Волзький університет ім. У. М. Татіщева
Кафедра «Інформатика і системи управління»
>Реферат на задану тему: «>УСИЛИТЕЛИПОСТОЯННОГО СТРУМУ»
з дисципліни «Електроніка»
спеціальність 220100
«Обчислювальні машини системи, комплекси і мережі»
Тольятті 2002
Тольятті 2002
>ОГЛАВЛЕНИЕ
ЗАПРОВАДЖЕННЯ. 3
1. ДРЕЙФНУЛЯУСИЛИТЕЛЯ.. 4
2.ОДНОТАКТНЫЕУСИЛИТЕЛИ ПРЯМОГОУСИЛЕНИЯ.. 5
3.УСИЛИТЕЛИ ЗПРЕОБРАЗОВАНИЕМ.. 8
4.ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕУСИЛИТЕЛИ.. 12
5. СХЕМИВКЛЮЧЕНИЯДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГОУСИЛИТЕЛЯ.. 15
6.КОЭФФИЦИЕНТОСЛАБЛЕНИЯСИНФАЗНОГОСИГНАЛА.. 18
7.РАЗНОВИДНОСТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХУСИЛИТЕЛЕЙ.. 20
8.ТОЧНОСТНЫЕПАРАМЕТРЫ.. 23
9. Література.. 26
ЗАПРОВАДЖЕННЯ
>Усилителями постійного струму (>УПТ) називаються устрою, призначені посилення повільно змінюються сигналів до нульової частоти. На рис. 1 приведеноАЧХ для підсилювача постійного струму. Відмінною рисоюУПТ є розділювальних елементів, виділені на відділення підсилюючих каскадів друг від друга, і навіть джерела сигналу і навантаження по постійному току.
Отже, реалізації передачі сигналів частот, близьких нанівець, вУПТ використовується безпосередня (гальваніческая) зв'язок. Безпосередній зв'язок можна використовувати і у звичних підсилювачах змінного струму з метою зменшення числа елементів, простоти реалізації в інтегральномуисполнении, стабільності усунення тощо. буд. Але така зв'язок вносить вусилитель ряд специфічних особливостей, затрудняющих як він виконання, іексплуатацию. Добре передаючи повільні зміни сигналу, безпосередній зв'язок утрудняє установку потрібного режиму спокою кожному за каскаду і обумовлює нестабільність його роботи.
Під час розробкиУПТ доводиться вирішувати дві проблеми: узгодження потенційних рівнів у сусідніх каскадах і зменшення дрейфу (нестабільності) вихідного рівня напруги чи струму.
1. ДРЕЙФНУЛЯУСИЛИТЕЛЯ
Застосування підсилюючих каскадів вУПТ обмежуєтьсядрей хом нуля.Дрейфом нуля (нульового рівня) називаєтьсясамопроиз вільне відхилення напруги чи струму не вдома підсилювача від початкового значення. Цей ефект простежується за відсутності сигналу на вході. Оскільки дрейф нуля проявляється в такий спосіб, начебто він викликаний вхідним сигналомУПТ, його неможливо від істинного сигналу. Існує досить багато фізичних причин,обусловливающих наявність дрейфу нуля вУПТ. До них належатьнестабильности джерел харчування, температурна і тимчасованестабильности параметрів транзисторів і резисторів, низькочастотні шуми, перешкоди і наведення. Серед перелічених причиннаибольшую нестабільність вносять зміни температури, викликають дрейф. Цей дрейф обумовлений ж причинами, як і не стабільність струму колектора підсилювача як спокою змінами I>кбо, U>бе0 і B. Оскільки температурні зміни цих параметрів мають закономірний характер, то певної міри може бути компенсовані. Так, зменшення абсолютного дрейфу нуляУПТ необхідноуменьшать коефіцієнт нестабільності P.Sнс.
Абсолютним дрейфом нуля , називається максимальне мимовільна відхилення вихідного напругиУПТ при замкнутому вході за певний проміжок часу. ЯкістьУПТ зазвичай оцінюють за напругою дрейфу нуля, наведеноного до входу підсилювача: еін=. Наведений до входу підсилювача дрейф нуля залежить від коефіцієнта посилення за напругою і. еквівалентний брехливому вхідному сигналу. Величина еін обмежує мінімальний вхідний сигнал, т. е. визначає чутливість підсилювача.
У підсилювачах змінного струму, природно, теж має місце дрейф нуля, але бо їх каскади від'єднані одне від друга розділовими елементами (наприклад, конденсаторами), цей низькочастотний дрейф не передається з попереднього каскаду в наступний і посилюється їм. Тож у таких підсилювачах (розглянутих попередніх розділах) дрейф нуля мінімальний та її звичайно враховують. УУПТ зменшення дрейфу нуля, передусім, слід турбуватися про його зниженні у першому каскаді. Наведений до входу підсилювача температурний дрейфснижается при зменшенні номіналів резисторів, включених у ланцюги бази йемиттера. УУПТ резистор RЕге великого номіналу може створити глибокуООС по постійному току, що підвищить стабільність і водночас зменшить KU для робочих сигналів постійного струму. Оскільки тут KU пропорційний P.Sнс, то величина еін виявляється незалежної від P.Sнс. Мінімального значення еін можна досягнути з допомогою зниження величин Rе, Rб і R>r. У цьому для кремнієвихУПТ можна отримати роботуКремниевиеУПТ більш придатні до роботи на підвищених температурах.
Слід сказати, роботаУПТ то, можливоудовлетворительной лише за перевищенні мінімальним вхіднимсигна брухт величиниСдр. Тому основним завданням можна вважати всемірне зниження дрейфу нуля підсилювача.
З метою зниження дрейфу нуля вУПТ може бутииспользовани такі способи: застосування глибокихООС, використаннятермокомпенсирующих елементів, перетворення постійного струму в перемінний й пожвавлення змінного струму з наступним випрямленням, побудова підсилювача побалансной схему, і ін.
2.ОДНОТАКТНЫЕУСИЛИТЕЛИ ПРЯМОГОУСИЛЕНИЯ
>ОднотактниеУПТ прямого посилення в суті своїй є звичайнимимногокаскадними підсилювачами з безпосередньою зв'язком. У цьому підсилювачірезистори Rе1 і Rе2 як створюють місцеву послідовникнуюООС по току, а й забезпечують необхідне напруження як у своїх каскадах. Умногокаскадном підсилювачі спостерігається послідовне підвищення потенціалу наемиттере транзистора кожного
наступного каскаду.Необходимость підвищення потенціалівемиттера від каскаду до каскаду зумовлена тим, за рахунок безпосередній зв'язок потенціал колектора в кожного наступного транзистора буде вищою, ніж в попереднього.
Забезпечити необхідний режим спокою в каскадах аналізованого підсилювача можна й з допомогою послідовного зменшення номіналівколлекторних резисторів від каскаду до каскаду (R>к1 > R>к2). Але цього разі, як й у розглянутий вище, падатиме посиленняУПТ.
Під час розробкиУПТ доцільним є вибіремиттерних резисторів по заданим значенням коефіцієнтів посилення і P.Sнс, а робочі напруги можна забезпечити шляхом додаткових заходів. На рис. 2 наведено принципові схеми двох варіантів каскадівУПТ, у одному з яких (а) потенціалемиттера встановлюється з допомогоюбалластного опору R>o у другому (б) — шляхом застосування опорного діода D. Зазначимо, що замість опорного діода можна включити кілька звичайнихпрямосмещеннихр-п переходів. Часто використовуються поєднання обох варіантів схем, наведених на рис. 2.
Під час розробкиУПТ необхідно забезпечувати узгодження потенціалів як між каскадами, але й джерелом сигналу і навантаженням. Якщо джерело сигналу включити на вході підсилювача між базою першого транзистора і загальної шиною, то нього буде протікати стала складова струму джерела харчування EK. Для усунення цього струму зазвичай мають генератор вхідного сигналу між базою транзистораТ1 і середній точкою спеціального дільника напруги, освіченогорезисторами R1 і R2. На рис. 3 приведено принципова схема аналізованого вхідного каскадуУПТ прямогоусиления. При правильно обраномуделителе потенціал його середньої точки як спокою дорівнює потенціалу спокою з урахуванням першого транзистора.
Навантаження підсилювача звичайно вводяться в діагональ мосту, освіченого елементами вихідний, ланцюгаУПТ. На рис. 4 приведено принципова схема такого вихідного каскадуУПТ.Рассматриваемий тут спосіб включення навантаження використовується щоб одержати Uзв=0 при Є>r=0.Номинали резисторів R3 і R4 вибираються в такий спосіб, щоб напруга середньої точки дільника дорівнювало напрузі на колекторі вихідного транзистора як спокою. Причому у навантаженні для режиму спокою нічого очікувати протікати струму. У кожному каскадіУПТ прямого посилення з допомогою резисторів у подальшому ланцюгуемиттера утворюється глибокаООС. Тож визначення вхідного опору Ku>oc каскаду ОЕ тут можна скористатися формулами і KuОС = - Rкн/Rе відповідно. Зазвичай максимальне посилення властиво першому каскаду, яка має Rдо має найбільше значення. Проте й наступному каскадіУПТ, де Rдо менше, однак його номінал може бути більше номіналу Rе. УмногокаскаднихУПТ прямого посилення може статися часткову компенсацію дрейфу нуля. Так, позитивне прирощення струму колектора, першого транзистора викликає негативне прирощення струму бази й, отже, струму колектора другого транзистора. Через війну сумарний дрейф нуля другого каскаду може бути менше, ніж у відсутність першого каскаду в ідеальному разі і зведений нанівець. Зауважимо, що - повна компенсація дрейфу нуля можлива лише за спеціальному доборі елементів і лише деякою конкретної температури. Хоча практиці цю майже недостижимо, тим щонайменше вУПТ зчетним числом підсилюючих каскадів спостерігається зниження дрейфу нуля.
Спосіб побудовиУПТ з урахуванням безпосередній зв'язок в підсилюючих каскадах з великимООС можна використовувати щоб одержати порівняно невеликого коефіцієнта посилення (кілька десятків) за досить великому . Якщо такихУПТ спробувати підвищити Доu, то неминуче одержимо різке зростання дрейфу нуля, викликаного як температурної нестабільністю, а й нестабільністю джерел харчування. Зазначимо, що "застосування традиційних методів зменшення впливунестабильностей Єдо з допомогою фільтруючих конденсаторів не дає бажаного результату (занадто низькі частоти). Для зниження температурного дрейфу вУПТ прямого посилення іноді застосовують температурну компенсацію. Нині яктермокомпенсирующего елемента зазвичай використовується діод у прямому змішанні, включений у ланцюг бази транзистора. Принцип побудови таких пристроїв практично однаковий для підсилювачів постійного і перемінного струму. Усі розглянуті вищеУПТ мають великий температурний дрейф (eін становить одиниці мілівольт на один градус). З іншого боку, у яких відсутня зрима компенсація тимчасового дрейфу і сфери впливу низькочастотних шумів. Ці чинники може стати навіть більше суттєвими, ніж температурний дрейф нуля. Відзначені недоліки підсилювачів прямого посилення значною мірою долаються вУПТ з перетворенням (модуляцією) сигналу.
3.УСИЛИТЕЛИ ЗПРЕОБРАЗОВАНИЕМ
При посиленні малих сигналів постійного струму чи напруги часто застосовують підсилювачі з перетворенням постійного струму в перемінний. ТакіУПТ мають малий дрейф нуля, великий коефіцієнт посилення на низьких частотах і потребують підстроюванню нульового рівня. На рис. 5 приведено структурна схема підсилювача з перетворенням постійного струму в перемінний. І на цій схемою використані такі позначення:М—модулятор.Ус—усилитель змінного струму,ДМ—демодулятор. ТакийУПТ часто називають підсилювачем з модуляцією ідемодуляцией (МДМ).
УУПТ з МДМ вхідний сигнал постійної напруги U>вх (чи струму) спочатку перетворюється на пропорційний йому сигнал змінного напруженості із допомогою модулятора М, потім посилюється звичайним підсилювачем Ус, та бувДемодулятором ДМ перетворюється на сигнал постійної напруги. Бо у підсилювачах змінного струму (наприклад, зRC-связью) дрейф не передається від каскаду до каскаду, то МДМ підсилювачах реалізується мінімальний дрейф нуля. Роботурассматриваемого підсилювача зручнопроиллюстрировать з допомогою тимчасових діаграм напряжений (чи струмів) в основних точках схеми рис. 5, які на рис. 6. Перетворення постійного U>вх в змінне здійснюється із частотою сигналу управління (модуляції) U>упр, зазвичай має вид меандру. Для успішної роботиУПТ з МДМ необхідно, щоб частота сигналууправления була, принаймні, значно вище максимальної частоти вхідного сигналу.
З різноманіття можливих варіантів побудовимодуляторних пристроїв найбільшого поширення отримали транзисторні модулятори (>прериватели чималотоковие перемикачі). Розглянемо роботупростейшего транзисторного модулятора,принципиальная схема якого приведено на рис. 7.
>Рис. 7
Тут постійне вхідний напруга U>вх докладено міжемиттером і колекторомn-p-n транзистора, що за допомогою трансформатораТр управляється сигналом U>упр.Транзистор працює як ключ, т. е. вона має дві робочі стану: відкритий (режим насичення) і закритий (режим відсічення). Якщо режимі відсічення опір транзистора велике, то режимі насичення воно близько нанівець. Через війну струм через транзистор буде перериватися із частотою сигналу управління. Цей струм і є вхідним сигналом для підсилювача змінного струму Ус. Зв'язок пристроїв М і Ус зазвичай здійснюється через розділовий конденсатор. Схема на рис. 7 привертає увагу тим, що представлений транзистор в інверсному включенні. Справді, в транзисторнихмодуляторах поширився інверсне включення транзистора. Річ у тім, що дрейф нуля вУПТ з МДМ переважно визначається дрейфом модулятора, який зумовлено нестабільністю залишкових параметрів транзистора (струму і напруження). Відомо, що транзистор в інверсному включень має істотно менші залишкові параметри, ніж у прямому включенні. Це перевагу інверсного включення транзистора особливо яскраво проявляється у значенні залишкового напруги. Нагадаємо, що залишковий струмпланарного транзистора надзвичайно малий, і для прямого включення (десяті чи соті часткинаноампер), тому використання інверсного включення можна буде саме з зменшення залишкового напруги.
З допомогою формулЭберса-Молла можна отримати роботу розрахункові відносини для залишкового напруги прямого Uост і інверсного UостI включення транзистора при токах колектора, близьких нанівець:
З (1) слід, що UостI < Uост, оскільки , т. е. при малих токах колектора інверсне включення транзистора більше від використання вмодуляторах. Сучасні транзистори при і оптимальному струмі бази мають .
Для якіснихУПТ цю величину який завжди вважатимуться задовільною.Меньшего залишкового напруги можна досягнути з допомогою компенсованого модулятора (ключа) двомаинверсно включених транзисторах, принципова схема якого приведено на рис. 8. Тут транзистори включені зустрічно, і тому їх залишкові параметрів має компенсувати одне одного. Так, для залишкового напруги аналізованого модулятора U>остК можна записати:
U>остК = U>ост1 - U>ост2 (2)
де U>ост1 , U>ост2 залишкові напруги транзисторівТ1 іТ2 відповідно. З (2) слід, що зниження U>остК , отже, і дрейфу всьогоУПТ можна досягнути завдяки тому, що U>ост1 ≈ U>ост2. Мінімальний розкид параметрів транзисторів можна отримати роботу за її виготовленні в одній підкладці на єдиній технологічному циклі. Такімодуляторние транзистори, є найпростішими ІВ, й одержали основне використання у сучаснихУПТ з МДМ (наприклад, ІВК101КТ1).Остаточное напруження як у них звичайно перевищує стамкВ.
>Рис.8
З погляду сучасних вимог до електронних пристроям рассмотренние модулятори мають недолік, котра перебувала присутності електромагнітних трансформаторів, які дуже важко виготовити як ІВ. Зазначимо, іноді трансформатори вмодуляторах вдається замінитиоптронами.
Працюючи з джерелами вхідного сигналу із малими U>вх великими внутрішніми опорами Rр кращі результати виходять, коли модуля тор виконується на польових транзисторах. Річ у тім, що з струмі стоку, рівному нулю, вони теж мають нульовий залишкове напруга (чого немає у біполярних транзисторах). Це пов'язано з тим, що провідність ланцюга між стоком і джерелом має, зазвичай,резистивний характер (опір каналу). З іншого боку, велике R>вх дозволяє вживати управляючі сигнали малої потужності. Проте якщо з зростанням U>вх і зменшенням Rр переваги таких модуляторів зникають.
Якдемодулятора ДМ можна використовувати різні електронніУстройства.Простейшимдемодулятором є звичайнийдвухполупериодний чи бруківці ректифікатор з фільтром не вдома. Більше досконалим можна вважатидемодулятор, виконаний якфазочувствительний ректифікатор.
На рис. 9 приведено принципова схема однієї з варіантівдемодулятора —фазочувствительного випрямляча. Вона зручна тим, що її основу становить вже використаниймодуляторемодуляторний транзистор, що з двох транзисторних структури інверсному включенні.
>Рис. 9
На вхіддемодулятора надходить змінне напруга U2 з підсилювача. У базові ланцюга транзисторів у вигляді трансформатора надходить загальний управляючий сигнал U>упр.Транзистори тут лише заположительних потенціалах баз, що відбувається саме у момент надходження на вхід інформаційного сигналу, посиленого з допомогою підсилювача Ус. Такий модулятор успішно функціонує широтою діапазону робочих сигналів. Ємність Зф виконує функціїсглаживающего фільтра. Досягти істотного поліпшення електричних, експлуатаційних імассогабаритних показниківУПТ можна у цих колегіях побудови побалансним схемами.
4.ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕУСИЛИТЕЛИ
Нині найбільшого поширення отрималидифференциальние (>параллельно-балансние чиразностние) підсилювачі. Такі підсилювачі просто реалізуються як монолітних ІС та широко випускаються вітчизняної промисловістю:К118УД,КР198УТ1 та інших. Їх відрізняє висока стабільність роботи, малий дрейф нуля, великий коефіцієнт посилення диференціального сигналу і великий коефіцієнт придушеннясинфазних перешкод.
На рис. 10 приведено принципова схема найпростішого варіанта диференціального підсилювача (>ДУ). Будь-якийДУвиполняется за принципом збалансованого мосту, два плеча якого утворенірезисторами R>к1 і R>к1 , а через два інших — транзисторамиТ1 іТ2. Опір навантаження включається між колекторами транзисторів, т. е. в діагональ мосту. Відразу відзначимо, щорезисториR01 і R02 мають невеликі величини, а вони часто й взагалі відсутні. Можна вважати, що резистор RЕге підключено доемиттерам транзисторів. Привертає на увагу те обставина, що харчуванняДУ здійснюється від двох джерел, напруги яких рівні (по модулю) одна одній. Отже, сумарне напруга харчуванняДУ одно2Е.
>Рис. 10
Використання другого джерела (—Є) дозволяє знизити потенціалиемиттеровТ1 іТ2 до потенціалу загальної шини. Ця обставина дає можливість подавати сигнали на входиДУ без запровадження додаткових компенсуючих напруг (що потрібно, наприклад, для підсилювача на рис. 3). При аналізі роботиДУ прийнято виділяти у ньому два загальних плеча, одна з яких тільки з транзистораТ1 і резистора R>к1 (і R01), друге —з транзистораТ2 і резистора R>к2(і R02). Кожне загальне плечеДУ є каскадом ОЕ. Отже, можна зрозуміти, щоДУ і двох каскадів ОЕ. У загальну ланцюгемиттеров транзисторів включений резистор RЕге, яким і замислюється над їхній загальний струм. ЩобДУ міг якісно, і надійно виконувати своїх функцій, соціальній та процесі тривалої роботи зберегти свої параметри і унікальні властивості, у реальних підсилювачах потрібно виконати дві основні вимоги. Розглянемо ці вимоги послідовно.
Першу вимогу полягає у симетрії обох плечейДУ. У ньому необхідно забезпечити ідентичність параметрів каскадів ОЕ, їхнім виокремленнямДУ. У цьому повинні бути однаковими параметри транзисторівТ1 іТ2, і навіть R>к1 = R>к2 (і R01 = R02). Якщо перша вимога виконано повністю, то більше нічого й непотрібен щоб одержати ідеальногоДУ. Справді, при U>вх1 = U>вх2 = 0 досягається повний баланс мосту, т. е. потенціали колекторів транзисторівТ1 іТ2 однакові, отже, напруга на навантаженні одно нулю. При однаковому дрейфі нуля в обох каскадах, ОЕ (плечахДУ) потенціали колекторів будуть змінюватися завжди однаково, на виходіДУ дрейф нуля становитиме відсутствовать. за рахунок симетрії загальних плечейДУ будеобеспечиваться висока стабільність за зміни напруги харчування, температури, радіаційного впливу тощо. Усе це абсолютно вірно, але виникає запитання: «Як забезпечити симетрію загальних плечей вДУ?» На погляд може бути, що нічого вирішити це досить просто. Справді, можна підібрати пари транзисторів і резисторів з дуже близькими параметрами.. Якщо зібратиДУ на таких дискретних елементах, він може бути продемонструєте бажаного результату, але у відносно невеликий проміжок часу. З часом параметритранзисто рів і резисторів будуть змінюватися по-різному всоответствии на закони свого власного структури, природно, що у них по-різному впливатимуть і його зовнішні чинники, отже, порушиться симетрія плечей з усімавитекающими звідси наслідками. У кінцевому підсумку можна заключить, що у дискретних елементах (виготовлені час в різних умовах) здійснити виконання першого вимоги доДУ практично неможливо. І це зумовили те що, що прекрасні властивостіДУ не знайшли належного використання їх у дискретної електроніці. Наблизитися до виконання першого основного вимоги доДУ дозволила мікроелектроніка. Зрозуміло, що симетрію загальних плечейДУ можуть, забезпечивши лише ідентичні елементи де всі однаково хто був виготовлені вабсолютно однакових умов. Так було в монолітною ІВ близько розташовані елементи справді майже однакові параметри. Отже, в монолітних ІВ перша вимога доДУ майже виконано. Це «майже» дозволяє реалізуватиДУ нехай ні з ідеальними, проте із гарними параметрами, але за неодмінній умові виконання другого основного вимоги доДУ.
Друге основна вимога полягає у забезпеченні глибокоїООС длясинфазного сигналу.Синфазними називаються однакові сигнали, т. е. сигнали, мають рівні амплітуди, форми і фази. Коли входахДУ (рис. 10) присутні U>вх1=U>вх2, причому з збігаються фазами, можна казати про вступі вхідДУсинфазного сигналу.Синфазние сигнали зазвичай обумовлені наявністю перешкод, наведень тощо. буд. Часто вони теж мають великі амплітуди (які перевищують корисний сигнал) і виявляють ся вкрай небажаними, шкідливими до роботи будь-якого підсилювача.
Виконати друге основна вимога дозволяє введення уДУ резистора RЕге , (або його електронного еквівалента). Коли вхідДУ надходить сигналсинфазной перешкоди, наприклад, позитивної полярності, то транзисториТ1 іТ2приотк порпаються і струми їхемиттеров зростуть. Через війну порезистору RЕге буде протікати сумарне прирощення цих струмів, проразующее у ньому сигналООС. Неважко показати, що RЕге утворює вДУ послідовнуООС по току. У цьому спостерігатиметься зменшення коефіцієнта посилення по напряжению длясинфазного сигналу каскадів ОЕ, їхнім виокремленням загальні плечіДУ, K>исф1 і До>исф2 . Оскільки коефіцієнт посиленняДУ длясинфазного сигналу До>исф = До>исф1 - До>исф2 і завдяки виконання першого основного вимоги До>исф1 До>исф2 вдасться одержати дуже мале значення До>исф, т. е. значно придушитисинфазную перешкоду.
Позаяк у монолітномуДУ із достатньою наближенням можна виконати обидва основних вимоги, вдається як придушитисинфазную зовнішню перешкоду, а й знизити вплив внутрішні чинники, які виявляються через змінипарамет рів елементів схеми. Звісно, параметри складових каскадов будуть змінюватися, але з дуже близьким залежностям, вплив яких додатково послаблюватися наявністюООС.
Тепер на роботуДУ для основного робочоговходно го сигналу — диференціального.Дифференциальними (>противофазними) прийнято називати сигнали, мають рівніамплитуди, але протилежні фази. Вважатимемо, що вхідний напруга подано між входамиДУ, т. е. за кожен вхід надходить половинаамплитудного значення вхідного сигналу, причому у протилежних фазах. Якщо U>вх1 у розглянутий момент представляється позитивноїполуволной, то U>вх2 — негативною.
за рахунок дії U>вх1 транзисторТ1 відкривається, і струм йогоемиттера отримує позитивне прирощення I>Э1, а й за рахунок дії U>вх2 транзисторТ2 закривається, і струм йогоемиттера отримує негативне прирощення, тобто. — I>Э2. У результате прирощення струму у подальшому ланцюгу резистора RЕге ∆IRЕге = ∆I>Э1 - ∆I>Э1. Якщо загальні плечіДУ ідеально симетричні, то IRЕге = 0 і, отже,ООС для диференціального сигналу відсутня. Ця обставина дає змогу отримувати від кожної каскаду ОЕ в аналізованому підсилювачі, отже, і південь від всьогоДУ неабияке посилення. Звідси є і назва підсилювача — диференціальний. Оскільки для диференціального вхідного сигналу будь-якої миті напруги на колекторахтранзисто рівТ1 іТ2 перебуватимуть в протифазі, то, на навантаженні відбувається виділення подвоєного вихідного сигналу. Отже, резистор RЕге, утворюєООС лишесинфазного сигналу.
Бо у реальнихДУ ідеальну симетрію плечейосущест вити не можна, то RЕге усе ж й у диференціального сигналу створюватиООС, але незначною глибини, причому, чим краще симетрія плечей, тим меншеООС. Невеличку послідовнуООС по току задають в каскадахДУ з по міццю резисторів R01 і R02. Як уже відзначалося вище, цірезистори мають невеликі номінали (ділянкиполупроводниковой підкладки), тому створювана нимиООС невелика й суттєво впливає на підсилювальні властивостіДУ.
Отже, і під час вДУ двох основнихтребований він забезпечує стабільну роботи з малим дрейфом нуля, із гарним посиленням диференціального сигналу і ззначительним придушеннямсинфазной перешкоди. Залежно від цього, як підключені вДУ джерело вхідного сигналу й відвертий спротив навантаження, слід розрізняти схеми його включення.
5. СХЕМИВКЛЮЧЕНИЯДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГОУСИЛИТЕЛЯ
Можна виділити чотири схеми включенняДУ: симетричний вхід і вихід, симетричний вхід і несиметричний вихід, несиметричний вхід і симетричний вихід, несиметричний вхід і вихід. Розглянемо їх послідовно при вплив робочого вхідного сигналу.
При симетричному вході джерело вхідного сигналуподключается між входамиДУ (між базами транзисторівТ1 іТ2). При симетричному виході опір навантаження підключається між виходамиДУ (між колекторами транзисторівТ1 іТ2). Таке включенняДУ і це розглянуто у минулому розділі. Тепер зупинимося на визначенні параметрів цимметричного включенняДУ.
>Рис. 12Рис. 11
Проаналізуємо роботу одного плеча, т. е. одного каскаду ОЕ, входить уДУ. І тому уявімо плечеДУ як, зображеному на рис. 11. Тут відсутня резистор RЕге, оскільки, не бере участь у роботи диференціальному сигналі. Для вхідного опору плечаДУ R>вхпл, можна записати:
(3)
Тут опущені індекси для номерів резисторів, оскільки плечіДУ практично симетричні.СлагаемоеR0 вноситься з допомогою послідовноїООС. При R0=0 рівняння (3) нашого випадку можна спростити до наступного виду:
Меншу похибка при розрахунку формула (4)обеспечивает дляДУ, працюючого на малих токах. Бо за симетричному вході джерело вхідного сигналу включається між входамиДУ, те спільне вхідний опірДУ дорівнюватиме .
Для аналізованого включенняДУ коефіцієнт посилення її плеча можна подати як , тобто. коефіцієнт посилення за напругою всьогоДУ дорівнює K>ипл. У нашому випадку для K>ипл можна переписати (4) на кілька зміненому вигляді:
Тут враховано, що виходу одного плеча підключається лише половина RH. Справді, середня точка резистора RH для аналізованого режимуДУ завжди матиме нульової потенціал (потенціал загальної шини).
Якщо RH <(RH/2), R>вх пл >R>r і велике, то (5) можна переписати наступного наближеному вигляді:
Доі>диф = RK/>rе (6)
З огляду на викладене вище, коефіцієнт посиленняДУ по току можна як (6), замінивши RМ на RМ /2. Неважко показати, що вихідний опірДУ для аналізованої схеми його включення одно подвоєною величині вихідного опору плеча R>вих пл , яке каскаду ОЕ вважатимуться рівним RДо.
Тепер зупинимося на схемою включенняДУ з симетричним входом і несиметричним виходом. І тут джерело вхідного сигналу підключається між входамиДУ;сопротивление навантаження підключається одним кінцем доколлектору однієї з транзисторів, адругим—к загальної шині. Причому у кіллекторной ланцюга другого транзистора може відсутні резистор RK. Оскільки спосіб подачі вхідного сигналу тут збігаються з раніше розглянутим випадком, то вхіднийсопротивление теж можна визначити з допомогою (3) чи (4). Проте вихідний сигнал знімається лише з однієї виходуДУ, отже, вихідний опірДУ – R>вихпл = RK. З тієї ж причини До>идиф перебувають у 2 рази менше, аніж за симетричному виході.
Цікава схема включенняДУ з несиметричним входом і симетричним виходом. Для зручності сприйняття специфіки цього включенняДУ на рис. 12 приведено його принципова схема. Тут Rпро=0, а вхідний сигнал подається на базутранзистораТ1.Плечо, освічене транзисторомТ1, є каскадом ОЕ зООС,образуемойрезистором Rе, До>ипл йому то, можливо розраховане за такою формулою (5), а R>вихпл - формулі (3), де R0 слід замінити на Rе. Це плечаДУ є й світло вихід земиттера, де коефіцієнт посилення за напругою дляемиттерного виходу До>ик < До>ипл. Земиттерного виходу плечаДУ зніматиметьсянеинвертированний сигнал з До>ик , що можна явити у наступному вигляді:
де — вхідний опір каскаду ПРО, що є плечемДУ, освіченим транзисторомТ2. Дляемиттерного виходу першого плеча є опором навантаження. Формула (7) справедлива при Rе > R>вхб. Для каскаду ПРО, освіченого транзисторомТ2, коефіцієнт посилення за напругою
Формула (8) записана для умови R>вхб > R>вихк, де R>вихк вихідний опір по ланцюгаемиттера каскаду на транзисторіТ1. З отриманням значення До>ипл для виходу з колектораТ2 слід перемножити (7) і (8). Після завершенняпреобразований неважко записати і цього плечаДУ формулу (5). Отже, як і раніше, що вхідний сигнал подається лише на вхідДУ, його посилюють обидва плеча, причому плече, на базу транзистора якого подано вхідний сигнал, інвертує, а інше плече не інвертує сигнал. У разі загальний K>идиф=2K>ипл.
При несиметричному вході і виході роботаДУ відбувається аналогічно попередньої схеми включенняДУ. Якщо вхідний сигнал подано на вхід тієї самої плеча, із виходу якого знімається вихідний сигналДУ, то цьому випадку дбає про посилення сигналу лише одне плече. Тут не вдома має місцеинвертированний сигнал з коефіцієнтом посилення До>ипл. Якщо вхідний сигнал подано на вхід одного плечаДУ, а вихідний сигнал звільняє з виходу іншого плеча, то, на виході має місценеинвертированний сигнал з тим самим До>ипл, що у першому випадку. Якщо знімати вихідний сигнал з одного заданого виходуДУ, то входам підсилювача можна привласнити назви «>инвертирующий» і «>неинвертирующий».
Викладене вище показує, що підсилювальні параметриДУ для робочого сигналу залежить від схеми його включення, яка вибирається залежно від конкретних технічних вимог.
6.КОЭФФИЦИЕНТОСЛАБЛЕНИЯСИНФАЗНОГОСИГНАЛА
Коефіцієнт ослаблення (придушення)синфазного сигналу (>KQOC) є основним параметромДУ, що характеризує якість його роботи. Щоб уявити цей параметр, передусім, необхідно визначити коефіцієнт посилення за напругоюДУ длясинфазного сигналу До>исф.
При впливсинфазного сигналу наДУ можнапредста вити, що його входи з'єднані друг з одним. Як аналізувалося розділ 3, у разі резистор RЕге, створюватиме послідовнуООС по току кожному за плечаДУ (каскаду ОЕ). Зазвичай цюООС намагається зробити глибокої. Коефіцієнт посилення плеча длясинфазного сигналу можна подати як До>иос каскаду ОЕ при глибокоїООС з допомогою формули До>иОС = - Rкн/Rе, тобто. на першому плеча K>исф1=R>к1/Rе, й у другого — K>исф2=R>к2/Rе. Нині можна записати для K>исф всьогоДУ:
З (9) варто основний висновок, доторий вразд. 3 було сформульовано як двох основних вимог доДУ. Справді, що краще симетрія плечейДУ, тим менше ∆RK. Оскільки ідеальна симетрія неможлива, то завжди При заданому ,умень шити K>исф можна рахунок збільшення глибиниООС, т. е. збільшення Rе. Зазвичай КООС подається як ставлення модулів До>идиф і Доізф, виражене вдецибелах, т. е.KOOC=201g (До>идиф / Доізф). Розгорнувши значення коефіцієнтівусиления з (6) і (9), можна записати (10):
де — коефіцієнт асиметріїДУ. Принеобходимости коефіцієнт асиметрії можна доповнити складовою частиною, котрі представляють розкид інших, параметрів елементів влаштуйства. Нагадаємо, що розкид номіналів резисторів в монолітних ІВ вбирається у 3%. УДУ завжди прагнуть зробити КООС якнайбільше. І тому слід збільшувати номінал RЕге. Проте є кілька серйозних причин, обмежують таку можливість, найголовніша у тому числі залежить від великих труднощі при реалізації резисторів значних номіналів в монолітних ІВ. Розв'язати цю проблему дозволяє використання електронного еквівалента резистора великого номіналу, яким є джерело стабільного струму. На рис. 13 приведено принципова схемаДУ зИСТ. ТутИСТ виконано на транзисторіТЗ.Резистори R1, R2 і R3, і навіть діод D служать для завдання й стабілізації режиму спокою транзистораТЗ.
>Рис. 13
Нагадаємо, що з реальних умовИСТ є еквівалент опору для мінливого сигналу (у разісинфазного) великого номіналу — до одиницьмегаом. З іншого боку, як спокоюИСТ є щодо невеличке опір (порядку одиницькилоом), через що й все пристрій споживатиме від джерел харчування відносно невелику потужність. Отже, використанняИСТ вДУ дозволяєреализовать підсилювач як економічною монолітною ІВ, має великий КООС. СучасніДУ може бути виконано за різними схемами, але у них завжди використовуєтьсяИСТ. Для такихДУ значення КООС зазвичай лежать у межах60...100дБ.
7.РАЗНОВИДНОСТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХУСИЛИТЕЛЕЙ
У багатьох практичних випадківДУ використовують як вхідний каскадмногокаскадних підсилюючих ІВ. Тому, за розробціДУ прагнуть реалізовувати ньому значне вхідний опір для диференціального сигналу. Однією з по-різномувидностей таких пристроїв єДУ на складовихтранзис торах, принципова схема якого приведено на рис. 14. ТутИСТ зображений символічно.
Зазначимо, що складовою транзистор дозволяє їм отримати великий коефіцієнт посилення по току. При рівність параметрів транзисторів в плечіДУ його R>вхпл то, можливо розраховане за такою формулою R>вх =2Rе, де замість R, слід підставити опіремиттерного переходу>rе, транзистораТЗ (чиТ4). Для отримання великих R>вхпл доцільно використовуватиДУ як малих струмів (вмикрорежиме), що спричинить зростанню >rе. З іншого боку, бажано застосовувати транзистори з високими значеннями. ДляДУ з більшими на вхідними опорами як транзисторівТ1 іТ2 доцільно використовуватисупербета транзистори. Наприклад,супербета транзистори використовують у вхідному каскаді операційного підсилювача серії140УД6.
Інший різновидомДУ з підвищеним вхіднимсопротивлением є підсилювач на польових транзисторах. На рис. 15 приведено принципова схема однієї з варіантівДУ наМДП-транзисторах. Тут використаніМДП-транзистори зи-каналом, що може бути і вбудованим, іиндуцированним.ПодложкиМДП-транзисторов може бути з'єднані відносини із своїми джерелами чи із загальною шиною.
>Рис.14
>Рис. 15
У означеномуДУМДП-транзисториТ1 іТ2 виконують свої основні підсилювальніфункции активних елементів, аТЗ іТ4 — функції резисторів. ТакийДУ іноді називають підсилювачем з динамічним навантаженням.
>Рис. 16
Коефіцієнт посилення по напряжению для диференціального сигналу визначається ставленням ширин каналівМДП-транзисторов рис. 16Т1 іТЗ (чиТ2 іТ4). Тихнологически цей показник зробити великим дуже важко, у реальних структурах Доідиф звичайно перевищує 10. І КООС такимДУ теж менше, ніж вДУ на біполярних транзисторах. Проте вхідні опору великі як диференціального, таксинфазного сигналів (понад десять10Ом). УДУ наМДП-транзисторах зазвичай R>вх пл визначається витіками структури. Для отриманняДУ з дуже великими вхідними опорами і із гарними іншими параметрами доцільно використовувати підсилювач рис. 14, у якому транзисториТ1 іТ2 єМДП-транзисторами.
У ІВ широкого розповсюдження набули заміни резисторів транзисторами, які, єпредпочтительними елементами для ІВ. Приклад такий заміни наведено з допомогою рис. 15. Проте чи лише МДП - транзистори, а й біполярні широко використовують у підсилюючих ІВ (зокрема, вДУ) замість резисторів RK, т. е. виконують у підсилювачах функцію динамічних навантажень.
На рис. 16 приведено принципова схема однієї з варіантівДУ з динамічним навантаженням. ЦейДУ виконано накомплементарних транзисторах: >п-р-п транзисторахТ1,Т2 і >р-п-р транзисторахТЗ іТ4.ТранзисториТ1 іТ2 виконують свої звичайні функції підсилюючих елементів, а транзисториТЗ іТ4 — навантажувальних елементів, т. е. резисторів.ТранзисторТЗ включений за схемою діода. Припустимо, що у базу у транзистораТ1 прикладена у розглянутий момент позитивнаполуволна U>вх1. У результаті ланцюга транзистораТЗ виникає прирощення струму I>к1 викликаного у бік, зазначеному стрілкою на рис. 16. У результаті струму виникає прирощення напруги між базою іемиттеромТЗ, що є збільшенням вхідного напруги для транзистораТ4. У такий спосіб ланцюгаемиттер—коллекторТ4 виникає прирощення струму, практично однакову I>к1, що уДУ плечі симетричні. Структуру, основою якої єтранзисториТЗ іТ4, прийнято називати відбивачем струму, читоковим дзеркалом.Отражатели струму знаходять широке використання у сучасних ІВ безперервногодействия.
Отже, у розглянутий момент на базу транзистораТ2 прикладена негативнаполуволна U>вх2. Отже, у ланцюги його колектора з'явилося негативне прирощення струму I>к2 викликаного у бік, зазначеному стрілкою на рис. 16. У цьому прирощення струму навантаження дляДУ одно I>к1 + ∆I>к2, т. е.ДУ з відбивачем струму забезпечує більше посилення диференціального сигналу. У разі Доі>диф =Rзв/(Rр + R>вх). Необхідно також відзначити, що з аналізованого варіантаДУ як спокою струм навантаження нульовий.
УмногокаскаднихУПТ RМ є вхідним опором наступного каскаду, величина якого, як було зазначено показано вище, може дуже великий. Отже,ДУ з відражателем струму є підсилювачем з великим Доідиф і, природно, має усіма перевагами диференційних підсилювачів.
8.ТОЧНОСТНЫЕПАРАМЕТРЫ
Для низки практичних застосуваньДУ пред'являються досить жорсткі вимоги до величинамточностних параметрів. Доточностним параметрами ставляться паразитні напруження і струми, які відбуваються як спокою, але мають вплив на якість посилення робочого сигналу. Відразу підкреслимо, щоточностние параметри або обумовлені, або виявляються через асиметрію плечейДУ. У ідеальномуДУ (з ідентичними плечима) похибки, притаманні черезточностние параметри, відсутні. У реальномуДУ з допомогою асиметрії плечей не вдома устрою завжди присутній розбалансколлекторних потенціалів транзисторівТ1 іТ2, т. е. присутнійпаразитное напруга між виходамиДУ. Довідка нанівець цього паразитного напруги на вхід (плеча)ДУ необхідно подати компенсуючий сигнал. Напруга цього сигналу називається напругою усунення нуля Uдив. Воно є який вхідний диференціальний сигнал.
Напруга Uдив є функцію кількох параметрів, вірніше розкиду параметрів елементів схеми. Так, частина напруги усунення нуля U’див породжується розкидом величин зворотних струмівемиттерних переходів транзисторів I>ебо1 і I>ебо2 , іншу частина U”див —розкидом номіналів резисторів R>к1 і R>к1. Для цих напруг можна записати:
Зазначимо, як і розкид інших, параметрів елементів схеми може певним чином загальну величину Uдив, але, зазвичай, цей вплив менш істотно. Слід пам'ятати, що Uдив залежить від температури. Ця залежність зазвичай представляється самостійнимточностним параметром — температурної чутливістю.Температурная чутливість >d Uдив/>dT зазвичай має розмірністьмкВ/град. Для більшості напруги усунення, виникає з допомогоюразбаланса струмівемиттеров, температурну чутливість можна видати за різницюТКНемиттерних переходів транзисторівТ1 іТ2. Зазначимо, які зазвичай температурна чутливість зменшується пропорційно зменшеннюве машкари Uдив. Ще однієюточностним параметромДУ є струм усунення I>вх, являє собою розбаланс (різницю) вхідних струмів (струмів баз транзисторів). У реальномуДУ I>вх можна через значення струмівемиттеров I>е01, I>е02 коефіцієнтів посилення транзисторів по току У1 і B2. наступного вигляді:
Найбільш несприятливий випадок матиме місце, коли I>е01 > I>е02 і У1 <B2. З (11) слід, що струм усунення зменшується за незначного зниження робочих струмівДУ і збільшенні коефіцієнтів У.
>Протекая через опір джерела сигналу, струм усунення створює у ньому падіння напруги I>вх>Rr, дія якої рівносильне брехливому диференціальному сигналу. Тож природною видаються зусилля, створені задля зниження I>вх вДУ.
Середній вхідний струм I>вхср є такожточностним пара метромДУ. Його можна видати за
"З (12)слeдyет, що з зменшення I>вхср і I>вх слід сприймати одні й самі заходи. Зазначимо, що таке середній вхідний струм значно більше струму усунення.
>Протекая через R>r середній вхідний струм створює у ньому падіння напруги, чинне яксинфазний вхідний сигнал. Але й ослаблене в До>исф, якщо це напруга все-таки викликає не вдомаДУ розбаланс потенціалів.
Обидваточностних струму видаються і крізь свої температурние чутливості. З (11) і (12) видно, що температури, передусім, проявляється через змінакоеффициентов посилення У. Зазвичай зменшення температурних залежностей для I>вхср і I>вх досягають з допомогою зниження самихточностних струмів.
Бо уДУ наМДП-транзисторах велике вхідний опір, то вхідні струми виявляютьсяпренебрежимо малі. Отже, ні самітоковиеточностние параметри, ні до їх температурний дрейф є обмежують чинниками для такихДУ. Проте Uдив вДУ на МДП- транзисторах має велику величину, ніж уДУ на біполярних транзисторах. Тому помилки у роботіДУ наМДП-транзисторах переважно визначаються величиною напруги усунення нуля.
НиніДУ є основний базовий каскад ІВ безперервного дії. За підсумкамиДУ створюють найрізноманітніші підсилювальні ігенераторние устрою. Зокрема,ДУ є вхідним каскадом будь-якогооперационного підсилювача.
9. Література
1.Титце У., Шенк До.Полупроводниковаясхемотехника. – М.: Світ, 1982.
2. Степаненко І. П. Основи мікроелектроніки. – М.:Сов.радио, 1980.
3. Ігумнов Д. У., Костюніна Р. П. Напівпровідникові устрою безперервного дії. – М.: Радіо і зв'язок, 1986.
4. Забродін Ю. З. Промислова електроніка. – М.: Вищу школу, 1982.
5.Зи З. М. Фізика напівпровідникових приладів. – М.: Світ, 1984.
6.Миклашевский З. П. Промислова електроніка. – М.: Надра, 1973.
7. Алексєєв Про.Вю., Китаєва У. Є.,Шихин А. Я.Электротехнические устрою. – М.:Энергоиздат, 1981.
