Диференціальний підсилювач

Типова балансна схема транзисторного ППС (підсилювача постійного струму) приведена на рис. 4.1. Дана схема по суті є мостом, плечима якого є резистори  і внутрішні опори транзисторів VT1 і VT2 (разом з відповідною частиною резистора  і резистором ). До однієї з діагоналей моста підведена напруга джерела живлення Е_к, а в іншу діагональ включений резистор навантаження , з якого знімається вихідна напруга. Резистори  і  входять в дільників напруги джерела живлення і служать для вибору початкового режиму роботи каскадів. У емітерний ланцюг кожного з транзисторів включені резистор  і відповідна частина резистора .

    Рис. 4.1 - Балансна схема ППС              

Рис. 4.2 - Амплітудна характеристика балансної схеми ППС

    Для нормальної роботи схеми вона повинна бути строго симетричною. В цьому випадку в початковому стані (до надходження вхідного сигналу) міст виявиться збалансованим, а напруга на його виході буде дорівнювати нулю. При повній симетрії плечей струми спокою обох транзисторів, а також їх відхилення у разі зміни режиму (наприклад, при зміні, напруга Е_к, зміні температури і т.п.) мають рівну величину. Потенціали колекторів при цьому також рівні або отримують однакові прирости напруги. Тому при однаковій дії дестабілізуючих чинників на обидва транзистори одночасно баланс моста не порушується і вихідна напруга не з'являється, тобто напруга дрейфу рівна нулю. Дія вхідної напруги будь-якої полярності приводить до розбалансування моста, оскільки на бази транзисторів подається напруга різних знаків. При цьому потенціали колекторів отримують однакові по абсолютній величині, але протилежні по знаку прирости, через опір навантаження проходить струм, що створює на  напругу , величина і полярність якого залежать тільки від величини і полярності вхідної напруги. Таким чином, амплітудна характеристика балансної схеми принципово не повинна відрізнятися від прямої лінії, що проходить через початок координат (рис. 4.2).

    У реальних балансних схемах завжди є деяка асиметрія. Тому напруга дрейфу на виході повністю не зникає. Проте дрейф нуля в балансних схемах визначається різницею струмів обох транзисторів і тому значно менше, ніж в звичайних схемах прямого посилення.

    Для забезпечення додаткової симетрії схеми і регулювання струмів транзисторів в режимі спокою використовується змінний резистор . Величина цього резистора невелика. Зазвичай . Що ж до резистора , то на ньому створюється падіння напруги за рахунок струмів емітера обох транзисторів , яке використовується як напруга негативного зворотного зв'язку в режимі спокою. Будь-які, що одночасно виникають, нестабільності струмів транзисторів (із-за впливу температури, джерела живлення і ін.) ослаблятимуться за рахунок глибокого від’ємного зворотного зв'язку.

    Разом з тим на резисторі  не створюється напруга зворотного зв'язку для струмів, що становлять  і , викликаних дією корисного сигналу. Це пояснюється тим, що струми емітерів обох транзисторів під впливом сигналу отримують рівні, але протилежні прирости , оскільки потенціали баз завжди протилежні один одному (коли на базу VT1 від джерела сигналу подається плюс, на базу VТ2 - мінус і навпаки). Отже, коефіцієнт посилення схеми не зменшується.

    Для підвищення стабільності роботи схеми резистор  повинен бути високоомним, проте це вимагає підвищення напруги джерела живлення. Тому величина  при заданому Е_к розраховується по формулі:

.                                    (4.1)

    Коефіцієнт посилення балансного каскаду рівний коефіцієнту посилення одного плеча схеми, навантаженого на опір:

.

причому .

Величина:

.                                  (4.2)

де:

.

    При побудові багатокаскадних схем ППС балансні каскади можна сполучати один з одним безпосереднім зв'язком. При цьому колектори попереднього каскаду з'єднуються з базами подальшого.

    В деяких випадках вихідний сигнал в балансному каскаді знімається з одного з колекторів, а вхідні сигнали поступають на бази обох транзисторів (рис. 4.3). Така схема має симетричний вхід і несиметричний вихід. Фаза вихідного сигналу співпадає з фазою сигналу  і протилежна фазі сигналу . Елементи схеми можна підібрати так, що вихідна напруга буде пропорційна різниці вхідної напруги і в ідеальному випадку не змінюватиметься, якщо напруга  і  отримують рівні прирости одного знаку. Такий підсилювальний каскад називають диференціальним. Диференціальний підсилювач характеризується коефіцієнтом посилення різниці вхідної напруги:

.                                 (4.3)

а також коефіцієнтом посилення середнього рівня вхідної напруги:

,                                      (4.4)

де К₁ і К₂ — коефіцієнти посилення по першому і другому входах.

    Для того, щоб підсилювач реагував тільки на різницю вхідної напруги, необхідне виконання нерівності .

     Диференціальний підсилювач — це симетричний підсилювач постійної напруги з двома входами і двома виходами. Основна схема його представлена на рис. 4.3. У загальний емітерний ланцюг включено джерело стабільного струму. Він забезпечує постійність суми емітерних струмів . За відсутності сигналу . В цьому випадку струм унаслідок симетрії рівномірно розподіляється між обома транзисторами Т₁ і Т₂. Тоді отримаємо:

.

Нехтуючи базовим струмом, знайдемо:

.

     Ці співвідношення не зміняться, якщо обидві вхідні напруги отримають прирости на одну і ту ж величину (синфазний сигнал). Оскільки в цьому режимі колекторні струми залишаються рівними один одному, постійна і різниця вихідної напруги, тобто коефіцієнт посилення синфазного сигналу рівний нулю.

Рис. 4.3 - Основна схема диференціального підсилювача

     Якщо , то змінюється розподіл струмів в диференціальному підсилювачі:  збільшується, а  зменшується. Їх сума при цьому залишається рівною . Тому:

.

     Таким чином, різниця вхідної напруги на відміну від синфазного управління викликає зміну вихідної напруги.

     Зміна напруги база — емітер, що відбувається під впливом температури, діє як синфазний сигнал і, отже, не впливає на роботу схеми. Тому диференціальний підсилювач добре пристосований до роботи як підсилювач постійного струму. Із-за малого дрейфу диференціальний підсилювач використовують також, коли потрібно підсилити не різницю напруги, а тільки вхідна напруга. В цьому випадку один з двох, входів має нульовий потенціал. При цьому  або  залежно від того, який вхід використаний.

     Для точного визначення коефіцієнта посилення по напрузі розкладемо вхідну напругу на дві частини — напруг синфазного сигналу , і диференціальна напруга :

 і .

     Звідси:

 і .

     Розглянемо спочатку випадок подачі диференціального сигналу, тобто виберемо:

.

     При цьому з міркувань симетрії зрозуміло, що емітерний потенціал залишиться постійним і рівним:

.

     Таким чином, обидва транзистори як би включено в схему із загальним емітером і забезпечують наступні коефіцієнти посилення по напрузі:

,                   (4.5)

.

     Отже, прирости колекторної напруги рівні, мають протилежні знаки і по величині удвічі менше ніж в схемі із загальним емітером, оскільки вхідна напруга рівномірно розподіляється між двома транзисторами.

     Щоб визначити коефіцієнт посилення синфазного сигналу, вважатимемо, що в емітерний ланцюг включено джерело з внутрішнім опором . Якщо до обох входів прикласти одну і ту ж напругу , то струм рівномірно розподілиться між обома транзисторами. При цьому вони працюють як два паралельно включених емітерних повторювачів з загальним емітерним опором . Тому емітерний потенціал змінюється на , а приріст струму дорівнює:

.

     Прирости колекторних струмів в два рази менше, причому кожне з них викликає на своєму колекторі синфазну зміну вихідної напруги:

.

    Звідси отримаємо коефіцієнт посилення синфазного сигналу:

.                            (4.6)

    Типове значення коефіцієнта посилення диференціального сигналу складає 50 ÷ 100, а синфазного — 10^-3. Параметром якості диференціального підсилювача є відношення коефіцієнта посилення диференціального сигналу до коефіцієнта посилення синфазного сигналу. Воно називається коефіцієнтом ослаблення синфазного сигналу:

.                                       (4.7)

    Унаслідок наявності паразитних ємностей колектор — база модуль коефіцієнта синфазного посилення збільшується із зростанням частоти і, отже, зменшується коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу. Гранична частота ослаблення синфазного сигналу набагато нижча, ніж для диференціального посилення, оскільки частотнозалежним опором в першому випадку є високоомний опір джерела струму, а в другому — порівняльний низькоомний колекторний опір . Типова частотна характеристика, представлена на рис. 4.4, забезпечує колекторний струм, рівний 1 мА. При менших струмах частотна характеристика розташовується нижче.

Рис. 4.4 - Частотна характеристика коефіцієнта диференціального посилення А_D і коефіцієнта ослаблення синфазного сигналу

Каскодний підсилювач.

Варіантом складеного транзистора є каскодний підсилювач, що є послідовним з'єднанням по змінному струму двох транзисторів (рис. 4.6). Вхідний транзистор Т1 включений по схемі з ОЕ, вихідний — по схемі з Про. Вихідний струм складеного транзистора

                      (4.8)

Тоді еквівалентний коефіцієнт посилення по струму .

Отже, коефіцієнт посилення емітерного струму при каскодному з'єднанні мало відрізняється від відповідного коефіцієнта посилення одного транзистора Т1. Вхідний опір каскодного підсилювача визначається вхідним опором транзистора Т1 і не залежить від опору навантаження; частота верхнього зрізу залежить від параметра транзистора Т1 і опори джерела сигналу.

Таким чином, каскодний підсилювач в порівнянні із звичайним підсилювальним каскадом по схемі з ОЕ не дає виграшу по коефіцієнту посилення і по вхідному і вихідному опорах. Проте він володіє важливою перевагою — слабким зв'язком між виходом і входом складеного транзистора. Наявність в звичайному транзисторі ємності  і опору  між колектором і базою приводить до появи ОС між його виходом і входом. За певних умов ОС може викликати самозбудження підсилювача; така ОС збільшує вхідну ємкість каскаду, а отже, погіршує його частотну характеристику.

Хороша розв'язка виходу і входу в каскодному підсилювачі пояснюється тим, що навантаженням транзистора Т1 є малий вхідний опір транзистора Т2, включеного по схемі з Про, тобто транзистор Т1 каскодного підсилювача працює практично в режимі короткого замикання колекторного ланцюга. При цьому коефіцієнт посилення по напрузі т транзистора Т1 малий, а отже, мало і напруга зворотного зв'язку з виходу транзистора на його вхід. З іншого боку. ємкість колекторного переходу  мало впливає на вхідну напругу Т2, оскільки база цього транзистора по високій частоті замкнута на загальну крапку. Все це ослабляє ОС між виходом і входом і тим самим підвищує стійкість підсилювача. Крім того, в каскодному підсилювачі нелінійні спотворення менші; чим в звичайному підсилювачі, зібраному по схемі з ОБ. Каскодний підсилювач знайшов широке застосування, особливо в резонансних каскадах.

Таким чином:

1. Комбінація з двох або більше транзисторів — складений транзистор — дозволяє отримати істотне збільшення коефіцієнта посилення по струму. Так, пара Дарлінгтона при включенні її по схемі з ЗЕ має коефіцієнт посилення по струму, приблизно рівний твору коефіцієнтів посилення по струму транзисторів, що становлять.

2. Каскодний підсилювач, що є послідовним включенням по змінному струму двох транзисторів, має слабкий зворотний зв'язок між виходом і входом, що істотно підвищує стійкість підсилювача.

Рис. 4.5

Рис. 4.6