Файл: Лабник по схемотехнике.doc

Усилительные свойства

Для анализа усилительных свойств удобно рассмотреть отдельно реакцию каскада на парафазный и синфазный сигналы. При усилении парафазного сигнала напряжения генераторов e_Г1 и e_Г2 равны по величине и противоположны по фазе. Подача на входы каскада такого напряжения приведет к одинаковому по величине и противоположному по фазе изменению токов транзисторов, так что суммарный ток, протекающий через резистор R_Э, не изменится. В таком случае потенциал точки “А” (рис. 4.1) останется постоянным. Это дает возможность оценить усилительные свойства каскада на основе анализа одного плеча, считая его каскадом с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 4.2, а).

Рис. 4.2. Эквивалентные схемы плеча дифференциального каскада с резистором в токозадающей цепи при усилении: дифференциального (а) и синфазного сигналов (б)

Используя известные соотношения для каскада ОЭ, получаем

K_{U ПАР} = u _ВЫХ / e_{Г ПАР} = – b R _К1/ (R_Б + r_{ВХ Э}). (4.2)

Если R_Б << r _{вх э}, то

K_{U ПАР} = – bR_К / r _{ВХ Э}= – a R _К / r _{ВХ Б} @ – R _К / r _Э = – R_КI_К⁰/j _т . (4.3)

Последнее соотношение в (4.3) дает значение K_U ПАР с некоторым завышением (не учтено r_Б ) и тем меньшим, чем меньше ток I_К⁰.

Входное сопротивление каскада для парафазного сигнала

r_{ВХ ПАР} = r_{ВХ Э} = r_Б + r_Э(b +1) (4.4)

может составить единицы – десятки килоОм в зависимости от тока через каскад.

При усилении синфазного сигнала напряжения генераторов e_Г1 и e_Г2 равны по величине и совпадают по фазе. Подача такого напряжения на входы каскада приводит к идентичным синфазным изменениям токов коллекторов. При этом изменение тока через резистор R_Э составляет удвоенное изменение тока коллектора одного транзистора. Данное условие позволяет анализ каскада для переменного тока свести к анализу одного плеча, включив в его эмиттер сопротивление 2R_Э (рис. 4.2, б).

Коэффициент усиления синфазного сигнала

K_{U СИНФ} = u_ВЫХ /e_{Г СИНФ} = –b R_К / (R_Б+ r_{ВХ Э}+ 2R_Э(b +1)) (4.5)

Обычно R_б, r_{ВХ Э} << 2R_Э(b +1). В таком случае

K_{U СИНФ} @ – aR_К /2R_Э. (4.6)

Поскольку 2R_Э >> r _Э , то K_{U СИНФ} << K_{U ПАР}.

Входное сопротивление каскада для синфазного сигнала

r_{ВХ СИНФ} = r_{ВХ Э} + 2R_Э(b +1) @ 2R_Э(b +1). (4.7)

Обычно r_{ВХ СИНФ} >> r_{ВХ ПАР}.

Реальный сигнал может быть разложен на синфазную и парафазную составляющие. При этом

e_Г1, е_{Г2 ПАР} = ± (e_Г1 – е_Г2)/2,

e_Г1, e_{Г2 СИНФ} = + (e_Г1 + e_Г2)/2. (4.8)

В таком случае усиление произвольного сигнала можно оценить, используя линеаризованную модель каскада, считая при этом, что усиление каждого сигнала происходит независимо:

u_К1 = K_{U ПАР} e_{Г1 ПАР} + K_{U СИНФ} e_{Г1 СИНФ},

u_К2 = K_{U ПАР} e_{Г2 ПАР} + K_{U СИНФ} e_{Г2 СИНФ}. (4.9)

Если измерять выходной сигнал как разность напряжений между коллекторами u_ВЫХ = u_К1 – u_К2, то окажется, что при условии идентичности элементов каскада

u_{вых ПАР} = u_К1 – u_К2 = (e_Г1 – e_Г2) K_{U ПАР},

u_{вых СИНФ} = 0, (4.10)

т.е. каскад реагирует только на разницу входных напряжений. Поэтому он называется дифференциальным. Можно показать, что при неидентичности элементов каскада подача синфазного сигнала приведет к появлению на выходе парафазного сигнала, и наоборот. Это всегда является нежелательным. Существенно меньшее усиление синфазного сигнала по сравнению с парафазным является ценным свойством каскада и позволяет

p = K_{U СИНФ} / K_{U ПАР} = r_Э / 2R_Э. 4.11)

С этой целью вместо резистора R_Э часто используют динамическое выходное сопротивление r_КЭ транзистора VT3 (рис. 4.3). Транзистор VT3 задает и стабилизирует токи транзисторов VT1 и VT2. Подавление синфазного сигнала при этом составит p = r_Э1 / 2r_К3.

Амплитудная характеристика каскада

Подача на входы каскада парафазного сигнала приводит к равным, но противоположным изменениям потенциалов его коллекторов (рис. 4.4, а).

По наклону передаточной характеристики вблизи e_Г=0 легко определяется величина K_{U ПАР}. Максимально возможная амплитуда выходного сигнала определяется попаданием транзистора в режим отсечки, либо насыщения. Оценить максимальное изменение потенциала коллектора и соответствующего входного сигнала можно, зная положение рабочей точки U_К⁰ = E_К – I_К⁰R_К. Из соотношения (4.3) видно, что при максимальной амплитуде выходного напряжения, равного Е_К – U_К⁰ = Е_К/2, максимальное допустимое входное напряжение, соответствующее работе в активной области характеристик транзистора, составляет j _т = 26 мВ при Т = 300 K.

При усилении синфазного сигнала потенциалы коллекторов изменяются одинаково в одну сторону (рис. 4.4, б). При подаче на вход запирающего напряжения, потенциалы коллекторов линейно возрастают вплоть до U_К = = E_К. При подаче положительного сигнала каскад достаточно быстро переходит в режим насыщения (рис. 4.4, б – штриховая линия).

Разбаланс и температурный дрейф каскада

В реальном каскаде малое, но конечное различие в свойствах транзисторов VT1 и VT2, а также резисторов R_К1 и R_К2, всегда имеет место. Это приводит к появлению разности напряжений на выходах каскада

U_К1 – U_К2 = I_К1R_К1 – I_К2R_К2 (4.12)

даже в отсутствие входного сигнала. Рассматривая малые приращения DI_К1, DI_К2, DR_К1, DR_К2 и пренебрегая членами высшего порядка малости, можно записать

U_К1 – U_К2 = I_К DR_К + R_К DI_К, (4.13)

где I_К = (I_К1 + I_К2)/ 2, R_К = (R_К1 + R_К2)/ 2,

DI_К = (I_К1 – I_К2) / 2, DR_К = (R_К1 – R_К2) / 2.

Принято разбаланс каскадов оценивать напряжением U_СМ⁰, которое необходимо приложить к входу, чтобы сбалансировать каскад

U_СМ⁰ = (U_К1 – U_К2) / K_{U ПАР}. (4.14)

Наиболее существенное влияние на разбаланс каскада оказывают четыре причины:

- неидентичность входных характеристик транзисторов,

- неидентичность коэффициентов передачи по току транзисторов b,

- неидентичность сопротивлений в цепи баз,

- неидентичность тепловых токов I_К⁰, протекающих через базу.

Это ведет к преобладанию второго члена в выражении (4.13).

Неидентичность входных характеристик выражается в неравенстве токов I₁₀ в уравнении I_Э = I₁₀(exp(U_БЭ/j_т) – 1), описывающем эмиттерно-базовые переходы транзисторов VT1 и VT2. Это значит, что для выравнивания токов в плечах каскада необходимо обеспечить неравенство напряжений U_БЭ1 и U_БЭ2, что обеспечивается подачей на вход каскада напряжения

DU_Э = U_БЭ1 – U_БЭ2. (4.15)

Это эквивалентно парафазному сигналу, поданному на вход схемы. Разбаланс токов коллектора, вызванный этой причиной, связан с DUэ соотношением

DI_К / I_К = DU_Э / j_т. (4.16)

Второй причиной разбаланса тока каскадов является различие коэффициентов усиления по току транзисторов: b₁ ¹ b₂. В этом случае даже при равенстве эмиттерных токов I _Э1 = I _Э2 токи их коллекторов так же, как и базовые токи, окажутся различными. Разность коллекторных токов ведет к разбалансу каскада. Разность базовых токов создает на сопротивлениях R_Б разбаланс входных напряжений DU_вx = DI_БR_Б, что эквивалентно входному парафазному сигналу и вызовет дополнительное изменение выходного напряжения DU_вых = DU_ВХK_{U ПАР}.

К аналогичному эффекту приведет неравенство сопротивлений источников сигнала в цепи баз R_Б1 ¹ R_Б2 (третья причина), что создает разбаланс входного сигнала DU_ВХ = DR_БI_Б даже при полной симметрии транзисторов. Для уменьшения влияния базового тока желательно, чтобы дифференциальные каскады и особенно входной каскад усилителя работали при малых токах, имели высо­кое b, а источник сигнала был низкоомным.