2. Усилительные параметры

При анализе ДК удобно и общепринято разделять входные и выходные сигналы на две составляющие: дифференциальную и синфазную. Последнюю называют также средним уровнем или просто уровнем.

Эти две составляющие выражаются через приращения входных и выходных потенциалов с помощью следующих определений:

2a

2б

О братные соотношения имеют вид:

3a

3б

С вязь между выходными и входными сигналами ДК выражается системой двух уравнений:

(4а)

(4б)

где K_y.y, ..., K_д.д — коэффициенты передачи соответствующих составляющих со входа на выход.

В идеальном (абсолютно симметричном) ДК соблюдается условие К_у.д = К_д.у = 0, т. е. передачи синфазной и дифференциальной составляющих осуществляются независимо друг от друга. Собственно в этом и состоит удобство разделения сигналов на указанные составляющие. Рассмотрим параметры идеального ДК.

1) Если подать на входы ДК одинаковые по величине, но разные по полярности напряжения, то согласно (2а) синфазная составляющая на входе будет отсутствовать: U_вх.у = 0. Поскольку К_у.д = 0, то будет отсутствовать и синфазная составляющая на выходе (см. (4а)). Следовательно, в данном случае на выходе будет только усиленная дифференциальная составляющая входного сигнала:

(5)

Дифференциальный коэффициент усиления К_д.д (обычно индексы опускают) является одним из основных параметров ДК. Естественно, его стараются делать как можно больше. Выше было показано, что усиление каждого плеча ДК такое же, как в обычном каскаде ОЭ. Значит, коэффициент К_д.д можно записать:

(6а)

где использование величины 1/2*R_H обосновано в предыдущем разделе.

При наличии «связки» (см. рис. 2) к сопротивлению r_э добавляется сопротивление R₀, что, конечно, приводит к снижению коэффициента усиления. Полагая в этом случае получаем:

(6б)

Помимо улучшения симметрии ДК, наличие сопротивлений R₀ приводит к существенному росту вход­ного сопротивления:

(7)

это часто является дополнительным преимуществом, искупающим спад усиления.

2) Если соединить входные зажимы ДК и подать на них общее напряжение, то согласно (2а) дифференциальная составляющая на входе будет отсутствовать: U_BX.Д = 0. Поскольку К_д.у = 0, то будет отсутствовать и дифференциальная составляющая на выходе (см. (4б)). Следовательно, в данном случае на выходе будет только та или иная часть синфазной составляющей входного сигнала (усиление обычно не имеет места):

(8)

Сдвиг выходного уровня в виде напряжения U_Bых.y и изменение коллекторных токов (одинаковое в обоих плечах) означают изменение рабочего режима транзисторов (сдвиг рабочей точки). Поэтому коэффициент передачи К_у.у желательно делать как можно меньше.

В рассматриваемом случае базы и эмиттеры обоих транзисторов соединены друг с другом; коллекторы также можно считать соеди­ненными (так как разность потенциалов U_Kl — U_K2 сохраняет нуле­вое значение в силу симметрии). Значит, в режиме синфазного сигнала ДК представляет собой параллельное соединение обоих плеч. Расчет такой схемы несложен: он аналогичен расчету каскада с обратной связью по току.

Синфазный коэффициент усиления:

(9)

Здесь коэффициент 2 обусловлен параллельным соединением коллекторных резисторов, а сопротивления r_э и R₀ не учтены как малые по сравнению с R_э. Обычно R_K < R_B, так что К_у.у < 1.

Входное сопротивление для синфазной составляющей полу­чается таким:

(10)

Очевидно, что из-за существенного различия в значениях R_Э и R₀. Параметр К_д.у как таковой практически не используется; его принято характеризовать косвенно, с помощью так называемого коэффициента подавления (или режекции) синфазной составляющей (англ. CMRR —Common Mode Rejection Ratio):

Коэффициент подавления характеризует относительную роль слагаемых в выражении (4б) при равенстве дифференциального и синфазного входных сигналов. Как правило, его оценивают в логарифмических единицах — децибелах;

(11)

Например, если |К_д.д/К_д.у| = 10 000, то К_п = 80 дБ.

Распространенным типом синфазного сигнала являются различные (внутренние и внешние) помехи и наводки, действующие одновременно на оба входа. Поэтому вопрос увеличения коэффициента К_п есть одновременно вопрос повышения помехо­устойчивости ДК.

Поскольку конечное значение К_п обусловлено асимметрией ДК, а асимметрия в свою очередь обусловлена очень многими (иногда трудно учитываемыми) факторами, то теоретический расчет коэффициента К_п практически невозможен. В то же время из общих соображений можно сделать некоторые качественные выводы. Например, любые меры, заведомо способствующие повышению симметрии ДК, приводят к росту коэффициента К_п. Это подтверждается, в частности, тем, что в интегральных ДК коэффициент подавления заметно выше, чем в дискретных (если, конечно, исключить подбор транзисторов). Далее, поскольку степень симметрии, в силу зависимостей β (I_к, T), U_эб (I_K, Т) и др., меняется с изменением температуры и рабочего режима ДК, то и коэффициент подавления должен зависеть от этих факторов. Практика подтверждает, что значение К_п довольно существенно зависит от рабочих токов и напряжений, причем в ряде случаев удается выявить оптимальный режим. Подтверждается также зависимость К_п от температуры.

Заметим, что целью анализа коэффициента К_п является не столько возможность его численного расчета, сколько выявление тех путей, которые позволяют увеличить К_п при заданной степени асимметрии ДК. Опуская довольно громоздкие выкладки, приведем результат анализа:

(12)

Здесь параметр δ представляет собой алгебраическую сумму относительных разбросов величин β, R_к, R_г и др. Значение δ следует считать заданной.

Главный вывод, который следует из выражения (12), состоит в том, что токозадающий резистор R_э должен иметь как можно большее сопротивление. Роль сопротивлений R_г и r_б незначительна, а сопротивление R₀ не должно быть излишне большим.

В заключение заметим, что в случае несимметричного выхода (например, если выходной сигнал снимается с одного из коллекто­ров) степень симметрии теряет свое значение и коэффициент подавления определяется совсем иначе:

Здесь коэффициент 1/2 обусловлен тем, что каждое из плеч ДК

усиливает половину входного дифференциального сигнала. Подставляя значения (6), (9) и полагая для простоты R_н = ∞, получаем после преобразований :

(13)

Сравнивая (13) и (12), видим, что оба коэффициента подавления