Принцип расчета дифференциального каскада.

 

   Для уменьшения дрейфа в УПТ применяют дифференциальную схему (рис. 2), называе­мую также дифференциальным усилителем (ДУ). ДУ обеспечи­вает высокое усиление дифференциального входного сигнала Uвх.д , приложенного между входами каскада, и практически не усиливает (при большом значении Rэ) синфазный сигнал, оди­наковый на обоих входах. Как известно, в ДУ для подавления синфазного сигнала Uвх.сф используется принцип уравновешенного моста. Резисторы Rк1=Rк2=Rк, и транзисторы Т1, Т2, параметры которых должны быть идентичными, образуют пле­чи моста. В одну диагональ моста включено напряжение питания Ек1+Ек2, с другой диагонали снимается выходное на­пряжение. В случае идеальной симметрии моста одинаковое и одновременное изменение токов и напряжений транзисторов не приводит к появлению выходного напряжения. На этом принципе основаны подавление Uвх.сф, компенсация влияния не­стабильности источника питания или температуры.

рис.2

 

Для дифференциального сигнала, подаваемого симметрично на вход ДУ (средняя точка генератора Uвх.сф заземлена), ДУ пред­ставляет собой два каскада ОЭ, объединенных общим эмиттерным резистором Rэ. Так как при приложении сигнала между входами токи транзисторов Т1 и Т2 меняются в проти­воположном направлении, через резистор Rэ протекает по­стоянный по значению ток

 

если

   Следовательно, резистор Rэ, не влияет на усиление дифферен­циального сигнала.

 

   Эквивалентная схема половины ДУ для случая усиления Uвх.д изображена на рис. 3. Здесь на вход подается половина усиливаемого сигнала, а с выхода снимается половина выход­ного напряжения. Из эквивалентной схемы можно получить ос­новные расчетные соотношения для ДУ. Коэффициент уси­ления дифференциального входного сигнала

рис.3

 

       (1)

 

 

   Здесь Rвх.пл - входное сопротивление половины ДУ (плеча схемы), являющееся входным сопротивлением каскада ОЭ, рав­ное:

 

 Rвх.пл = r6 + (rэ + Rэ') (βэ + 1)

 

   Дифференциальное входное со­противление ДУ, измеренное между входами транзисторов T1 и Т2,

 

 

   Выходное сопротивление одной половины ДУ  и дифференциальное выходное сопротивление ДУ, измеренное между коллекторами транзисторов Т1 и T2, Rвых.д = 2Rк. Коэф­фициент усиления по току

 

 

   При подаче синфазного входного сигнала потенциалы баз и коллекторов транзисторов ДУ меняются одинаково, вслед­ствие чего в идеально сбалансированной схеме напряжение Uвых, снимаемое между коллекторами транзисторов, равно ну­лю. При разбалансе схемы, что всегда имеет место в реальных ДУ, между коллекторами транзисторов (симметричный выход) появляется напряжение, равное:

(2)

где — возможный разбаланс парамет­ров схемы ДУ.

   Для уменьшения напряжения  необходимо увеличи­вать величину сопротивления резистора Rэ, что достигается включением в общую эмиттерную цепь транзисторов Т1 и Т2 каскада на транзисторе Т3, выходное сопротивление которого рис.3 увеличено за счет введения местной отрицательной обратной связи (ООС) через резистор R3. Коллекторный ток транзи­стора T3 задается делителем в цепи базы с термокомпенсирующим диодом Д. Цепь, включенная в общей эмиттерной цепи транзисторов Т1, Т2, получила название генератора стабильно­го тока (ГСТ). Коэффициент усиления KUд схемы по рис. 4 практически не зависит от способа включения Uвх.д, т. е. КUд один и тот же как при симметричной подаче сигнала (средняя точка Uвх.д за­землена), так и при несимметричной (сигнал подан на один из входов ДУ, а второй вход заземлен). В ДУ с ГСТ сопротивле­ние резистора Rэ, в формулах (2) - (5) должно быть заменено дифференциальным выходным сопротивлением каскада на транзисторе Т3, подсчитанным с учетом местной отрицатель­ной обратной связи, а именно:

 

                          (3)

 

,где

рис. 4

 

   Для перехода от симметричного сигнала к несимметрично­му используется несимметричный выход ДУ. В простейшем ви­де напряжение Uвых при этом снимается с одного из коллекто­ров транзисторов относительно земли.

   Легко видеть, что выходное напряжение при несимметрич­ном выходе, вызванное подачей на вход дифференциального сигнала, уменьшается в два раза по сравнению с его значением при симметричном выходе. Недостатком несимметричного вы­хода является большее выходное напряжение , возни­кающее при подаче синфазного сигнала.

   Для определения  изобразим схему ДУ при подаче синфазного сигнала, как показано на рис. 4. Здесь коллекторы и базы транзисторов Т1, Т2 объединены, поскольку потен­циалы их всегда одинаковы.

   Из схемы рис. 4 можно получить выражение для

 

    (4)

 

откуда

  

 

   Отношение коэффициентов усиления дифференциального сигнала к синфазному, являющееся важнейшим показателем ДУ, называют коэффициентом ослабления синфазного сигнала Кос.сф.

 

   Для симметричного выхода:

   Для несимметричного выхода из выражений (1) и (4) по­лучим (без учета Rн)

       

 

   Таким образом, в случае симметричного выхода синфазный сигнал подавляется в значительно большей степени.

 

   Погрешность функционирования ДУ возникает вследствие разбаланса параметров двух половин схемы. В идеально сим­метричном ДУ при отсутствии входного сигнала Uвых = 0. В реальной схеме из-за различия параметров (токов коллектора и тепловых токов переходов, резисторов коллекторной цепи) выходное напряжение отлично от нуля. Для установки нуля на выходе необходимо на вход подать некоторое напряжение, на­зываемое напряжением смещения нуля Uсм. Это напряжение можно определить при Iк1Rк1 =Iк2Rк2 как разность напряжений на эмиттерных переходах, а именно Uсм = Uэб01 - Uэб02. Зависи­мость напряжения смещения от температуры, т. е. дрейф на­пряжения смещения, приведенный ко входу усилителя, опреде­ляется следующим образом:

 

  

 

   Следовательно, величина дрейфа напряжения в ДУ прямо про­порциональна напряжению смещения нуля. При комнатной температуре дрейф составляет приблизи­тельно 3 мкВ/˚C на 1 мВ напряжения смещения.

   В интегральных схемах ДУ напряжение смещения нуля не­велико вследствие идентичности технологических процессов и тепловых режимов транзисторов. Обычные значения Uсм = 1 ... 5 мВ. В этих случаях UдрвхДУ составляет 3-15 мкВ/˚С, что на 2-3 порядка меньше, чем в небалансной схеме (2,2 мВ/С).

 

   Дополнительная составляющая дрейфа в ДУ возникает за счет не идентичности входных токов транзисторов Т1 и Т2, уси­лителя и их изменения с температурой. При одинаковых сопро­тивлениях во входных цепях ДУ токовая составляющая по­грешности определяется разностью токов покоя баз транзисторов Т1 и Т2. С учетом последнего э. д. с. дрейфа в ДУ, приведенная ко входу,

 

 

   Здесь  - дрейф разности входных токов транзисторов Т1, Т2, равный blб0разн, где b = -0,005 1/°С.

Очевидно, что токовая составляющая влияет тем меньше, чем меньше RГ, R’Э, и Iб0. Поэтому входные каскады ДУ обычно работают с малыми токами.

Выбор транзисторов.

 

Для обеспечения малого дрейфа ДУ выбираем транзистор КТ312Б, имеющий малый тепловой ток и небольшой коэффициент β.

 

     Входная характеристика:     Выходная характеристика:

 

 

Размеры транзистора КТ312Б:

 

Характеристика прямой передачи:

 

6. Расчет оконечного каскада с общим эмиттером.