На головну

Підсилювальний диференційний каскад

  1.  Автоматизовані каскадні електроприводи змінного струму.
  2.  Базові підсилювальні каскади на польових транзисторах.
  3.  Безтрансформаторні вихідні каскади
  4.  В) диференційний манометр
  5.  Вхідний диференціальний каскад
  6.  Вихідний каскад з трьома стійкими станами
  7.  Двотактні вихідні каскади

Підсилювальний диференційний каскад (ДК) призначений для посилення різниці двох напруг. В ідеальних ДК вихідна напруга пропорційно тільки різниці вхідних напруг, прикладених до двох його входах, і не залежить від їх абсолютної величини.

Принципова схема базового ДК показана на рис. 10.12, а. У ідеального ДК ідентичними (однаковими) вважаються елементи в обох його плечах: транзистори и  , резистори и  в колекторних ланцюгах, а резистор  є загальним для обох плечей. Кожне плече є каскадом з ОЕ. Диференціальний каскад є реальним втіленням принципу узгодження ланцюгів (див. § 10.1.1).

Харчування ДК здійснюється від двох джерел, напруги яких рівні (по модулю) Е. Таким чином, сумарна напруга живлення ДК становить 2 Е. Використання двох джерел живлення дозволяє підтримувати потенціали емітерів и  близькими до потенціалу загальної шини (землі). Це, в свою чергу, дозволяє підводити на входи ДК сигнали від заземлених джерел (без застосування компенсуючих ланцюгів).

Схема на рис. 10.12, а характерна тим, що в ній є взаємно симетричні точки: бази транзисторів, емітери транзисторів і колектори транзисторів. Сигнали, рівні по амплітуді (величиною) і однакові за знаком, що діють у взаємно симетричних точках, будемо називати синфазними. Сигнали ж, рівні по амплітуді (величиною), але протилежні за знаком, що діють у взаємно симетричних точках, логічно називати парафазним[1] сигналами, Проте зазвичай застосовують менш вдале название- диференціальні сигнали.

Довільні сигнали, що діють в кожній парі взаємно симетричних точок, можна представити у вигляді суми синфазного  і парафазного  (Рис. 10.12, б). Наприклад, для сигналів на входах (базах) транзисторів и и и  можна записати

 (10.22)

Звідки випливає і спосіб визначення цих складових:

 (10.23)

Останнє знайшло відображення на рис. 10.13. Подання у вигляді двох складових полегшує розрахунок ДК.

Як зазначалося, призначення ДК полягає в посиленні різниці вхідних сигналів, т. Е.

 (10.24)

Але відповідно до (10.22)

 (10.25)

Таким чином, розгляд посилення різницевого вхідного сигналу зводиться до розгляду посилення парафазні складової вхідних сигналів. Якщо на вході  позитивне, то на вході  воно негативне, а їх різниця якраз і складе .

Різницевий вхідний сигнал  (10.25) створює в ідеально симетричному ДК між взаємно симетричними точками колекторів и и  , Так що вихідна різницева напруга між колекторами

 (10.26)

де за визначенням (10.22) и  , Можна також представити синфазной і парафазні складовими:

 (10.27)

Тому різницевий (або диференційний) сигнал на виході (в діагоналі моста між колекторами) подібно (10.25)

 (10.28)

Назвемо коефіцієнтом посилення ДК ставлення різницевих сигналів на виході і вході:

 (10.29)

Використовуючи (10.28) і (10.27), зведемо (10.29) до виду

 (10.29а)

т. е. коефіцієнт посилення різницевого сигналу збігається з коефіцієнтом посилення парафазного сигналу в кожному плечі, якщо вони ідентичні. З урахуванням (10.29)

 (10.29б)

Цей вислів показує, що вихідний різницевий сигнал не залежить від величини синфазного сигналу (останній не ввійшов в формулу). Ця незалежність від синфазного сигналу вийшла тому, що передбачалася ідентичність (рівність) параметрів симетричних елементів ДК: транзисторів и  , резисторів и  та ін. Дійсно, при такому припущенні забезпечується точний баланс моста і різниця потенціалів між колекторами при відсутності разностного сигналу на вході обов'язково дорівнює нулю, так як потенціали колекторів и  при наявності синфазного сигналу (однакового за величиною і знаку) будуть збільшуватися або зменшуватися на одну і ту ж величину. Аналогічно, не буде з'являтися різниця потенціалів в разі можливої ??нестабільності напруги джерел живлення, т. Е. Буде спостерігатися так званий дрейф нуля.

Однак реально симетрію можна забезпечити не краще 2 ... 4%. Це призводить до появи в різницевої вихідному сигналі помилкового сигналу (помилки), викликаного синфазним сигналом. Слід додати, що синфазних сигнал на вході може значно перевищувати парафазні сигнал. Якби коефіцієнти посилення синфазного і парафазного сигналів були однакові, то це могло привести на виході до перевищення помилкового сигналу над невеликим корисним сигналом, викликаним парафазним сигналом на вході. Таким чином, для боротьби з цим явищем після вжиття заходів щодо симетрування залишається тільки один шлях - сильне зменшення коефіцієнта посилення для синфазного вхідного сигналу кожним плечем ДК порівняно з коефіцієнтом посилення парафазного сигналу. Це досягається в схемі на рис. 10.12 включенням в загальну емітерний ланцюг и  великого опору  , Яке, як кажуть, викликає сильну негативну зворотний зв'язок в ДК. Пояснимо якісно роль .

Введемо коефіцієнт посилення синфазного сигналу в кожному плечі (в ідеальному ДК вони рівні):

 (10.30)

Значення його може бути обчислено за звичайною формулою (10.5) для найпростішого підсилювача. Але в ДК  є загальним опором емітерний ланцюгів и . Схему ДК для синфазного сигналу можна розбити на дві схеми, як показано на рис. 10.13, а, в кожну схему необхідно включити . Тому замість  в (10.5) треба ставити  , Т. Е.

 (10.31)

при  = 5 кОм,  = 1 МОм  10-3.

У ДК опір  на кілька порядків більше, ніж в звичайному усилительном каскаді, де воно використовується для температурної компенсації. Тому і коефіцієнт посилення синфазного сигналу для плеча ДК  , Т. Е. Правильніше говорити не про коефіцієнт посилення, а про коефіцієнт передачі синфазного сигналу або про його придушенні. Таким чином, завдання ослаблення синфазного сигналу вирішується в кожному плечі ідеального ДК. При повній симетрії різницю двох сильно ослаблених в кожному плечі сигналів буде дорівнює нулю. При несиметрії повинна з'явитися деяка різниця, викликана синфазним сигналом. У разі неоднаковості плечей коефіцієнти посилення синфазного сигналу в плечах будуть різними через відмінності в значеннях коефіцієнта передачі транзисторів  і опорів  . Приймемо для оцінки, що відхилення и  для транзисторів однакові, але відрізняються знаками (більш несприятливий випадок), так що , , ,  . Тоді різниця в коефіцієнтах передачі синфазного сигналу плечей при нехтуванні малими величинами другого порядку

 (10.32)

де  характеризує ступінь асиметрії. Використовуючи (10.32), можна знайти на виході різницевий сигнал помилки, зобов'язаний синфазному сигналу на вході :

 (10.33)

де  можна назвати коефіцієнтом перетворення синфазного сигналу в різницевий сигнал на виході (сигнал помилки). З урахуванням (10.32)

 (10.34)

У нашому прикладі  = 5 кОм,  = 1 МОм. тоді при  = 0,04  = 2 · 10-4.

Таким чином, різницевий сигнал на виході з урахуванням напруги помилки (10.33)  . Використовуючи (10.29 б) і (10.33), можна написати

 (10.35)

Для знаходження залежності коефіцієнта  , Що визначається виразом (10.29а), з параметрами схеми можна скористатися еквівалентною схемою посилення парафазного сигналу в одному плечі (рис. 10.13, б) і точною формулою (10.4) для коефіцієнта посилення найпростішого каскаду. Пояснимо походження еквівалентної схеми. Якщо при парафазні сигналі потенціал бази  , Наприклад, зростає, то потенціал бази  повинен спадати на одну і ту ж величину  . Отже, струм  транзистора  зростає, а струм  зменшується на одну і ту ж величину  . Тому результуючий струм через загальний опір  залишиться колишнім (вихідним) і потенціал загальної точки емітерний ланцюгів (верхня точка резистора  ) не зміниться. Іншими словами, зміни струму плечей не викликають зміни падіння напруги на  , Т. Е. Загальну емітерний ланцюг можна вважати для сигналу еквівалентної короткого замикання, вважаючи для розрахунку коефіцієнта передачі парафазного сигналу (10.29а) у кожному плечі = 0. Таким чином, можна скористатися формулою (10.4), вважаючи в ній = 0, Але з огляду на обов'язково диференціальне опір  . Беручи для оцінок  , отримуємо

 (10.36)

Використовуючи дані в нашому прикладі  = 5 кОм,  = 50 Ом, отримуємо  = -100. Це більш високе значення, ніж в простому підсилювачі без опору  , Що сприяє збільшенню корисного першого доданка в (10.35).

Напруга помилки (10.33) необхідно порівнювати з корисним вихідним різницевим напругою (10.28), створюваним вхідним різницевим сигналом .

Для об'єктивної оцінки властивостей різних підсилювачів недостатньо знати абсолютну помилку  на виході в (10.35). У паспортних даних наводиться коефіцієнт ослаблення синфазних вхідних напруг  . Він визначається як відношення синфазного вхідного напруги до перерахованим на вхід каскаду напрузі помилки:

 (10.37)

де  - Коефіцієнт посилення (10.29):

 (10.38)

Використовуючи (10.33), одержуємо

 (10.39)

Підставивши (10.34) і (10.36) в (10.39), знайдемо зв'язок коефіцієнта ослаблення синфазного сигналу з параметрами ДК:

 (10.40)

Якщо симетрія ідеальна (  = 0), то  . У нашому прикладі при  = 1 МОм,  = 50 Ом і  = 0,04 = 5 · 105 (Приблизно 57 дБ), т. Е. Досить великий.



 повторювачі напруги |  Джерела стабільного струму

 Підсилювальні каскади ІС |  Каскади зсуву потенційних рівнів |  Операційний посилювач |  Діапазон зміни синфазних вхідних напруг ...... ± 10В |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати