17. Обратная связь в усилительных трактах.

Вопрос 18. Влияние обратной связи на характеристики и параметры усилительного тракта.

Вопрос 19. Схемные особенности аналоговых микросхем и усилителей постоянного тока.

Вопрос 20. Дифференциальный каскад.

Дифференциальный каскад – это схема, используемая для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов, а определяется только их разностью.

На рис. 2.14 показана схема ДК на биполярных транзисторах. Схема содержит два плеча, включающих транзисторы VT1 и VТ2 и резисторы  Rк1 = Rк2 и токозадающий резистор R0. Ток I0, протекающий через резистор R0, не должен зависеть от входных сигналов. Для этого сопротивление резистора R0 выбирается большим или вместо него используется транзисторный генератор тока. В схеме используются два источника питания ЕП1 и ЕП2, вторые выводы которых подключены к общей точке. Наличие двух источников питания позволяет работать с сигналами любой полярности. Если оставить один источник питания, а вторую шину питания подключить к общей точке, возможно усиление сигналов только одной полярности.

 

Рис. 2.14

 В общем случае дифференциальный каскад имеет два входа и два выхода, напряжения на которых Uвх1, Uвх2, Uвх1, Uвх2 отсчитываются от общей точки.

Различают синфазные и дифференциальные входные сигналы. Когда уровни сигналов на обоих входах равны (Uвх1 = Uвх2 = Uвх сф), такие сигналы называют синфазными. Роль синфазных сигналов обычно играют помехи. Если источник сигнала включен между входами ДК, то такой сигнал называют дифференциальным (разностным) Uвх д = Uвх1 – Uвх2. При дифференциальном включении входной сигнал делится пополам между одинаковыми транзисторами VТ1 и VТ2, причем составляющие напряжений на входах ДК относительно общей точки противоположны по знаку, или

    и   .                                                                                           (2.6)

 

Дифференциальный каскад должен эффективно усиливать дифференциальные сигналы и ослаблять синфазные.

Выходное напряжение может сниматься между выходами схемы; тогда оно называется выходным дифференциальным (или двухфазным) напряжением. При этом необходимо, чтобы следующий каскад имел дифференциальный вход. Кроме того, часто используют однофазный выход – снимают выходное напряжение между одним из выходов и общей точкой, при этом половина полезного сигнала, действующего на оставшемся выходе, не используется.

Рассмотрим преобразование синфазного сигнала в ДК. Пусть на входы схемы (рис. 2.14) подано синфазное напряжение (Uвх1= Uвх2= Uвх сф). В качестве выходного сигнала будем рассматривать однофазное напряжение на первом выходе.

Для анализа воспользуемся эквивалентной схемой, приведенной на рис. 2.15, содержащей одну половину ДК. Поскольку через транзистор VT1 протекает половина тока I0, резистор в эмиттерной цепи имеет сопротивление 2R0 (второе сопротивление 2R0 обес­печивает ток второй половины ДК).

Рис. 2.15

Схема на рис. 2.15 является усилительным каскадом с ОЭ, рассмотренным ранее. Воспользуемся формулой для расчета коэффициента усиления по напряжению

 

.                                                                                             (2.7)

 

Из (2.7) видно, что если R0 >> Rк, то  КUсф << 1. Иными словами, увеличивая сопротивление токозадающего резистора R0, можно уменьшать коэффициент передачи синфазного сигнала до требуемого уровня. Особенно эффективно подавление синфазного сигнала обеспечивается при замене R0 генератором тока.

Усиление дифференциального сигнала проанализируем с помощью схем (рис. 2.16). На этом рисунке показаны токи, протекающие в ДК под действием дифференциального напряжения Uвх д, В этом случае через резистор R0 помимо тока I0 (задаваемого источником Еп2) протекают одинаковые, но противоположно направленные составляющие токов эмиттеров Iэ1д, lэ2д транзисторов VT1 и VТ2. Таким образом, падение напряжения от протекания дифференциальных составляющих токов на резисторе R0 отсутствует и для дифференциальных сигналов потенциал точки А равен нулю. Следовательно, для дифференциальных сигналов справедлива эк­вивалентная схема (рис. 2.16, б), отличающаяся от схемы на рис. 2.15 отсутствием резистора R0.

 

Рис. 2.16

 

Определим коэффициент усиления по напряжению для дифференциального сигнала

.                                                                                                 (2.8)

где Rвх = r'б + brэ.   (так как через один транзистор протекает ток  ).

Дифференциальные каскады, как правило, работают с малым током I0 << 1 мА, тогда Rвх ≈ brэ и

 

.                                                                                                   (2.9)

 

Таким образом, коэффициент усиления для дифференциального сигнала гораздо больше, чем для синфазного и достигает нескольких сотен (тысяч при использовании динамической нагрузки). Отметим, что усиление ДК можно регулировать, изменяя ток I0, что используется в программируемых операционных усилителях и перемножителях аналоговых сигналов.

Существует много вариантов построения дифференциальных каскадов, для увеличения коэффициента усиления применяют составные транзисторы. Для повышения входного сопротивления используют МДП-транзисторы, а вместо токозадающего резистора используют генератор стабильного тока.

На рис. 2.17 изображен ДК с динамической нагрузкой в виде токового зеркала на транзисторах VТЗ, VT4. Эта схема обладает высоким коэффициентом усиления (КUд составляет несколько тысяч) и однофазным выходом. Существенно, что в этой схеме сигнал транзистора VT1 не теряется, а с помощью токового зеркала передается в выходную цепь, складываясь с сигналом транзистора VТ2.

Рис. 2.17