Дифференциальный каскад на полевых транзисторах

Оглавление

Введение 3
1. Описание и принцип работы 4
2 Дифференциальный каскад на полевых транзисторах 6
3 Генератор стабильного тока в дифференциальном усилителе 8
4 Дифференциальный каскад с дифференциально подключенной нагрузкой 10
Заключение 12
Список использованной литературы 13
Введение

Дифференциальные усилители являются основным типом современных усилителей постоянного тока, предназниченных для усиления постоянной составляющей в спектре сигнала. Поэтому они изготавливаются в виде интегральных микросхем широкого применения, а также входят как основные усилительные каскады в состав операционных усилителей.
Дифференциальный усилитель необходим в случаях, когда информацию несёт не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно «земли»), а разность напряжений между двумя точками. Характерным примером является резистивный датчик тока, включенный последовательно с исследуемой цепью. Следует использовать дифференциальные усилители всегда, когда возможно наличие синфазных помех в сигнале. Примерами таких сигналов являются цифровые сигналы, передаваемые по длинным кабелям, звуковые сигналы, радиочастотные сигналы, напряжения электрокардиограмм, сигналы считывания информации из магнитной памяти и многие другие.
1. Описание и принцип работыДифференциальный усилитель – это симметричный усилитель с двумя входами и двумя выходами, использующийся для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходное напряжение такого усилителя пропорционально только разности напряжений, приложенных к двум его входам, и не зависит от их абсолютной величины. На рис. 1 приведена принципиальная схема дифференциального усилителя [1].
Рис.1 Принципиальная схема дифференциального усилителя.
У идеального дифференциального усилителя коэффициент передачи разностного сигнала равен отношению разности напряжений на выходе к разности напряжений на входе определяется по формуле:
Ku=Uвых.12Uвх.1-Uвх.2 (1)
где Uвых.12=Uвх.1-Uвх.2– напряжение на зажимах симметричного выхода; Uвх.1 и Uвх.2– соответственно напряжения на первом и втором входах усилителя. Если выходное напряжение снимается с одного из несимметричных выходов, то при снятии напряжения с первого выхода коэффициент усиления разностного сигнала:
Ku1=∆Uвых.1Uвх.1-Uвх.2 (2)
где ∆Uвых.1– приращение напряжения на первом выходе, обязанное разности входных напряжения Uвх.1-Uвх.2.
Аналогично при снятии напряжения со второго выхода коэффициент усиления разностного сигнала:
Ku2=∆Uвых.2Uвх.1-Uвх.2 (3)
где ∆Uвых.2– приращение напряжения на первом выходе, обязанное разности входных напряжения Uвх.1-Uвх.2.
При симметрии схемы выполняются условия:
∆Uвых.2=-∆Uвых.1; ∆Uвых.2-∆Uвых.1=2∆Uвых.1 (4)
откуда
Ku1=-Ku2=Ku2 (5)
Однако реальный усилитель не обладает идеальной симметрией, в результате чего напряжение на выходе зависит не только от разности, но и от суммы входных сигналов. При этом сумма входных сигналов, поделённая на два, называется синфазным сигналом. Выходное напряжение реального усилителя будем считать равным:
Uвых.12=Ku∙Uвх.1-Uвх.2+Kс∙Uвх.1-Uвх.2/2 (6)
где КU – коэффициент усиления разностного напряжения, равный отношению приращения на выходе к разностному напряжению на входе при суммарном напряжении UВХ 1 UВХ 2 , равном нулю. Коэффициент КС называют коэффициентом передачи синфазного сигнала:
Kс=Uвых.12Uвх.1+Uвх.2/2 (7)
Этот коэффициент равен отношению напряжения на выходе к синфазному входному напряжению (UВХ1 + UВХ2)/2 при разностном напряжении на входе, равном нулю. Качество дифференциального усилителя (его приближение к идеальному) оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала, равным отношению коэффициентов передачи разностного и синфазного сигналов:
Kос.сф=Ku Kс (8)
У хороших дифференциальных усилителей коэффициент ослабления синфазного сигнала Kос.сф=104-106 , что составляет 80 – 120 дБ.
2 Дифференциальный каскад на полевых транзисторахДля многих областей применения необходим ДК с высоким входным сопротивлнием. Для этого можно было бы использовать биполярные транзисторы включенные по схеме Дарлингтона (схема с ОЭ). Но гораздо лучшие результаты могут быть достигнуты при использовании полевых транзисторов. Полевые транзисторы с изолированным затвором позволяют достигнуть входных сопротивлений порядка едениц и десятков гигаом. Но эти транзисторы обладают значительной емкостью и редко применяются в ДК. Транзисторы с p-n переходом гораздо дешевле проще в изготовлении, проще в управлении и обладают достаточно большим входным сопротивлением, входной ток значительно ниже чем у ДК на биполярных транзисторах. Но несмотря на это хуже стабильность выходного напряжения сдвига. Эти транзисторы очень часто применяются во входных каскадах опрерационных усилителей. Типовая схема ДК, выполненного на полевых транзисторах с p-n переходом, представлена на рис.2. Схемотехнически каскад реализован так же как и ДК на биполярных транзисторах [2].
Рис.2 Схема дифференциального каскада
Полевые транзисторы применяемые в ДК необходимо либо подбирать по параметрам с высокой точностью, либо использовать согласованные пары изготовленные в едином кристалле. Это связано с тем, что напряжение отсечки и ток насыщения зависят от разброса толщины канала намного больше, чем ток насыщения и коэффициент усиления по току для биполярного транзистора от толщины его базы. Важным недостатком ДК на полевых транзисторах является невозможность применения достаточно простой компенсации сдвига уровня и температурного коэффициента. Как правило требуется индивидуальная подгонка и применение прецизионных резисторов (в случае согласованной пары).
3 Генератор стабильного тока в дифференциальном усилителеДля повышения значения синфазного сигнала необходимо увеличивать сопротивление резистора R0 . Но непосредственное увеличение сопротивления этого резистора вызывает уменьшение коллекторных токов и соответственно ухудшение усилительных свойств каскада. В связи с этим в эмиттерную цепь целесообразно включить схему, называемую генератором стабильного тока (ГСТ).
Схема ГСТ способна создавать требуемые значения тока I0 при относительно невысоких напряжениях источника питания -Еп . В то же время она является высокоомным источником постоянного тока.
Основным функциональным звеном, обеспечивающим в ГСТ определенное стабильное значение выходного тока I0 и высокоомное сопротивление R0 , является выходная цепь транзистора VT3, включенного по схеме ОЭ (рис.3,а) или ОИ (рис.3,б). Выходное дифференциальное сопротивление R0 этих схем включения транзисторов велико и может достигать значения R0 =(1+g21 Rf )/g22 ≈g21 Rf /g22 .
Кроме того применение ГСТ позволяет работать ДК в широком диапазоне входных напряжений (даже близких к Еп ) при незначительном коэффициенте нелинейных искажений (практически отсутствуют). ГСТ на основе биполярного транзистора обладает большей стабильностью при изменении питающих напряжений, поэтому он болле предпочтителен, но использование полевого транзистора позволяет упростить схему [2].
4 Дифференциальный каскад с дифференциально подключенной нагрузкойРассмотренный выше ДК имел несимметричный выход, т.е сигнал снимался с коллектора одного из транзисторов относительно общего зажима. Часто работа схемы ДК организована таким образом, что в качестве выходного сигнала выступает разность потенциалов uаб между его выходными зажимами а и б, как показано на рис.4,а. Такой способ выделения выходных сигналов называется дифференциальным (ДК с симметричным выходом). При дифференциальном способе выделения сигналов ДК между коллекторами (стоками) его транзисторов оказывается подключенным дополнительный двухполюсник Rн, через который в случае ненулевого значения разности потенциалов uаб протекает ток iн =uаб /Rн .
Схема на рис.6,а характеризуется дифференциальным Кд =uаб /(uвх+ -uвх- ) и синфазным коэффициентом передачи Кс =uаб /[(uвх+ +uвх- )/2]. Кроме того коллекторные резисторы равны, т.е. Rk 1 =Rk 2 =Rk . При таком представлении ДК исходные значения потенциалов точек а и б одинаковы, разность потенциалов uаб равна нулю и через нагрузку ток не протекает.
Воздействие синфазного сигнала на входы ДК не вызывает нарушения симметрии плеч, т.е. равновеликого распределения тока между эмиттерными цепями транзисторов. Потенциалы точек а и б в ответ на воздействие синфазного сигнала могут претерпевать изменения, но эти изменения оказываются одинаковыми, в результате чего разность потенциалов uаб на нагрузке Rн и протекающий через нее ток по прежнему сохраняют нулевые значения. Таким образом, синфазная составляющая сигналов uвх+ и uвх- не оказывает влияния на значения выходного напряжения и тока [3].
Появление на входе ДК дифференциального сигнала uд вызывает ассиметрию в распределении тока между эмиттерными цепями транзисторов. При этом коллекторные потенциалы uа и uб транзисторов претерпевают одинаковые, но пртивофазные изменения, а потенциалы в точках в и г остаются неизменными. На рис.4,б представлена эквивалентная схема каскада, отражающая его работу на переменном токе в условиях, когда синфазная составляющая равна нулю. ПО схеме видно, что для дифференциального сигнала в роли эквивалентного сопротивления коллекторной нагрузки каждого плеча выступает параллельное соединение сопротивления Rk и Rн /2. В соответствии с этим изменения потенциалов в точках а и б могут быть вычислены по формуле uа =-uб =uд g21 Rэк /2, при этом
uаб =uа -uб =2uа =uд g21 Rэк;
iн =uаб /Rн =uд g21 Rэк /Rн;
где Rэкв =Rн Rк /(Rн +2Rк );
Заключение

Дифференциальный усилитель (ДУ) используется для усиления разности между двумя входными сигналами. Его можно рассматривать как аналоговую схему, состоящую из двух входов и одного выхода. Усилители, применяемые в различных электрических и электронных схемах для формирования сигналов и выполнения математических операций, называются операционными усилителями (ОУ). Они являются ключевыми компонентами электронного аналогового компьютера. Их изобретение в начале 1940-х привело к замене механических счетных устройств на тихую и быструю электронику. Многие аналоговые компьютеры опирались на вакуумные трубки, имеющихся в продаже у компании Джорджа Филбрика в 1952 году.
Список использованной литературы

1) П. Хоровиц, У. Хилл Исскуство схемотехники том1, 3-е издание, Москва «Мир» 1985.
2) Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергия, Ленингр. Отд-ние, 1980.-248 с., ил.
3) Достал И. Операционные усилители: Пер. с англ. – М.:Мир, 1982. – 512 с., ил.
4) А.С. Протопопов Усилители с обратной связью, дифференциальные и операционные усилители и их применение Сайнс-Пресс 2003
5) Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов – 2-е изд., исправ. - М.: Горячая линия – Телеком, 2001.-320с.: ил.
6) Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство Пер. с нем.-М.: Мир, 1982.-512 с., ил.