Электротехника \ Электроника

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 rвхС протекает ток 2iБ.

После подстановки rвхC 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 Rэ.

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

Если сопротивление резистора Rэ 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 Rэ генератора тока, при этом в формулы вместо сопротивления Rэ 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:

IБ1= IБ2= IБ и Iк1= Iк2= Iк.

Тогда  

Но IБ= Iк/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 Iвх 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 IБ1= IБ2= IБ и Iк1= Iк2= Iк.

Тогда

Окончательно

Если b=100, то ,

т. е. КI 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 КI®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:

IБ1= IБ2= IБ и Iк1= Iк2.

Найдем коэффициент передачи тока из входной ветви в выходную.

Выразим  и  через   

Разрешив это уравнение относительно , получим:

Подставим найденные выражения для IБ1 и IК2 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 IК3 возрастает;

-  Возрастет ток базы транзистора VT1;

-  Возрастает ток IК1;

-  Уменьшится ток IБ3;

-  Уменьшится ток IК3, 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.

Скачать файл