Входные каскады операционных усилителей: дифференциальный усилитель с резистивной нагрузкой, основные соотношения

Вопрос 14: Входные каскады операционных усилителей: дифференциальный усилитель с резистивной нагрузкой, основные соотношения.

Схема простейшего дифференциального каскада:

Рис. 1 Дифференциальный усилитель.

Дифференциальный усилитель имеет два входа. Входные сигналы Uвх1 и Uвх2 подаются на базы транзисторов VT1 и VT2. Эмиттеры транзисторов через общий резистор R₀ подключены к отпирающему эмиттерные переходы источнику напряжения -Е2. Обратно смещенные коллекторные переходы через резисторы Rк1 и Rк2 подключены к источнику +Е2. При отсутствии сигналов на входе ДУ представляет собой схему уравновешенного моста. Резисторы Rк1, Rк2 и транзисторы VT1 и VT2 образуют плечи моста. К одной диагонали моста подключены напряжения питания +Е1, -Е2, с другой диагонали снимается выходное напряжение. В случае идеальной симметрии плеч одинаковые изменения токов через транзисторы при изменении температуры или напряжения питания вызывают одинаковые изменения коллекторных напряжений. Выходное напряжение ДУ, равное разности коллекторных напряжений, при этом не изменяется.

Свое название усилитель получил благодаря основному свойству, отличающему его от других усилителей: усиливается сигнал, равный разности входных напряжений или разностный (дифференциальный) сигнал.

Сигнал, подаваемый между входами ДУ, называется разностным или ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ сигналом:

U_ДИФ = Uвх1 - Uвх2

Дифференциальным сигналом является, таким образом, и сигнал, подаваемый на один из входов усилителя, при заземленном втором входе.

Рис. 2 Сигналы ДУ.

Сигнал, подаваемый одновременно на оба входа усилителя относительно общей шины, называется СИНФАЗНЫМ сигналом. В качестве синфазного принимают среднее арифметическое значение входных напряжений (с учетом полярностей или фаз):

U_СФ = 0.5(Uвх1 + Uвх2)

Так как потенциалы баз и напряжения на эмиттерных переходах получают при синфазном сигнале одинаковые (синфазные) приращения, то токи через транзисторы изменяются слабо и дифференциальный усилитель не усиливает синфазный сигнал.

ПРИМЕР определения входных сигналов ДУ.

Uвх1 = 2.1В, Uвх2 = 2В.

==================================

Дифференциальный входной сигнал:  U_Д = Uвх1 - Uвх2 = 2.1 - 2 = 0.1 [B].

Синфазный входной сигнал: U_СФ = 0.5(Uвх1 + Uвх2) = 0,5(2,1 + 2) = 2.05»2 [B].

Входные сигналы через U_ДИФ и U_СФ можно представить в виде:

Uвх1 = U_СФ + 0,5Uд = 2,05 + 0,05 [B].

Uвх2 = U_СФ - 0,5Uд = 2,05 - 0,05 [B].

Приведенный пример поясняет следующий рисунок:

Рис. 3 Представление входных сигналов ДУ в виде комбинации U_ДИФ и U_СФ.

По способу снятия выходного сигнала (или способу подключения нагрузки) различают несимметричные выходы - напряжения снимаются с коллекторов транзисторов относительно общей шины, и симметричный выход - напряжение снимают между коллекторами (рис. 2).

Следовательно при несимметричном выходе Uвых1 = Uк1, Uвых2 = Uк2, а при симметричном выходе U_ВЫХ = Uвых1 - Uвых2. Достоинство симметричного выхода по сравнению с несимметричными - наиболее полная реализация основных полезных свойств ДУ, недостаток - незаземленность нагрузки.

В отсутствие входных сигналов при нулевых потенциалах на базах транзисторов (рис.1) ток I₀, равный I₀ = (E2 - U_БЭ)/R₀, поровну распределяется между транзисторами: Iэ1 = Iэ2 = 0.5Io. Коллекторные токи и потенциалы на коллекторах тоже соответственно равны между собой.

Iк1 = a1 Iэ1 = 0.5Io,

Iк2 = a2 Iэ2 = 0.5Io,

Uк1 = E1 - Iк1Rк = E1 - I₀R_К/2,

Uк2 = E1 - Iк2Rк = E1 - I₀R_К/2.

Для дифференциального сигнала каскад представляет собой два усилителя на транзисторах с общим эмиттером, объединенных резистором R₀. Дифференциальный сигнал, приложенный между входами усилителя, при идентичности транзисторов вызывает примерно одинаковые по модулю изменения напряжений на эмиттерных переходах, но противоположные по знаку. При рассмотренных выше численных значениях сигналов, для транзистора VT1 приращение напряжения U_БЭ составляет +50мВ, а для VT2 -50мВ. Если начальные напряжения на эмиттерных переходах при U_ДИФ = 0 составляли Uбэ1 = Uбэ2 = 0.7В, то при сигнале U_ДИФ = 100мВ Uбэ1 = 0.75В, U_БЭ = 0.65В. Изменения напряжений U_БЭ вызывают перераспределение токов Iк1 и Iк2, сумма которых остается примерно постоянной: Iк1 + Iк2 = I₀. Ток Iк1 увеличивается, а Iк2 уменьшается. Перераспределение коллекторных токов приводит к изменению коллекторных напряжений и формированию выходного напряжения. Если за выход ДУ принять коллектор VT1, то относительно его Вх1 является инвертирующим, а Вх2 - неинвертирующим. Перераспределение токов поясняет рисунок:

Рис. 4 Зависимость коллекторных токов от U_ДИФ.

Линейный диапазон входных сигналов ДУ составляет примерно ±(15¸20)мВ. Большие значения U_ДИФ приводят к отсечке одного из транзисторов, ток I₀ протекает полностью через второй транзистор и ДУ не реагирует на изменение дифференциального сигнала.

В исходном состоянии из-за неидентичности транзисторов, в первую очередь из-за неравенства напряжений U_БЭ, коллекторные токи не равны, на входе формируется остаточное "ошибочное" напряжение

U_0ВЫХ = Uк1 - Uк2 = Iк1Rк1 - Iк2Rк2.

Для устранения начального смещения на выходе ДУ применяют операцию БАЛАНСИРОВКИ. Коллекторная балансировка осуществляется с помощью балансировочного резистора R_Б в коллекторной цепи транзистора:

Рис. 5 Коллекторная балансировка ДУ.

Асимметрия начальных токов коллекторов Iк1 и Iк2 компенсируется дополнительной противоположной асимметрией резисторов R_К. В ДУ на дискретных транзисторах значительная (десятки милливольт) начальная асимметрия плеч часто исключает коллекторную балансировку. В таких ДУ применяют подбор транзисторов по напряжениям U_БЭ или эмиттерную балансировку (стабилизацию):

Рис. 6 ДУ с эмиттерной стабилизацией.

Включенные последовательно с эмиттерными переходами резисторы Rэ1 и Rэ2 за счет напряжений Iэ1Rэ1 и Iэ2Rэ2 выравнивают токи через транзисторы и балансируют ДУ. Кроме того, резисторы R_Э стабилизируют усиление ДУ на более низком уровне.

ДУ по разному реагирует на дифференциальный и синфазный сигналы: имеет различные коэффициенты усиления по дифференциальному сигналу  K_U и синфазному К_СФ, различные входные сопротивления - R_ВХ по дифференциальному сигналу и R_СФ по синфазному.