Дифференциальный транзисторный каскад

Простейшая схема дифференциального каскада (ДК) показана на рис. 1. Название «дифференциальный» объясняется тем, что

в ыходное напряжение (между коллекторами) пропорционально разности входных потенциалов (на базах). Дифференциальные каскады известны давно, еще в эпоху ламповой техники, где их называли параллельно-балансными каскадами. Однако наибольшее распространение они приобрели в конце 60-х годов в связи с развитием интегральных операционных усилителей. Несмотря на то, что по своей структуре ДК являются классическими

Рис. 1 Дифференциальный каскад постоянного тока.

представителями усилителей постоянного тока, они благодаря ряду уникальных свойств используются в гораздо более широком аспекте, а в микроэлектронике стали одним из универсальных элементов линейных интегральных схем.

1. Общие свойства

Из рис. 1 видно, что ДК симметричен. Именно симметрия позволяет существенно уменьшить величину приведенного дрейфа по сравнению с однотактным каскадом. Вторым важным преимущест­вом ДК является значительно более высокий коэффициент усиле­ния. Рассмотрим подробнее эти две особенности.

Если параметры обоих плеч ДК полностью идентичны (вклю­чая их зависимость от температуры и времени), то, очевидно, выход­ной дрейф будет строго равен нулю. В реальных схемах полная идентичность, разумеется, исключена и имеется некоторый «разност­ный» дрейф. Теоретически этот дрейф рассчитать невозможно, но известны пути его уменьшения или, что то же самое, пути искусст­венного симметрирования ДК. Действительно, условием отсутствия дрейфа является равенство Подставляя сюда и полагая (что обычно выполняется), запишем условие нулевого дрейфа в виде:

(1)

В выражении (1) значения — заданные; по существу заданы также значения R_б. Сопротивление R_э менять нежелательно, так как оно оказывает влияние на другие важные параметры; кроме того, обычно выполняется неравенство 2R_э> R_б , что использовано при упрощении правой части (1). Следователь­но, основным средством компенсации дрейфа является регулировка соотношения сопротивлений RK, например, с помощью потенциометра R (рис. 1). Нужно иметь в виду, что помимо условия нулевого дрейфа должно выполняться условие нулевого выходного напряжения в отсутствие сигнала: I_к1R_к1= I_k2R_k2. Вообще говоря, последнее равенство не коррелирует с (1), т. е. в схеме ДК необходима еще одна «степень свободы» (еще одна регулировка). Обычно потенциометр R используется для регулировки нуля напряжения, а для регулировки симметрии используются дополнительные цепи, на которых мы не останавливаемся.

Симметрия ДК существенно улучшается, а диапазон входных сигналов увеличивается, если между эмиттерами включить небольшое сопротивление — «связку» (рис. 2). Наличие такой «связки» равносильно искусственному увеличению сопротивлений r_э на величину R₀; если R₀>>r_э, то сопротивления эмиттеров делаются линейными и стабильными, а возможное различие в значениях r_э1 и r_э2 сглаживается. Увеличение диапазона входных сигналов объясняется тем, что напряжение на эквивалентном эмиттерном переходе (включающем резистор R₀) больше, чем на истинном переходе, на величину I_эR₀. Поэтому, если без «связки» диапазон входных сигналов не превышает 2U_эб, то при наличии «связки» он расширяется до 2 (U_эб + I_эR₀). Обычно сопротивления R₀ составляют несколько сотен ом (при токах около 1 мА).

В схеме на рис. 2, а резисторы R₀ можно выполнить в виде потенциометра с движком посередине; тогда его можно одновременно использовать для регулировки дрейфа или «нуля» наряду или вместо потенциометра R на рис. 1.

Заметим, что иногда выходное напряжение в ДК снимают не между коллекторами, а между эмиттерами. Тогда сопротивление нагрузки оказывается включенным так, как резистор 2R₀ на рис. 2, б, т. е. оно одновременно выполняет и функцию «связки». Тем самым обеспечиваются высокая стабильность схемы и широкий динамический диапазон. Эти свойства объясняются тем, что в данном случае ДК представляет собой балансный (двухтактный) эмиттерный повторитель (сопротивления RK в такой схеме отсутствуют).

Перейдем к оценке коэффициента усиления ДК в основной схеме (рис. 1). Пусть входной сигнал U_BX поступает между базами. Тогда на одном из входов (относительно «земли») будет действовать напряжение + U_BX, а на другом — U_BX/2. Соответственно ∆I_э1 = — ∆I_э2, т. е. сумма эмиттерных токов не изменяется, а значит, не изменяется и потенциал эмиттеров. Отсюда следует, что обратная связь через резистор R_э отсутствует и коэффициент усиления каж­дого плеча будет таким же, как в обычном каскаде ОЭ (без резистора R_э). Коэффициент усиления у ДК намного больше, чем у однотактного каскада, где он ограничен величиной R_э> r_э .

Анализ показывает (см. ниже), что если входной сигнал распределяется между плечами не поровну или (в пределе) поступает только на одну из баз, то сделанные выводы относительно отсутствия обратной связи через

Рис. 2. Варианты стабилизации дифференциального каскада по переменному току. а — с последовательной связкой; б — с параллельной связкой.

резистор R_э и соответственно идентичности коэффициентов усиления у ДК и у обычного каскада ОЭ остаются в силе.

ДК можно соединять друг с другом непосредственно: коллекторы предыдущего каскада с базами следующего (рис. 5). При этом, поскольку сопротивления R_э не оказывают влияния на коэффициент усиления, можно повышать эмиттерные потенциалы каждого следующего каскада простейшим способом — увеличением сопротивлений R_э без применения дополнительных элементов, свойственных однотактным схемам. Это еще одно существенное преимущество ДК.

Как правило, 1-й (входной) ДК в многокаскадном усилителе рассчитывают так, чтобы он не нуждался в цепях смещения баз, т. е. начальные базовые потенциалы 1-го ДК равны нулю. Это позволяет работать от заземленных источников сигнала. Из аналогичных соображений последний (выходной) ДК делают с несимметричным выходом, т. е. снимают выходное напряжение между одним из коллекторов и землей. Это позволяет использовать наиболее распространенную заземленную нагрузку. Нередко роль такой нагрузки играет некоторый промежуточный однотактный каскад.