Балансный (дифференциальный) усилительный каскад

ВОПРОС №2

Существенного уменьшения величины дрейфа нуля можно добиться использованием балансных схем, выходная цепь которых представляет собой схему сбалансированного моста, к одной диагонали которого подводится питание, а с другой диагонали снимается выходное напряжение (рис.8.4). Два одинаковых транзистора VT₁ и VT₂ и два одинаковых резистора R₃, R₄ образуют мост. К вертикальной диагонали подводится напряжение источника питания E_К, а усиленное выходное напряжение снимается с горизонтальной диагонали моста. При полной идентичности транзисторов и резисторов изменение питающего напряжения, а также влияние других факторов, не приведут к появлению дрейфа нуля, так как вызовут одинаковое изменение выходных коллекторных токов транзисторов. При этом коллекторные токи будут направлены навстречу друг другу и взаимно компенсируются. Баланс моста при этом не нарушается.

Балансная схема УПТ (рис.8.4) построена по принципу четырехплечного моста (рис.8.5). Так, к одной диагонали моста подводится питание E_К, с другой снимается напряжение U_ВЫХ. При этом мост считается сбалансированным, если выполняется условие

. (8.3)

В этом случае при изменении питающего напряжения E_К баланс схемы не нарушается и в нагрузочном резисторе R_Н ток будет равен нулю. В то же время при пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R₁, R₂, R₃ и R₄ баланс моста не нарушается.

С помощью балансной схемы напряжение дрейфа нуля уменьшается в десятки раз по сравнению с обычным каскадом УПТ. Если же в схеме (рис.8.5) резисторы R₂, R₃ заменить транзисторами, то получится дифференциальный усилительный каскад.

+E_K

 

 

R₃ R₁

R_Н

R_Э1

U_ВЫХ

 

R₄ R₂

 

 

U_ВХ U_ВЫХ

U_ВХ R_Э2

 

Рис.8.4. Балансная (мостовая) схема УПТ Рис.8.5. Эквивалентная схема балансного каскада

 

Наиболее распространенным и употребительным является дифференциальный усилительный каскад (ДУК), который имеет два входа, симметричных относительно общего провода (рис.8.6).

U_ВЫХ1 U_ВЫХ2

 

 

U_ВХ1 U_ВХ2

 

 

I_Э

R_Э

 

Рис.8.6. Дифференциальный усилительный каскад

 

Свое название ДУК получил потому, что он усиливает не абсолютные значения входных напряжений U_ВХ1 и U_ВХ2, а их разность

, (8.4)

где К_U – коэффициент усиления ДУК,

U_ВХ1 – входное напряжение первого плеча,

U_ВХ2 – входное напряжение второго плеча,

U_ВЫХ1 – выходное напряжение первого плеча,

U_ВЫХ2 – выходное напряжение второго плеча.

Далее рассмотрен принцип работы ДУК. При анализе работы ДУК обычно пользуются понятием синфазного и противофазного (дифференциального) входного сигнала. Если на базы транзисторов VT₁ и VT₂ поступает одинаковый по величине и фазе сигнал, то его называют синфазным. Физической природой синфазного сигнала являются паразитные наводки, старение деталей, флуктуация питающих напряжений, влияние температуры – дрейф нуля.

Если фазы колебаний на базах отличаются на 180⁰, то сигнал считается дифференциальным. Под дифференциальным сигналом понимается полезный сигнал, который необходимо усилить.

При анализе работы ДУК при прохождении синфазного и противофазного сигнала учитывается равенство:

– номиналов резисторов Rк₁ = Rк₂,

– номиналов резисторов R₁ = R₂,

– параметров транзисторов VT₁ и VT₂.

Подача синфазного выходного сигнала вызовет одинаковые по абсолютной величине и знаку приращения эмиттерных и коллекторных токов транзисторов VT₁ и VT₂. В результате, потенциалы коллекторов VT₁ и VT₂ изменятся на одинаковую величину (Uк₁ = Uк₂ = Uвых₁ = Uвых₂), а разность между ними не изменится. Это означает, что выходное напряжение каскада останется равным нулю, как и в исходном состоянии

, (8.5)

где К_Ucc – коэффициент усиления синфазного сигнала.

Иначе говоря, каскад «не реагирует» (по выходу) на синфазный сигнал.

В то же время одинаковые приращения эмиттерных токов (Iэ₁ =Iэ2) транзисторов VT₁ и VT₂ вызовут на резисторе Rэ приращение напряжения, которое является напряжением ООС. Появление ООС приводит к уменьшению потенциалов коллекторов Uк₁=Uвых₁, Uк₂=Uвых₂ транзисторов VT₁ и VT₂ и подавлению синфазного сигнала (СС). Подавление СС будет тем сильнее, чем больше величина резистора Rэ. При прохождении дифференциального сигнала (ДС) токи каждого из транзисторов получат одинаковые по абсолютной величине, но разные по знаку, приращения

.

Коэффициент усиления дифференциального сигнала будет определяться следующим выражением:

. (8.6)

Изменение напряжения на резисторе R_Э, при прохождении ДС не произойдет, так как ток, протекающий через резистор R_Э и равный сумме эмиттерных токов I_Э=I_Э1+I_Э2 транзисторов VT₁ и VT₂, не изменится.

Таким образом, схема ДУК усиливает дифференциальный сигнал и ослабляет синфазный сигнал. Следовательно, ДУК является устойчивой схемой по отношению к внешним воздействиям, в том числе и помехам, а также к флуктуациям питающего напряжения.

В работе ДУК особое внимание уделяется выбору значения сопротивления резистора R_Э:

1) сопротивление R_Э должно быть как можно большим, так как в этом случае создается глубокая ООС для синфазной составляющей сигнала;

2) сопротивление R_Э должно быть малым для дифференциальной (полезной) составляющей входного сигнала;

3) сопротивление R_Э для постоянной составляющей тока эмиттера I_Э должно быть намного меньше сопротивления переменной составляющей тока эмиттера.

Это необходимо для повышения КПД схемы: при отсутствии сигнала на входе схемы постоянная составляющая тока эмиттера I_Э, протекая через малое сопротивление R_Э, будет расходовать меньшую мощность. Таким образом, общая затраченная мощность уменьшается, а КПД увеличивается.

Как видно, требования к выбору R_Э противоречивы, но их можно удовлетворить, используя в качестве сопротивления R_Э динамическую нагрузку, сопротивление которой будет изменяться в зависимости от вида усиливаемого сигнала.

Выводы по 2-му вопросу:

1. Одним из способов уменьшения дрейфа нуля является использование балансных схем. Более совершенной является схема ДУК, который усиливает разность двух входных сигналов.

2. Для реализации противоречивых требований, предъявляемых к схеме ДУК, необходимо использовать генератор стабильного тока.