, действие ООС отсутствует.

На основание сказанного можно сделать следующий вывод: дифференциальная разностная составляющая входных сигналов в дифференциальном каскаде получает усиление. По этой причине ДУ часто называют усилителœем разности.

Примечания: 1. Выход ДУ при подключении нагрузки к зажимам , рис. 6.3, является симметричным. При этом в ДУ можно использовать в качестве выходного напряжения, любое из коллекторных напряжений U_K1 или U_K2, В этом случае выход каскада будет несимметричным. Нетрудно заметить, что при U_ВЫХ = U_К2, первый вход будет прямым, а второй – инверсным, т.к. U_К2 и U_ВХ2 находятся в противофазе а U_К2 и U_ВХ1 в фазе (рис. 6.6).

2. У двух транзисторов при равных токах I_K напряжения база-эмиттер U_БЭ хоть и незначительно, но отличаются. По этой причине разность выходных напряжений U_ВЫХ = U_K2 – U_K1 не равна нулю при U_Д = 0. Для того, чтобы выполнялось равенство U_K2 = U_K1 на дифференциальный вход крайне важно подать неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ напряжение U_ВХ0 называемое напряжением разбаланса. Обычно это несколько милливольт. Имеются различные возможности приведения к нулю напряжения разбаланса ДУ. Ознакомимся с некоторыми из них при изучении конкретных схем.

Читайте также

Дифференциальный усилительный каскад, его особенности и преимущества

В настоящее время наибольшее распространение получили УПТ на основе дифференциальных каскадов. Такие усилители просто реализуются в виде монолитных ИМС и широко выпускаются промышленностью. На рис. 1 приведена принципиальная схема простейшего варианта дифференциального усилителя (ДУ) на биполярных транзисторах.

Рис. 1

Любой ДУ выполняется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами  и , а два других — транзисторами  и . Сопротивление нагрузки  включено в диагональ моста. Резисторы цепи ПООСТ  и  обычно невелики или вообще отсутствуют, поэтому можно считать, что резистор  подключен к эмиттерам транзисторов.

Двухполярное питание позволяет обойтись на входах (выходах) ДУ без мостовых схем за счет снижения потенциалов баз (коллекторов) до потенциала общей шины.

Рассмотрим работу ДУ для основного рабочего режима — дифференциального. За счет действия  транзистор  приоткрывается, и его ток эмиттера получает приращение , а за счет действия  транзистор  призакрывается, и ток его эмиттера получает отрицательное приращение . Следовательно, результирующее приращение тока в цепи резистора  при идеально симметричных плечах близко к нулю и, следовательно, ООС для дифференциального сигнала отсутствует.

ДУ отличает малый дрейф нуля, большой коэффициент усиления дифференциального (противофазного) сигнала  и большой коэффициент подавления синфазных помех, т.е. малый коэффициент передачи синфазного сигнала .

Для обеспечения качественного выполнения этих функций необходимо выполнить два основных требования. Первое из них состоит в обеспечении симметрии обоих плеч ДУ. Приблизиться к выполнению этого требования позволила микроэлектроника, поскольку только в монолитной ИМС близко расположенные элементы действительно имеют почти одинаковые параметры с одинаковой реакцией на воздействие температуры, старения и т.п.

Второе требование состоит в обеспечении глубокой ООС для синфазного сигнала. В качестве синфазного сигнала для ДУ выступают помехи, наводки, поступающие на входы в фазе. Поскольку  создает глубокую последовательную ООС по току для обоих плеч ДУ, то для синфазного сигнала будет наблюдаться значительное уменьшение коэффициентов передачи каскадов с ОЭ, образующих эти плечи.

Главным преимуществом дифференциального усилителя, особенно в интегральном исполнении, является малый дрейф нуля. В самом деле, одновременное и одинаковое температурное смещение входных характеристик транзисторов в левом и правом плечах дифференциального усилителя эквивалентны подаче синфазного сигнала, равного напряжению смещения U_бэ0. Синфазный сигнал подавляется в дифференциальном усилителе, и лишь некоторая асимметрия схемы может создать разностный сигнал. Кроме того, сопротивления или транзисторы, включаемые в эмиттерные цепи, не влияют на полезное усиление разностного сигнала, тогда как эммитерные сопротивления значительно уменьшают усиление каждого каскада и общее усиление.

В последнее время в качестве активных элементов дифференциальных усилителей широкое применение находят полевые транзисторы.

Дифференциальные усилители [Analog Devices Wiki]

Дифференциальный усилитель, вероятно, является наиболее широко используемым структурным блоком в аналоговых интегральных схемах, в основном в операционных усилителях. У нас был краткий обзор одного из них в разделе 3.4.3 главы 3, когда мы обсуждали входной ток смещения. Дифференциальный усилитель может быть реализован на транзисторах BJT или MOSFET. Дифференциальный усилитель умножает разность напряжений между двумя входами (Vin + — Vin-) на некоторый постоянный коэффициент Ad, дифференциальное усиление.Он может иметь либо один выход, либо пару выходов, где интересующий сигнал представляет собой разность напряжений между двумя выходами. Дифференциальный усилитель также имеет тенденцию отклонять часть входных сигналов, которые являются общими для обоих входов (Vin + + Vin -) / 2. Это называется синфазным сигналом.

12.1 Начнем с основ

Часто проще всего начать заново с самого простого одиночного транзистора и построить работоспособный дифференциальный усилитель как логическое продолжение этого.Рассмотрим каскад усилителя с одним транзистором, рисунок 12.1.1, который аналогичен тому, что мы исследовали в разделе о вырожденном общем эмиттере в главе 9. Этот усилитель может фактически рассматриваться либо как усилитель с инвертирующим общим эмиттером при питании от напряжения В. _neg и V _pos считается заземлением переменного тока. Или в качестве неинвертирующего усилителя с общей базой при питании от В _pos и при В _neg считается заземлением переменного тока.

Рисунок 12.1.1 Дифференциальный усилитель со связью по переменному току

Предположим, мы делаем конденсаторы связи C ₁ и C ₂ достаточно большими, чтобы мы могли рассматривать их как короткие замыкания переменного тока для интересующих частот сигналов. Усиление напряжения слабого сигнала от В _{отрицательного} до В _out составляет:

Аналогично, усиление напряжения слабого сигнала от В _pos до В _out составляет:

Транзистор усиливает напряжение слабого сигнала на своем В _до , которое в данном случае составляет В _pos — В _neg .Если мы применим одинаковые по амплитуде синфазные сигналы к В _pos и В _neg , так что V _pos — V _neg = 0, тогда не будет переменного сигнала на V _будет , а выходной сигнал при V _out будет равен нулю. С другой стороны, если мы применяем сигналы одинаковой амплитуды, которые не совпадают по фазе на 180 °, то В _pos — В _neg = удвоенная амплитуда входных сигналов.Эта разница напряжений появится на В _на и будет усилена на g _м * R _L при В _из .

Инвертирующий или отрицательный входной терминал нашего простого разностного усилителя имеет относительно высокий входной импеданс каскада с общим эмиттером, в то время как неинвертирующий или положительный входной терминал усилителя имеет относительно низкий входной импеданс каскада с общей базой. Важность этого наблюдения и то, как его можно найти с пользой, станет очевидной в следующей главе (13), посвященной трансимпедансным усилителям.

Было бы выгодно, если бы наш дифференциальный усилитель имел более симметричные входы, где входное сопротивление как для положительного, так и для отрицательного входов было как можно более высоким, в идеале бесконечным. Дополнительный шаг, ведущий нас в этом направлении, показан на рисунке 12.1.2. Если мы теперь включим каскад эмиттерного повторителя, Q ₂ , для буферизации относительно низкого импеданса общего тракта усилителя базы положительного входа, мы получим более симметричную пару входов.

Рисунок 12.Добавлен 1,2-разностный усилитель с эмиттерным повторителем.

Поскольку мы все еще подключаем наши входные сигналы по переменному току ко второму набору резисторов смещения, R _B3 и R _B4 необходимы для обеспечения смещения постоянного тока для нового эмиттерного повторителя. Если вместо этого мы подключим по постоянному току симметричные входы, резисторы смещения станут ненужными, и наш дифференциальный усилитель теперь приобретет вид классической дифференциальной пары, которую мы обсудим в следующем разделе.

12,2 Длиннохвостая пара

Рисунок 12.2.1: Длинно-хвостовая пара с резистивными нагрузками

Классический усилитель дифференциальной пары состоит как минимум из двух идентичных транзисторов, сконфигурированных с эмиттерами для транзисторов BJT или источниками для полевых транзисторов, соединенными вместе. Длиннохвостая пара (LTP) или пара с эмиттерной связью (с истоковой связью) — это пара транзисторов, в которой общий эмиттер или узел источника питается от более или менее постоянного источника / приемника тока, который может быть таким же простым, как резистор относительно большого номинала, подключенный к отрицательному источнику питания, такой как R _хвост на рисунке 12.2.1, (или положительный источник питания для устройств p-типа), который вызывает большое падение напряжения относительно амплитуды входного сигнала, таким образом, «длинный хвост». Учитывая более или менее постоянный ток, подаваемый на эмиттеры или источники, сумма двух токов коллектора или стока также более или менее постоянна с сигналом.

На два входа на базах или затворах можно подавать дифференциальный или сбалансированный входной сигнал, а два выхода из коллекторов или стоков остаются сбалансированными, или один вход может быть заземлен для преобразования несимметричного входного сигнала в дифференциальный выход.

Чем выше сопротивление источника тока R _tail , тем ниже коэффициент усиления синфазного сигнала или A _c и тем лучше коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR). В более сложных конструкциях активный источник постоянного тока может быть заменен высокоомным R _tail . Имея два входа и два выхода, он образует каскад дифференциального усилителя. Две базы или ворота — это входы, которые дифференциально усиливаются парой.

Несмотря на то, что эта схема предназначена для двух входов и двух выходов, нет необходимости использовать оба входа и оба выхода.(Помните, дифференциальный усилитель был определен как имеющий два возможных входа и два возможных выхода.) Дифференциальный усилитель может быть подключен как устройство с одним входом и одним выходом; устройство с одним входом и дифференциальным выходом; или устройство с дифференциальным входом и дифференциальным выходом. Выход может быть несимметричным (взятым только с одного из коллекторов или стоков, или дифференциальным, в зависимости от потребностей последующей схемы.

В длинно-хвостовой паре, построенной с использованием BJT, эмиттеры соединяются вместе, а затем через источник тока к земле или к отрицательному источнику питания (для LTP, использующего транзисторы NPN).В этой форме один из транзисторов можно рассматривать как усилитель, работающий в конфигурации с общим эмиттером, а другой — как эмиттерный повторитель, подающий другой входной сигнал в эмиттер первого каскада, как мы обсуждали в предыдущем разделе. Поскольку транзистор будет усиливать ток, протекающий между базой и эмиттером, из этого следует, что ток, протекающий в цепи коллектора первого транзистора, пропорционален разности между двумя входами. Однако, поскольку схема полностью симметрична, любой элемент можно рассматривать как усилитель или как ведомый, понимание того, как работает схема, не зависит от того, какую роль вы назначаете какому устройству.

Условие смещения предполагает равные напряжения при В _pos и В _neg , заставляя ток смещения I _tail (установленный R _tail ) делиться поровну между транзисторами, в результате чего I _C1 = Я _С2 . При R _C1 = R _C2 , равные напряжения развиваются при В _{на выходе} + и В _{на выходе} -.

Используя полевые МОП-транзисторы, мы можем построить дифференциальную пару со связью с источником, которая является аналогом дифференциальной пары с эмиттерной связью, использующей BJT.Основным преимуществом использования полевых МОП-транзисторов для дифференциальной пары по сравнению с биполярными транзисторами является почти бесконечный входной импеданс, а недостатком, как правило, является более низкий дифференциальный коэффициент усиления.

Предполагая, что два полевых МОП-транзистора одинаковы. Анализ дифференциальной пары с исходной связью проводится таким же образом, как и дифференциальной пары с эмиттерной связью, как для синфазного сигнала, так и для дифференциального входного сигнала. Передаточные характеристики для тока стока I _d1 и I _d2 показаны на рисунке.

12,3 Дифференциальное усиление

Мы можем рассчитать усиление дифференциального напряжения следующим образом. Рассмотрим Q ₁ и Q ₂ как источники тока, управляемые их базовыми напряжениями. Затем R _C1 и R _C2 преобразуют токи обратно в напряжения. Во-первых, ток коллектора слабого сигнала

Где крутизна г _м (А / В) задается током коллектора постоянного тока

при комнатной температуре.

Затем R _C преобразует I _c обратно в напряжение.

Поместив на картинку вход V _diff = V _pos — V _neg , обратите внимание, что он делится поровну между двумя переходами база-эмиттер, но с противоположной полярностью. Собрав все это вместе, вы получите несимметричный выход на каждом коллекторе.

Вычитая два выхода, вы получите дифференциальный выход

Пример установки смещения: R _tail устанавливает смещение на Ie = (-0.6 В — В _DD ) / R _хвост = (-0,6 В — (-15 В )) / 7,2 кОм = 2 мА , что делится поровну между Q ₁ и Q ₂ дач

Наконец, мы легко вычисляем г _м = 1 мА /25 мВ = 0,04 А / В . Несимметричное усиление становится:

Выход дифференциального усилителя часто бывает дифференциальным.Если это нежелательно, то можно использовать только один выход, игнорируя другой выход. Или, чтобы не жертвовать коэффициентом усиления, можно использовать дифференциальный каскад в несимметричный после дифференциального каскада. Это часто реализуется с помощью активной токовой зеркальной нагрузки вместо резисторов коллектора / стока.

Пары с длинными хвостами часто используются в схемах, которые реализуют линейные усилители с обратной связью, как в операционных усилителях, и в других схемах, требующих дифференциального усилителя.

При использовании в качестве переключателя «левая» база или затвор используется как вход сигнала, а «правая» база или затвор заземляются; вывод берется из правого коллектора или стока. Когда вход равен нулю или отрицателен, выход близок к нулю; когда вход положительный, выход наиболее положительный, динамическая работа такая же, как и при использовании усилителя, описанном выше.

Стабильность смещения и независимость от изменений параметров устройства могут быть улучшены за счет отрицательной обратной связи, вводимой через резисторы вырождения эмиттера или источника.

Дифференциальная пара с малым дифференциальным входным сигналом v _i

Работа в режиме слабого сигнала

Некоторые формулы

1. Дифференциальное входное сопротивление.

2. Коэффициент усиления дифференциального напряжения.

3. Коэффициент усиления синфазного сигнала:

Увеличение диапазона линейного дифференциального входа дифференциальной пары

Иногда полезно добавить в схему резистор вырождения эмиттера REF, как показано на рисунке 12.3.1. Недостатком резисторов является уменьшение дифференциального усиления схемы по напряжению. Однако для этого есть две причины: увеличить входное сопротивление и уменьшить искажения из-за нелинейности BJT. На правом рисунке показана передаточная характеристика дифференциального усилителя (R _EF = 40V _T / I _EE ).

Чтобы улучшить линейность, мы вводим резисторы вырождения эмиттера, которые увеличивают линейный диапазон от нескольких В _T до примерно 1 _Tail R.

ADALM1000 Lab Activity 12, дифференциальный усилитель BJT
ADALM1000 Lab Activity 12 м, дифференциальный усилитель MOS

ADALM2000 Lab Activity 12, дифференциальный усилитель BJT
ADALM2000 Lab Activity 12 м, дифференциальный усилитель MOS

Текущее зеркало в качестве нагрузки

На следующем рисунке показан вариант пары с эмиттерной связью, в которой коллекторные резисторы заменены токовым зеркалом.Эта схема особенно предпочтительна в интегральных схемах, потому что согласованные транзисторы намного проще сконструировать, чем согласованные по прецессии высокоомные резисторы. Простой анализ, предполагающий большое ß, так что базовые токи Q ₃ и Q ₄ не учитываются, приводит к следующему уравнению:

Для

примерно пропорционален v _id . Обратите внимание, что входной компонент синфазного сигнала не влияет на выходной ток.

Сводка

В этой главе представлена ​​информация о дифференциальных усилителях. Следующая информация резюмирует важные моменты этой главы.

Разностный усилитель — это любой усилитель, выходной сигнал которого зависит от разницы между входными сигналами. Разностный усилитель с двумя входами и одним выходом может быть создан путем объединения конфигураций с общим эмиттером и общей базой в одном транзисторе.

Разностный усилитель может иметь входные сигналы, которые синфазны друг с другом, на 180 ° не совпадают по фазе друг с другом или не на 180 ° друг с другом.

Вернуться к предыдущей главе

Перейти к следующей главе

Вернуться к содержанию

1.6: Дифференциальный усилитель — Engineering LibreTexts

В большинстве современных операционных усилителей используется входной каскад дифференциального усилителя. Другими словами, первый каскад операционного усилителя — это дифференциальный усилитель. Эту схему обычно называют дифференциальным усилителем или парой с длинным хвостом.Дифференциальный усилитель использует минимум 2 активных устройства, хотя в более сложных конструкциях можно использовать 4 или более. Наша цель здесь — изучить основы дифференциального усилителя, чтобы понять, как он соотносится с операционным усилителем большего размера. Поэтому мы не будем исследовать более эзотерические конструкции. Чтобы подойти к этому упорядоченным образом, мы сначала рассмотрим анализ постоянного тока, а затем проведем анализ слабого сигнала переменного тока.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Упрощенный diff amp.

1.6.1: Анализ постоянного тока

Упрощенный усилитель сравнения показан на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). В этой схеме используется пара биполярных транзисторов NPN, хотя схема также легко может быть построена с использованием PNP или полевых транзисторов. Обратите внимание на внутреннюю симметрию схемы. Если бы вы разрезали схему пополам по вертикали, все компоненты в левой половине имели бы соответствующий компонент в правой половине. Действительно, для оптимальной производительности мы увидим, что эти пары компонентов должны иметь одинаковые значения.Для критических приложений будет использоваться согласованная пара транзисторов. В этом случае параметры транзистора, такие как \ (\ beta \), будут очень близки для двух устройств.

На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) отмечены токи в цепи, а обобщенный источник тока заменен комбинацией резистор / отрицательный источник питания. По сути, это метод смещения эмиттера. Предполагая, что базовые напряжения незначительны и что \ (V_ {BE} \) равно 0,7 В, мы можем видеть, что эмиттер каждого устройства находится примерно на -0.7 Закон В. Кирхгофа о напряжении указывает, что основная часть отрицательного потенциала питания должна падать на \ (R_T \).

\ [V_ {RT} = ∣V_ {EE} ∣ − .7V \ notag \]

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Анализ дифференциала рисунка \ (\ PageIndex {1} \).

Зная это, мы можем найти ток через \ (R_T \), который известен как хвостовой ток, \ (I_T \).

\ [I_T = \ frac {∣V_ {EE} ∣ − 0,7 В} {R_T} \ notag \]

Если две половины схемы хорошо согласованы, хвостовой ток разделится поровну на две части: \ (I_ {E1} \) и \ (I_ {E2} \).При одинаковых токах эмиттера следует, что оставшиеся токи и напряжения в двух половинах также должны быть идентичными. Эти потенциалы и токи находятся путем применения законов Кирхгофа по напряжению и току, как и при любом другом анализе смещения транзисторов.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Найдите хвостовой ток, два тока эмиттера и два напряжения между коллектором и землей в схеме, показанной на рисунке \ (\ PageIndex {3} \). Вы можете предположить, что эти два транзистора очень похожи.

Первый шаг — найти хвостовой ток:

\ [I_T = \ frac {∣V_ {EE} ∣ − 0,7 В} {R_T} \ notag \]

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Diff amp, например, \ (\ PageIndex {1} \).

Остаточный ток представляет собой комбинацию двух равных эмиттерных токов, поэтому

\ [I_ {EI} = I_ {E2} = I_ {T2} \\ I_ {EI} = I_ {E2} = \ frac {4.65 \ mA} {2} \\ I_ {EI} = I_ {E2} = 2,325 \ мА \ notag \]

Если мы сделаем приближение, что токи коллектора и эмиттера равны, мы можем найти напряжение коллектора, вычислив падение напряжения на резисторе коллектора и вычтя результат из положительного источника питания.

\ [V_ {c} = V_ {cc} — I_c \ R_c \\ V_ {c} = 20 \ V — 2.325 \ mA \ times 3k \ Omega \\ V_ {c} = 20 \ V — 6.975 \ V \ \ V_ {c} = 13,025 \ V \ notag \]

Опять же, поскольку у нас одинаковые значения для обеих половин схемы, \ (V_ {C1} = V_ {C2} \). Если мы продолжим это и предположим, что типичное значение \ (\ beta \) равно 100, мы обнаружим, что два базовых тока также идентичны.

\ [I_ {B} = \ frac {I_c} {\ beta} \\ I_ {B} = \ frac {2.325 \ mA} {100} \\ I_ {B} = 23.25 \ mu A \ notag \]

Заметив, что базовые токи протекают через базовые резисторы 5 кОм (\ Omega \), мы можем найти базовые напряжения.Обратите внимание, что это отрицательный потенциал, потому что ток базы течет от земли к базе транзистора.

\ [V_ {B} = -I_b \ R_B \\ V_ {B} = −23.25 \ mu A \ times 5k \ Omega \\ V_ {B} = −116.25 \ mV \ notag \]

Этот результат показывает, что фактическое напряжение эмиттера ближе к -0,8 В, чем -0,7 В, и, таким образом, хвостовой ток на самом деле немного меньше, чем наше приближение 4,65 мА. Эта ошибка, вероятно, находится в пределах ошибки, которую мы можем ожидать, используя приближение потенциала перехода 0,7 В.

1.6.2: Входной ток смещения и напряжение

Как вы, без сомнения, догадались, невозможно сделать обе половины схемы идентичными, и поэтому токи и напряжения никогда не будут одинаковыми. Даже небольшое отклонение допуска резистора вызовет сбой. Если базовые резисторы не совпадают, это вызовет прямое изменение двух базовых потенциалов. Изменение сопротивления коллектора вызовет рассогласование потенциалов коллектора. Простое несоответствие \ (\ beta \) или \ (V_ {BE} \) может вызвать изменения базовых токов и базовых напряжений, а также меньшие изменения в токах эмиттера и потенциале коллектора.Тогда желательно количественно оценить характеристики схемы, чтобы мы могли видеть, насколько хорошо она сбалансирована. Мы можем судить о характеристиках дифференциального усилителя по постоянному току, измеряя его входной ток смещения и входное и выходное напряжения смещения. Проще говоря, разница между двумя базовыми токами — это входной ток смещения. Разница между двумя напряжениями коллектора и есть выходное напряжение смещения. Потенциал постоянного тока, необходимый на одной из баз для противодействия выходному напряжению смещения, называется входным напряжением смещения (это немного больше, чем выходное напряжение смещения, деленное на коэффициент усиления постоянного тока усилителя).В идеальном дифференциальном усилителе все три этих фактора равны 0. Мы более подробно рассмотрим эти параметры и то, как они соотносятся с операционными усилителями, в следующих главах. На данный момент важно только, чтобы вы понимали, что эти неточности существуют и что может их вызвать.

1.6.3: Анализ переменного тока

На рисунке \ (\ PageIndex {4} \) показана типовая схема с входными и выходными соединениями. Чтобы свести к минимуму путаницу с цепью постоянного тока, эквивалентные значения переменного тока будут показаны в нижнем регистре.К этому

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Типичный усилитель дифференциала с входными и выходными соединениями.

diff amp. Эта схема имеет два сигнальных входа и два сигнальных выхода. Можно сконфигурировать усилитель diff так, чтобы использовался только один вход и / или выход. Это означает, что существует четыре вариации темы:

• Дифференциальный (также называемый двойным или двусторонним) вход, дифференциальный выход.
• Дифференциальный вход, несимметричный выход.
• Несимметричный вход, дифференциальный выход.
• Несимметричный вход, несимметричный выход.

Эти варианты показаны на рисунке \ (\ PageIndex {5} \). Для использования в операционных усилителях наиболее распространено изменение дифференциального входа / несимметричного выхода. Мы рассмотрим наиболее общий случай — вариант с дифференциальным входом / дифференциальным выходом.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): четыре различных конфигурации входа / выхода diff amp.

Поскольку дифференциальный усилитель представляет собой линейную схему, мы можем использовать принцип суперпозиции для независимого определения выходного вклада каждого из входов. Используя схему на рисунке \ (\ PageIndex {4} \), мы сначала определим уравнение усиления от \ (V_ {in1} \) к любому выходу. Для этого заменим \ (V_ {in2} \) на короткое замыкание. Эквивалентная схема переменного тока показана на рисунке \ (\ PageIndex {6} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Схема на рисунке \ (\ PageIndex {4} \) перерисована для анализа переменного тока.

Для выхода на коллекторе 1 транзистор 1 составляет основу усилителя с общим эмиттером. Напряжение на \ (r_ {C1} \) определяется по закону Ома.

\ [v_ {r_ {C1}} = −i_ {C1} \ r_ {C1} \ notag \]

Отрицательный знак связан с тем, что в качестве эталона используется заземление переменного тока. (т.е. для положительного входа ток течет от земли переменного тока вниз через \ (r_ {C1} \) и в коллектор.) В разумном приближении мы можем сказать, что токи коллектора и эмиттера идентичны.{‘} _ {e} \) — динамическое сопротивление перехода база-эмиттер.

Последний знак минус указывает, что напряжение коллектора на транзисторе номер 1 на 180 градусов не совпадает по фазе с входным сигналом. Ранее мы отметили, что \ (i_ {E2} \) имеет ту же величину, что и \ (i_ {E1} \), с той лишь разницей, что он не в фазе. Из-за этого величина напряжения коллектора на транзисторе номер 2 будет такой же, как и на первом транзисторе. Поскольку второй ток не в фазе с первым, из этого следует, что напряжение второго коллектора должно быть не в фазе с первым.{‘} _ {e} + r_ {E})} \ notag \]

Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): формы сигналов для одного входа.

Различные формы сигналов показаны на рисунке \ (\ PageIndex {8} \). Предыдущее уравнение часто называют уравнением усиления несимметричного входа / несимметричного выхода, поскольку оно описывает однократное изменение от одного входа к одному выходу. Выходной сигнал будет синфазным, если мы исследуем противоположный транзистор, и не в фазе, если мы смотрим на входной транзистор.Поскольку схема является симметричной, мы получим аналогичные результаты, когда рассмотрим второй вход. Напряжение между двумя коллекторами составляет 180 градусов. Если бы мы использовали дифференциальный выход, то есть выводили бы выходной сигнал от коллектора к коллектору, а не от одного коллектора к земле, мы бы увидели эффективное удвоение выходного сигнала. Если причина этого вам не ясна, подумайте о следующем. Предположим, что каждый коллектор имеет пиковую синусоидальную волну 1 В. Когда коллектор 1 на +1 В, коллектор 2 на -1 В, что составляет +2 В.{‘} _ {e} + r_ {E})} \ notag \]

\ [A_v = \ frac {8 \ k \ Omega} {2 (71.2 \ \ Omega + 30 \ \ Omega)} \ notag \]

\ [A_v = \ frac {8 \ k \ Omega} {202.4 \ \ Omega} \ notag \]

\ [A_v = 39,5 \ notag \]

Коэффициент усиления дифференциального выхода в два раза больше этого значения, или 79.

Поскольку можно управлять усилителем дифференциала с двумя отдельными входами, можно получить большое разнообразие выходов. Полезно расследовать два конкретных случая:

• Два идентичных входа по фазе и величине.
• Два входа с одинаковой величиной, но сдвинуты по фазе на 180 градусов.

Рассмотрим коллекторные потенциалы для первого случая. Предположим, что дифференциальный усилитель имеет коэффициент усиления несимметричного входа / несимметричного выхода 100 и сигнал 10 мВ подается на обе базы. Используя суперпозицию, мы обнаруживаем, что выходные сигналы каждого входа в 100 раз превышают 10 мВ или 1 В. Для первого входа напряжения показаны на рисунке \ (\ PageIndex {9a} \) (следующая страница). Для второго входа напряжения показаны на рисунке \ (\ PageIndex {9b} \).Обратите внимание, что каждый коллектор видит как синусоидальную волну, так и инвертированную синусоидальную волну одинаковой амплитуды. Когда эти два сигнала складываются, результат равен нулю, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {9c} \). В форме уравнения,

\ [v_ {C1} = v_ {in1} (−A_v) + v_ {in2} \ A_v \ notag \]

\ [v_ {C1} = A_v (v_ {in2} −v_ {in1}) \ notag \]

Поскольку \ (v_ {in1} \) и \ (v_ {in2} \) идентичны, выходной сигнал в идеале равен нулю при идеально согласованном и смещенном усилителе diff. Точно такой же эффект наблюдается на противоположном коллекторе.Это последнее уравнение очень важно. В нем говорится, что выходное напряжение равно усилению, умноженному на разницу между двумя входами. Так получил свое название дифференциальный усилитель. В этом случае два входа идентичны, и поэтому их разница равна нулю. С другой стороны, если бы мы инвертировали один из входных сигналов (случай 2), мы получили бы совершенно другой результат.

\ [v_ {in1} = -v_ {in2} \\ v_ {C1} = A_v (v_ {in2} -v_ {in1}) \\ v_ {C1} = A_v (v_ {in2} — (- v_ { in2})) \\ v_ {C1} = 2 \ A_v \ v_ {in2} \ notag \]

Таким образом, если один вход инвертируется, чистым результатом является удвоение прибыли.Этот эффект показан графически на рисунках от \ (\ PageIndex {9d} \) до \ (\ PageIndex {9f} \). Короче говоря, дифференциальный усилитель подавляет синфазные сигналы и одновременно усиливает сигналы, не совпадающие по фазе. Это может быть очень полезным атрибутом, особенно в области снижения шума.

Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): Формы сигналов ввода-вывода для синфазного режима.

Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): (продолжение) Формы сигналов ввода-вывода для синфазного режима.

1.6.4: Подавление синфазного сигнала

По соглашению синфазные сигналы называются синфазными сигналами. Идеальный дифференциальный усилитель будет идеально подавлять эти синфазные сигналы, и поэтому его синфазное усиление считается нулевым. В реальном мире дифференциальный усилитель никогда не покажет идеального подавления синфазного сигнала. Синфазное усиление может быть очень маленьким, но оно никогда не бывает нулевым. Для нулевого синфазного усиления две половины схемы должны быть идеально согласованы, и все элементы схемы должны быть идеальными.Этого невозможно добиться, поскольку ошибки могут возникать по нескольким причинам. Наиболее очевидными источниками ошибок являются отклонения допусков резисторов и разброс параметров транзисторов. Базовая конструкция схемы также влияет на синфазное усиление. С некоторыми изменениями схемы можно определить синфазное усиление для схем, которые мы использовали. Схема на рисунке \ (\ PageIndex {4} \) была перерисована на рисунке \ (\ PageIndex {10} \), чтобы подчеркнуть ее параллельную симметрию.

Рисунок \ (\ PageIndex {10} \): Схема на рисунке \ (\ PageIndex {4} \) перерисована для анализа коэффициента подавления синфазного сигнала (CMRR).{‘} _e} {2} + \ frac {r_E} {2}} \ notag \]

Это коэффициент усиления синфазного напряжения. Если \ (R_T \) значительно больше, чем \ (r_C \), тогда эта схема будет демонстрировать хорошее подавление синфазного сигнала (при условии, что другие части согласованы, естественно). \ (R_T \) — эффективное сопротивление источника тока хвоста. Желательно очень высокое внутреннее сопротивление (т.е. идеальный источник тока). Есть много способов создать более идеальный источник тока. Один из способов — использовать третий биполярный транзистор, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {12} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {12} \): Улучшенный источник тока.

Остаточный ток определяется путем определения потенциала на \ (R_2 \) и вычитания падения 0,7 В \ (V_ {BE} \). Оставшийся потенциал появляется через \ (R_3 \). Зная напряжение и сопротивление, закон Ома позволит вам найти хвостовой ток. В этой схеме \ (R_2 \) иногда заменяется стабилитроном. Это может помочь уменьшить колебания тока, вызванные температурой. В любом случае эффективное сопротивление этого источника тока значительно больше, чем у простого варианта резистора хвоста.Он в значительной степени зависит от характеристик транзистора с хвостовым током и может легко находиться в мегомной области.

Рисунок \ (\ PageIndex {13} \): Текущее зеркало.

1.6.5: Текущее зеркало

Очень популярный метод смещения в интегральных схемах включает в себя токовое зеркало. Токовые зеркала также используются в качестве активных нагрузок для оптимизации усиления схемы. Простое текущее зеркало показано на рисунке \ (\ PageIndex {13} \). Эта схема требует, чтобы кривые крутизны диода и транзистора были очень точно согласованы.Один из способов гарантировать это — использовать два транзистора и превратить один из них в диод, закоротив его коллектор на базу. Если мы используем примерный потенциал прямого смещения 0,7 В и игнорируем небольшой базовый ток, ток через диод составит

\ [I_D = \ frac {V_ {CC} −0,7 \ V} {R} \ notag \]

В действительности, потенциал диода, вероятно, будет не точно 0,7 В. Это мало повлияет на \ (I_d \). Поскольку диод параллелен переходу база-эмиттер транзистора, мы знаем, что \ (V_d = V_ {BE} \).Если два устройства имеют одинаковые кривые крутизны, ток эмиттера транзистора будет равен току диода. Вы можете думать о транзисторе как о зеркальном отражении тока диода, отсюда и название схемы. Если две кривые устройства слегка наклонены, то два тока не будут идентичными. Это показано графически на рисунке \ (\ PageIndex {14} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {14} \): Несоответствие передаточной кривой.

Пример \ (\ PageIndex {3} \)

В схеме, показанной на рисунке \ (\ PageIndex {12} \), можно использовать токовое зеркало.Результат показан на рисунке \ (\ PageIndex {15} \). Если положительный источник питания составляет 15 В, отрицательный источник питания составляет -10 В, а \ (R \) составляет 10 кОм, хвостовой ток будет

\ [I_D = \ frac {V_ {CC} −V_ {EE} −V_ {D}} {R} \ notag \]

\ [I_D = \ frac {15 \ V — (- 10 \ V) -0.7 \ V} {10 k \ Omega} \ notag \]

\ [I_D = 2,43 \ мА \ notag \]

Поскольку хвостовой ток является зеркальным,

\ [I_T = I_D \ notag \]

\ [I_T = 2,43 \ мА \ notag \]

Смещение этого типа очень популярно в операционных усилителях.Еще одно применение текущих зеркал — приложение активных нагрузок. Вместо использования простых резисторов для нагрузки коллектора можно использовать токовое зеркало. Токовое зеркало на основе PNP, подходящее для использования в качестве активной нагрузки в наших предыдущих схемах, показано на рисунке \ (\ PageIndex {16} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {15} \): Текущее смещение зеркала.

Рисунок \ (\ PageIndex {16} \): текущее зеркало активной нагрузки.

Чтобы использовать это, мы просто удаляем два резистора коллектора из схемы, такой как рисунок \ (\ PageIndex {15} \), и вставляем текущее зеркало.Результат этой операции показан на рисунке \ (\ PageIndex {17} \). Активная нагрузка токового зеркала создает очень высокий внутренний импеданс, что способствует очень высокому дифференциальному усилению. Фактически, при использовании источника постоянного тока в коллекторах весь переменный ток переводится на следующую ступень. Вы также можете заметить, что количество резисторов, используемых в схеме, значительно уменьшилось.

Рисунок \ (\ PageIndex {17} \): Текущие зеркала для смещения и активной нагрузки.

Для чего нужен дифференциальный усилитель? (Коэффициент подавления синфазного сигнала: CMRR) | Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

Дифференциальные усилители используются в основном для подавления шума.
Шум состоит из типичного дифференциального шума и синфазного шума, последний из которых можно легко подавить с помощью операционного усилителя.
Есть две основные причины синфазного шума:

1. В проводах и кабелях возникает шум из-за электромагнитной индукции и т. Д., и это вызывает разность потенциалов (т. е. шум) между землей источника сигнала и землей цепи.
2. Ток, протекающий через землю цепи от другой цепи, вызывает повышение потенциала земли (шум).
   

В любом случае потенциал земли, опорный для цепи, колеблется из-за шума. Обычными фильтрами трудно удалить синфазный шум. Дифференциальные усилители используются как средство подавления синфазного шума.
Операционный усилитель конфигурирует этот дифференциальный усилитель как главную схему. Показанный ниже символ представляет дифференциальный усилитель. Он имеет два входа: V _IN (+) и V _IN (-). Выходное напряжение равно разнице напряжений между двумя входами, умноженной на коэффициент усиления усилителя (A _V ):
V _OUT = A _V {V _IN (+) — V _IN (-)}
Предположим, что синфазный шум (v _noise ) накладывается на дифференциальные входы.Тогда
V _IN (+) ‘= V _IN (+) + V _шум
V _IN (-)’ = V _IN (-) + V _шум
Следовательно, выходной сигнал выражается следующее. Это указывает на то, что дифференциальный усилитель
подавляет синфазный шум:
V _OUT = A _V [{V _IN (+) + V _noise } — {V _IN (-) + V _noise }]
= A _V {V _IN (+) — V _IN (-)}

Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) определяется как одна из электрических характеристик операционного усилителя.

Несимметричные и дифференциальные усилители | Операционные усилители

Для облегчения рисования сложных принципиальных схем электронные усилители часто обозначаются простым треугольником, в котором внутренние компоненты не представлены по отдельности. Эта символика очень удобна в случаях, когда конструкция усилителя не имеет отношения к большей функции всей схемы, и она заслуживает ознакомления:

Подключения + V и -V обозначают положительную и отрицательную стороны источника питания постоянного тока соответственно.Подключения входного и выходного напряжения показаны как одиночные проводники, поскольку предполагается, что все напряжения сигналов относятся к общему подключению в цепи, называемому , земля . Часто (но не всегда!) Опорной точкой заземления является один полюс источника питания постоянного тока, положительный или отрицательный. Практическая схема усилителя (показывающая источник входного напряжения, сопротивление нагрузки и источник питания) может выглядеть так:

Функция цепи усилителя

Не анализируя фактическую конструкцию транзистора усилителя, вы можете легко понять функцию всей схемы: принимать входной сигнал ( _{В в} ), усиливать его и управлять сопротивлением нагрузки (R _{, нагрузка} ).Чтобы завершить приведенную выше схему, было бы хорошо указать коэффициенты усиления этого усилителя (A _V , A _I , A _P ) и точку Q (смещение) для любого необходимого математического анализа.

Если необходимо, чтобы усилитель мог выдавать истинное напряжение переменного тока (с изменением полярности) на нагрузку, можно использовать раздельный источник питания постоянного тока, при котором точка заземления электрически «центрируется» между + V и -V. Иногда конфигурация раздельного источника питания упоминается как двойной источник питания .

На усилитель по-прежнему подается общее напряжение 30 В, но с разделенным напряжением питания постоянного тока выходное напряжение на нагрузочном резисторе теперь может колебаться от теоретического максимума +15 вольт до -15 вольт вместо +30 вольт. до 0 вольт. Это простой способ получить от усилителя истинный переменный ток (AC), не прибегая к емкостной или индуктивной (трансформаторной) связи на выходе. Размах амплитуды выходного сигнала этого усилителя между отсечкой и насыщением остается неизменным.

Дифференциальный усилитель

Обозначая транзисторный усилитель в более крупной схеме символом треугольника, мы упрощаем задачу изучения и анализа более сложных усилителей и схем. Один из этих более сложных типов усилителей, которые мы будем изучать, называется дифференциальным усилителем . В отличие от обычных усилителей, которые усиливают одиночный входной сигнал (часто называемые несимметричными усилителями ), дифференциальные усилители усиливают разность напряжений между двумя входными сигналами.Используя упрощенный треугольный символ усилителя, дифференциальный усилитель выглядит так:

Два входных провода можно увидеть слева от треугольного символа усилителя, выходной провод справа, а выводы питания + V и -V сверху и снизу. Как и в другом примере, все напряжения относятся к точке заземления цепи. Обратите внимание, что один входной вывод отмечен знаком (-), а другой — знаком (+). Поскольку дифференциальный усилитель усиливает разницу в напряжении между двумя входами, каждый вход влияет на выходное напряжение противоположным образом.Рассмотрим следующую таблицу входных / выходных напряжений для дифференциального усилителя с коэффициентом усиления 4:

Увеличивающееся положительное напряжение на (+) входе имеет тенденцию повышать положительное выходное напряжение, а все более положительное напряжение на (-) входе имеет тенденцию приводить к более отрицательному выходному напряжению. Аналогично, все более отрицательное напряжение на (+) входе имеет тенденцию приводить к отрицательному выходу, а все более отрицательное напряжение на (-) входе делает прямо противоположное.Из-за этой связи между входами и полярностями вход (-) обычно называют входом , инвертирующим, , а (+) входом неинвертирующего . Может быть полезно представить себе дифференциальный усилитель как источник переменного напряжения, управляемый чувствительным вольтметром, как таковой:

Имейте в виду, что приведенная выше иллюстрация представляет собой только модель , чтобы помочь понять поведение дифференциального усилителя. Это нереалистичная схема его реального дизайна.Символ «G» представляет собой гальванометр, чувствительный механизм вольтметра. Потенциометр, подключенный между + V и -V, обеспечивает переменное напряжение на выходном контакте (по отношению к одной стороне источника питания постоянного тока), это переменное напряжение, устанавливаемое показаниями гальванометра. Следует понимать, что любая нагрузка, питаемая от выхода дифференциального усилителя, получает ток от источника постоянного тока (батареи), а не от входного сигнала. Входной сигнал (на гальванометр) просто управляет выходом.Эта концепция может сначала сбить с толку студентов, плохо знакомых с усилителями. Со всеми этими полярностями и маркировками полярности (- и +) легко запутаться и не знать, какой будет выход дифференциального усилителя. Чтобы устранить эту потенциальную путаницу, запомните простое правило:

Соотношение полярности входа и выхода

Когда полярность дифференциального напряжения совпадает с маркировкой для инвертирующих и неинвертирующих входов, выход будет положительным.Когда полярность дифференциального напряжения не соответствует маркировке входа, выход будет отрицательным. Это имеет некоторое сходство с математическим знаком, отображаемым цифровыми вольтметрами в зависимости от полярности входного напряжения. Красный измерительный провод вольтметра (часто называемый «положительным» проводом из-за популярной ассоциации красного цвета с положительной стороной источника питания в электронной проводке) более положительный, чем черный, измеритель будет отображать положительное значение напряжения, и наоборот:

Подобно тому, как вольтметр будет отображать только напряжение между двумя измерительными проводами , идеальный дифференциальный усилитель усиливает только разность потенциалов между двумя входными соединениями, а не напряжение между любым из этих соединений и землей.Выходная полярность дифференциального усилителя, как и показание со знаком цифрового вольтметра, зависит от относительной полярности дифференциального напряжения между двумя входными соединениями.

Применение дифференциального усилителя

Если входные напряжения этого усилителя представляют собой математические величины (как в случае аналоговой компьютерной схемы) или измерения физических процессов (как в случае аналоговой электронной измерительной схемы), вы можете увидеть, как такое устройство, как дифференциальный усилитель, может быть очень полезным.Мы могли бы использовать его для сравнения двух величин, чтобы увидеть, какая из них больше (по полярности выходного напряжения), или, возможно, мы могли бы сравнить разницу между двумя величинами (например, уровень жидкости в двух резервуарах) и отметить тревогу (на основе от абсолютного значения выхода усилителя), если разница стала слишком большой. В базовой схеме автоматического управления контролируемая величина (называемая переменной процесса ) сравнивается с целевым значением (называемым уставкой ), и решения о том, как действовать, принимаются на основе несоответствия между этими двумя значениями.Первым шагом в электронном управлении такой схемой является усиление разницы между переменной процесса и уставкой с помощью дифференциального усилителя. В простых конструкциях регуляторов выход этого дифференциального усилителя можно напрямую использовать для управления конечным элементом управления (например, клапаном) и поддерживать процесс, достаточно близкий к заданному значению.

ОБЗОР:

• «Сокращенным» обозначением электронного усилителя является треугольник, широкий конец которого означает входную сторону, а узкий конец означает выход.Линии электропитания для простоты на чертеже часто опускаются.
• Чтобы обеспечить истинный выход переменного тока из усилителя, мы можем использовать так называемый разделенный источник питания или двойной источник питания , с двумя источниками постоянного напряжения, подключенными последовательно с заземленной средней точкой, что дает положительное напряжение на землю (+ V ) и отрицательное напряжение относительно земли (-V). Подобные раздельные источники питания часто используются в схемах дифференциальных усилителей.
• Большинство усилителей имеют один вход и один выход. Дифференциальные усилители имеют два входа и один выход, причем выходной сигнал пропорционален разнице сигналов между двумя входами.
• Выходное напряжение дифференциального усилителя определяется следующим уравнением: V _out = A _V (V _noninv — V _inv )

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

Общие рабочие каскады усилителя и внутренние схемы IC 741

Общие положения Рабочие каскады усилителя и внутренние схемы IC 741

An Операционный усилитель обычно состоит из трех каскадов, а именно

1. А дифференциальный усилитель

2. Дополнительный каскады усилителя для обеспечения необходимого усиления по напряжению и сдвига уровня постоянного тока.

3. An выходной каскад эмиттер-повторителя или истокового повторителя для обеспечения усиления по току и низкое выходное сопротивление.

А низкочастотное усиление или усиление по постоянному току около 104 желательно для общего назначения операционный усилитель и, следовательно, использование активной нагрузки предпочтительнее во внутренней схеме. операционного усилителя.

выходное напряжение должно быть на земле, когда дифференциальный вход напряжения равны нулю, что требует использования источника питания двойной полярности. Напряжение. Поскольку выходное сопротивление операционного усилителя должно быть низким, дополнительный двухтактный эмиттер — выходной каскад ведомого или истокового ведомого заняты. Более того, поскольку входные токи смещения должны быть очень малы порядка пикоампер, входной каскад на полевых транзисторах обычно является предпочтительным.