Файл: С.Н. Гринфельд Физические основы электроники уч. пособие.doc

Выполнить второе основное требование позволяет введение в ДУ резистора R_э. Если на вход ДУ поступает сигнал синфазной помехи, например, положительной полярности, то транзисторы Т₁и Т₂приотк­роются, и токи их эмиттеров возрастут. В результате, по резисторуR_эбудет протекать суммарное приращение этих токов, об­разующее на нем сигнал ООС. Нетрудно показать, чтоR_эобразует в ДУ последовательную ООС по току. При этом будет наблюдаться уменьшение коэффициента усиления по на­пряжению для синфазного сигнала каскадов ОЭ (K_исф1и К_исф2), образующих общие плечи ДУ. Поскольку коэффициент усиления ДУ для синфазного сигнала равен:

К_исф= К_исф1– К_исф2,

за счет выполнения первого основного требования

К_исф1 ≈ К_исф2

удается получить весьма малое значение К_исф, т.е. значительно подавить синфазную помеху.

Так как в монолитном ДУ с достаточным приближением можно выполнить оба основных требования, удается не только подавить синфазную внешнюю помеху, но и снизить влияние внутренних факторов, проявляющихся через изменения парамет­ров элементов схемы. Конечно, параметры составляющих каска­дов будут изменяться, но по весьма близким зависимостям, влияние которых будет дополнительно ослабляться наличием ООС.

Теперь рассмотрим работу ДУ для основного рабочего входно­го сигнала – дифференциального. Дифференциальными (противо­фазными) принято называть сигналы, имеющие равные амплиту­ды, но противоположные фазы. Будем считать, что входное напряжение подано между входами ДУ, т.е. на каждый вход поступает половина амплитудного значения входного сигнала, причем в противоположных фазах. Если U_вх1 в рассматриваемый момент представляется положительной полуволной, то U_{вх2 –} отрицательной.

За счет действия U_вх1(см. рис. 7.4) транзистор Т₁приоткрывается, и ток его эмиттера получает положительное приращение ∆I_э1, а за счет действияU_вх2транзистор Т₂призакрывается, и ток его эмиттера получает отрицательное приращение (-∆I_э2) В ре­зультате, приращение тока в цепи резистораR_эравно:

∆I_Rэ = ∆I_э1 – ∆I_э1.

Если общие плечи ДУ идеально симметричны, то ∆I_Rэ= 0 и, следовательно, ООС для дифференциального сигнала отсутствует. Это обстоятельство позволяет получать от каждого каскада ОЭ в рассматриваемом усилителе, а следовательно, и от всего ДУ большое усиление. Отсюда происходит и название усилителя – дифференциальный. Так как для дифференциального входного сигнала в любой момент напряжения на коллекторах транзисто­ров Т₁и Т₂будут находиться в противофазе, то на нагрузке происходит выделение удвоенного выходного сигнала. Итак, резисторR_эобразует ООС только для синфазного сигнала.

Поскольку в реальных ДУ идеальную симметрию плеч осущест­вить нельзя, то R_эвсе же будет и для дифференциального сигнала создавать ООС, но незначительной глубины, причем чем лучше симметрия плеч, тем меньше ООС. Небольшую последовательную ООС по току задают в каскадах ДУ с по­мощью резисторовR₀₁иR₀₂. Как отмечалось ранее, эти резисторы имеют небольшие номиналы, поэтому создаваемая ими ООС невелика и существенно не влияет на усилительные свойства ДУ.

Таким образом, при выполнении в ДУ двух основных требова­ний он обеспечивает стабильную работу с малым дрейфом нуля, с хорошим усилением дифференциального сигнала и со значитель­ным подавлением синфазной помехи. В зависимости от того, как подключены в ДУ источник входного сигнала и сопротивление нагрузки, следует различать схемы его включения.

7.3.2. Схемы включения дифференциального усилителя

Можно выделить четыре схемы включения ДУ:

1. симметричный вход и выход;

2. симметричный вход и несимметричный выход;

3. несимметричный вход и симметричный выход;

4. несимметричный вход и выход.

Рассмотрим их последовательно при воздействии рабочего входного сигнала.

1.При симметричном входе источник входного сигнала (см. рис. 7.4) подключа­ется между входами ДУ (между базами транзисторов Т₁и Т₂). При симметричном выходе сопротивление нагрузки подключается между выходами ДУ (между коллекторами транзисторов Т₁и Т₂). Такое включение ДУ и было рассмотрено в разделе 7.2. Теперь остановимся на определении параметров сим­метричного включения ДУ.

Проанализируем работу одного плеча, т.е. одного каскада ОЭ, входящего в ДУ. Для этого представим плечо ДУ в виде, изображенном на рис. 7.5. Здесь отсутствует резистор R_э, поскольку, он не участвует в работе на дифференциальном сигнале. Для входного сопротивления плеча ДУ (R_{вх пл}), можно записать:

R_вх.пл=r_б+r_э(β + 1) +R₀(β + 1) =h_11э+ βR₀. (7.1)

Здесь опущены индексы для номеров резисторов, так как плечи ДУ практически симметричны. Слагаемое βR₀ вносится за счет последовательной ООС. ПриR₀ = 0 уравнение (7.1) для нашего случая можно упростить до следующего вида:

R_вх.пл = βr_э(7.2)

М

Рис. 7.5. Схема одного плеча ДУ

K_{u пл}= (U_вх.пл / 2)(2 /E_г) = (U_вх.пл/E_г) = К_{u диф}

т.е. коэффициент усиления по напряжению всего ДУ равен K_{u пл}. В нашем случае дляK_{u пл}можно переписать в несколько измененном виде:

. (7.3)

Здесь учтено, что к выходу одного плеча подключается только половина R_H. Действительно, средняя точка резистораR_Hдля рассматриваемого режима ДУ всегда будет иметь нулевой потенциал (потенциал общей шины).

Если R_к< (R_н / 2),R_вх.пл >R_ги β велико, то формулу (7.3) можно переписать в следующем приближенном виде:

К_{u диф}=R_к /r_э. (7.4)

Учитывая изложенное ранее, коэффициент усиления ДУ по току можно представить в виде выражения (7.4), заменив R_кнаR_н/2. Нетрудно показать, что значение выходного сопротивления ДУ для рассматриваемой схемы его включения равно удвоенному значению выходного сопротивления плеча (R_{вых пл}), которое для каскада ОЭ можно считать равнымR_к.

2.Теперь остановимся на схеме включения ДУ с симметричным входом и несимметричным выходом. В этом случае источник входного сигнала подключается между входами ДУ; сопротивле­ние нагрузки подключается одним концом к коллектору одного из транзисторов, а другим — к общей шине. При этом в кол­лекторной цепи второго транзистора может отсутствовать ре­зисторR_к. Поскольку способ подачи входного сигнала здесь совпадает с ранее рассмотренным случаем (см. пункт 1), то входное сопротив­ление также можно определить с помощью формулы (7.1) или (7.2). Однако выходной сигнал снимается лишь с одного выхода ДУ, следовательно, выходное сопротивление ДУ равно:R_выхпл=R_к. По той же причине К_{u диф}оказывается в 2 раза меньше, чем при симметричном выходе.

3. Интересна схема включения ДУ с несимметричным входом и симметричным выходом. Для удобства восприятия специфики этого включения ДУ (рис. 7.6) приведена его принципиальная схема. ЗдесьR_о = 0, а входной сигнал подается на базу транзисто­ра Т₁. Плечо, образованное транзистором Т₁, является каскадом ОЭ с ООС, образуемой резисторомR_э. Коэффициент усиления К_{u пл}для него может быть рассчитан по формуле (7.3), а коэффициентR_выхпл- формуле (7.1), гдеR₀ следует заменить наR_э. У этого плеча ДУ есть и выход с эмиттера, где коэффициент усиления по напряжению для эмиттерного выхода К_{u к} < К_{u пл}.

С эмиттерного выхода плеча ДУ будет сниматься неинвертирован­ный сигнал с К_{u к ,} который можно представить в следующем виде:

, (7.5)

где R_вхб- входное сопротивление каскада ОБ, который является плечом ДУ, образованным транзистором Т₂. Для эмиттерного выхода первого плечаR_вхбявляется сопротивлением нагрузки. Формула (7.5) справедлива приR_э >R_вхб. Для каскада ОБ, образованного транзистором Т₂, коэффициент усиления по напряжению равен:

. (7.6)

Ф

Рис. 7.6. Схема ДУ с несимметричным входом

4.При несимметричном входе и выходе работа ДУ происходит аналогично работе предыдущей схемы включения ДУ (пункт 3). Если входной сигнал подан на вход того же плеча, с выхода которого снимается выходной сигнал ДУ, то в этом случае работает на усиление сигнала лишь одно плечо. Здесь на выходе будет инвертированный сигнал с коэффициентом усиления К_{u пл.}Если входной сигнал подан на вход одного плеча ДУ, а выходной сигнал снимается с выхода другого плеча, то на выходе появится неинвертированный сигнал с тем же коэффициентом усиления К_{u пл}, что и в первом случае. Если снимать выходной сигнал всегда с одного заданного выхода ДУ, то входам усилителя можно присвоить названия «инвертирующий» и «неинвертирующий».

Все изложенное показывает, что усилительные параметры ДУ для рабочего сигнала зависят от схемы его включения, которая выбирается в зависимости от конкретных технических требований.