Разновидности дифференциальных усилителей

В большинстве практических случаев ДУ используется как входной каскад многокаскадных усилительных ИС. Поэтому при разработке ДУ стремятся реализовать в нем значительное входное сопротивление для дифференциального сигнала. Одной из разно­видностей таких устройств является ДУ на составных транзис­торах, принципиальная схема которого приведена на рис. 14. Здесь ИСТ изображен символически.

Отметим, что составной транзистор позволяет получить большой коэффициент усиления по току. При равенстве параметров транзисторов в плече ДУ его R_вхпл может быть рассчитано по формуле R_вх = β²R_э, где вместо R, следует подставить сопротивление эмиттерного перехода r _э, транзистора ТЗ (или Т4). Для получения больших R_вхпл целесообразно использовать ДУ в режиме малых токов (в микрорежиме), что будет приводить к возрастанию r _э. Кроме того, желательно применять транзисторы с высокими значениями β. Для ДУ с большими входными сопротивлениями в качестве транзисторов Т1 и Т2 целесообразно использовать супербета транзисторы. Например, супербета транзисторы используются во входном каскаде операционного усилителя серии 140УД6.

Другой разновидностью ДУ с повышенным входным сопро­тивлением является усилитель на полевых транзисторах. На рис. 15 приведена принципиальная схема одного из вариантов ДУ на МДП-транзисторах. Здесь использованы МДП-транзисторы с и-каналом, который может быть и встроенным, и индуцирован­ным. Подложки МДП-транзисторов могут быть соединены со своими истоками или с общей шиной.

Рис.14

Рис. 15

В рассматриваемом ДУ МДП-транзисторы Т1 и Т2 выполняют свои основные усилительные функ­ции активных элементов, а ТЗ и Т4 — функции резисторов. Такой ДУ иногда называют усилителем с динамической нагрузкой.

Рис. 16

Коэффициент усиления по на­пряжению для дифференциального сигнала определяется отношением ширин каналов МДП-транзисторов рис. 16 Т1 и ТЗ (или Т2 и Т4). Тех­нологически это отношение сделать большим очень трудно, поэтому в реальных структурах К_{и диф} обычно не превышает 10. И КООС у таких ДУ тоже меньше, чем у ДУ на биполярных транзисторах. Однако входные сопротивления велики как для дифференциального, так и для синфазного сигналов (более 10¹⁰ Ом). В ДУ на МДП-транзисторах обычно   R_{вх пл} определяется утечками структуры. Для получения ДУ с очень большими входными сопротивлениями и с хорошими другими параметрами целесообразно использовать усилитель рис. 14, в котором транзисторы Т1 и Т2 являются МДП-транзисторами.

В ИС широкое распространение получили замены резисторов транзисторами, которые, являются наиболее предпочтительными элементами для ИС. Пример такой замены приведен с помощью рис. 15. Однако не только МДП - транзисторы, но и биполярные широко используются в усилительных ИС (в частности, в ДУ) вместо резисторов R_K, т. е. выполняют в усилителях функцию динамических нагрузок.

На рис. 16 приведена принципиальная схема одного из вариантов ДУ с динамической нагрузкой. Этот ДУ выполнен на комплементарных транзисторах: п-р-п транзисторах Т1, Т2 и р-п-р транзисторах ТЗ и Т4. Транзисторы Т1 и Т2 выполняют свои обычные функции усилительных элементов, а транзисторы ТЗ и Т4 — нагрузочных элементов, т. е. резисторов. Транзистор ТЗ включен по схеме диода. Предположим, что на базу у транзистора Т1 приложена в рассматриваемый момент положительная полуволна U_вх1. В результате в цепи транзистора ТЗ возникает приращение тока ∆ I _к1 протекающего в направлении, указанном стрелкой на рис. 16. За счет этого тока возникает приращение напряжения между базой и эмиттером ТЗ, которое является приращением входного напряжения для транзистора Т4. Таким образом в цепи эмиттер—коллектор Т4 возникает приращение тока, практически равное ∆ I _к1, поскольку в ДУ плечи симметричны. Структуру, основой которой являются тран­зисторы ТЗ и Т4, принято называть отражателем тока, или токовым зеркалом. Отражатели тока находят широкое применение в современных ИС непрерывного дей­ствия.

Итак, в рассматриваемый момент на базу транзистора Т2 приложена отрицательная полуволна U _вх2. Следовательно, в цепи его коллектора появилось отрицательное приращение тока ∆ I _к2 протекающего в направлении, указанном стрелкой на рис. 16. При этом приращение тока нагрузки для ДУ равно ∆ I _к1 + ∆ I _к2, т. е. ДУ с отражателем тока обеспечивает большее усиление дифференциального сигнала. В данном случае К_{и диф} = β R _н /(R_г + R_вх). Необходимо также отметить, что для рассматриваемого варианта ДУ в режиме покоя ток нагрузки равен нулю.

В многокаскадных УПТ R _Н является входным сопротивлением последующего каскада, величина которого, как было показано выше, может быть очень большой. Таким образом, ДУ с от­ражателем тока является усилителем с большим К _{и диф} и, естественно, обладает всеми преимуществами дифференциальных усилителей.

 

ТОЧНОСТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Для ряда практических применений ДУ предъявляются довольно жесткие требования к величинам точностных параметров. К точностным параметрам относятся паразитные напряжения и токи, имеющие место в режиме покоя, но оказывающие влияние на качество усиления рабочего сигнала. Сразу подчеркнем, что точностные параметры либо обусловлены, либо проявляются через асимметрию плеч ДУ. В идеальном ДУ (с идентичными плечами) погрешности, проявляемые через точностные параметры, отсутствуют. В реальном ДУ за счет асимметрии плеч на выходе устройства всегда присутствует разбаланс коллекторных потенциалов транзисторов Т1 и Т2, т. е. присутствует паразитное напряжение между выходами ДУ. Для сведения к нулю этого паразитного напряжения на вход (плеча) ДУ необходимо подать компенсирующий сигнал. Напряжение этого сигнала называется напряжением смещения нуля U _см. Оно представляет собой кажущийся входной дифференциальный сигнал.

Напряжение U _см представляет собой функцию нескольких параметров, вернее разброса параметров элементов схемы. Так, часть напряжения смещения нуля U ’_см порождается разбросом величин обратных токов эмиттерных переходов транзисторов I _эбо1 и I _эбо2, а другая часть U ”_см — разбросом номиналов резисторов R _к1 и R _к1. Для этих напряжений можно записать:

Отметим, что и разброс других параметров элементов схемы может некоторым образом повлиять на общую величину U _см, но, как правило, это влияние менее существенно. Следует иметь в виду, что U _см зависит от температуры. Эта зависимость обычно представляется самостоятельным точностным параметром — температурной чувствительностью. Температурная чувствительность d U _см / dT обычно имеет размерность мкВ/град. Для основной части напряжения смещения, возникающей за счет разбаланса токов эмиттеров, температурную чувствительность можно представить как разность ТКН эмиттерных переходов транзисторов Т1 и Т2. Отметим, что обычно температурная чувствительность уменьшается пропорционально уменьшению ве­личины U _см. Еще одним точностным параметром ДУ является ток смещения ∆ I вх, представляющий собой разбаланс (разность) входных токов (токов баз транзисторов). В реальном ДУ ∆ I вх можно представить через значения токов эмиттеров I _э01,   I _э02 коэффициентов усиления транзисторов по току В₁ и B ₂. в следующем виде:

Наиболее неблагоприятный случай будет иметь место, когда I _э01 > I _э02  и          В₁ < B ₂. Из (11) следует, что ток смещения уменьшается при снижении рабочих токов ДУ и увеличении коэффициентов В.

Протекая через сопротивление источника сигнала, ток смещения создает на нем падение напряжения ∆ I вх Rr, действие которого равносильно ложному дифференциальному сигналу. Поэтому естественным представляются усилия, направленные на снижение ∆ I вх  в ДУ.

Средний входной ток I вхср также является точностным пара­метром ДУ. Его можно представить как

"Из (12) слeдyет, что для уменьшения I вхср и ∆ I вх следует принимать одни и те же меры. Отметим, что средний входной ток значительно больше тока смещения.

Протекая через R _r средний входной ток создает на нем падение напряжения, действующее как синфазный входной сигнал. Хотя и ослабленное в К_исф, раз это напряжение все же вызовет на выходе ДУ разбаланс потенциалов.

Оба точностных тока представляются и через свои темпера­турные чувствительности. Из (11) и (12) видно, что влияние температуры, прежде всего, проявляется через изменение коэф­фициентов усиления В. Обычно уменьшение температурных зависимостей для I вхср и ∆ I вх достигают за счет снижения самих точностных токов.

Поскольку в ДУ на МДП-транзисторах велико входное сопротивление, то входные токи оказываются пренебрежимо малы. Таким образом, ни сами токовые точностные параметры, ни их температурный дрейф не являются ограничивающими факторами для таких ДУ. Однако U _см в ДУ на МДП- транзисторах имеет большую величину, чем в ДУ на биполярных транзисторах. Поэтому ошибки в работе ДУ на МДП-транзисторах в основном определяются величиной напряжения смещения нуля.

В настоящее время ДУ представляет собой основной базовый каскад ИС непрерывного действия. На основе ДУ создают самые разнообразные усилительные и генераторные устройства. В частности, ДУ является входным каскадом любого операци­онного усилителя.

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. – М.: Мир, 1982.

2. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. – М.: Сов.радио, 1980.

3. Игумнов Д. В., Костюнина Г. П. Полупроводниковые устройства непрерывного действия. – М.: Радио и связь, 1986.

4. Забродин Ю. С. Промышленная электроника. – М.: Высшая школа, 1982.

5. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов. – М.: Мир, 1984.

6. Миклашевский С. П. Промышленная электроника. – М.: Недра, 1973.

7. Алексеев О. Вю., Китаев В. Е., Шихин А. Я. Электротехнические устройства. – М.: Энергоиздат, 1981.