Включенных согласованно и объединенных общей точкой корпусом. Таким образом, суммарное напряжение питания ду равно 2Е
 Скачать 200.79 Kb.
|
|
Вопрос 24. Составные транзисторные схемы: дифференциальный усилитель: схема, назначение и свойства, режимы. Принцип работы. Дифференциальные усилители (ДУ) играют важную роль в интегральной схемотехнике. Так, в аналоговых интегральных схемах дифференциальные усилители служат входными каскадами операционных усилителей; в цифровых ИС на схемах ДУ базируются токовые переключатели. Входной каскад определяет входное сопротивление и потребляемый ток на входе, оказывает основное влияние на формирование таких показателей, как уровень шумов, дрейф нуля, следовательно, и на реальную чувствительность усилителя. Рассмотрим основные требования, предъявляемые к входному каскаду: большой коэффициент усиления, максимальное ослабление синфазного сигнала, минимальное смещение, минимальный дрейф нуля, минимальный входной ток, минимальное температурное изменение токов, минимальный уровень шумов на входе. Каждое это требование может быть реализовано на основе специальных схемных решений. Дифференциальным усилителем называют усилитель с двумя входами, который усиливает разность напряжений, приложенных к ним, т.е. сигнал на выходе пропорционален разности входных сигналов. Если на оба входа усилителя подать одинаковое (синфазное) напряжение, то усиление будет чрезвычайно мало. Дифференциальный усилительный каскад не усиливает синфазные сигналы. Одна из наиболее распространенных схем ДУ представлена на рис. 1. Дифференциальный усилительный каскад выполнен по принципу сбалансированного моста, два плеча которого состоят из резисторов RK1 и RK2, а два других — из транзисторов VT1 и VT2. В одну диагональ моста (точки Л и В) включено двухполярное напряжение питания, подаваемое от двух симметричных и равных источников напряжения + ЕК1 и — Ек2, включенных согласованно и объединенных общей точкой — корпусом. Таким образом, суммарное напряжение питания ДУ равно 2Ек. Второй источник — UK2 позволяет снизить потенциалы эмиттеров VT1, VT2 и VT4 до потенциала общей шины. Это исключает необходимость введения элементов смещения и дополнительных компенсирующих напряжений для определения рабочего режима транзисторов и исключения дрейфа нуля (т.е. при Uвх = 0 напряжение на выходе равно нулю U вых = 0). Источник UK2 служит источником смещения на эмиттерные переходы через источники входных сигналов для VT1 и VT2, a +UK1 — источник смещения на коллекторные переходы VT1 и VT2. В другую диагональ моста (точки Си/)) включается нагрузка.  Рис. 1. Схема дифференциального усилителя с ГСТ В эмиттерную цепь ДУ включен, как конструктивная нагрузка, резистор R3 (показан штриховой линией) или его электронный эквивалент ГСТ на транзисторах VT3 и VT4. Делитель напряжения на транзисторе VT4 и резисторе R1 подключен к источнику — UK2, а питание выходного транзистора осуществляется от суммарного источника UK= UК] + UK2. Из схемного построения дифференциального усилителя в ИМС можно сделать вывод, что оно равнозначно построению балансного двухтактного усилителя постоянного тока в дискретной схемотехнике. Специфика ИМС не позволяет полностью реализовать все схемотехнические решения дискретной схемотехники в ИМС для выполнения всех функций и требований, предъявляемых к ДУ в ИМС. Для того чтобы ДУ качественно и надежно выполнял все функции и требования, предъявляемые к нему, как к входному каскаду ИМС, а также мог в процессе длительной работы сохранить свои параметры и свойства, в реальных усилителях требуется выполнить два основных условия при построении ДУ в ИМС. Первое условие построения состоит в симметрии обоих плеч ДУ. Если это условие выполнено полностью, то больше ничего и не требуется для получения идеального ДУ. Рассмотрим построение и работу ДУ по схеме, приведенной на рис. 1. Анализ работы и построения ДУ основан на идеальной симметрии двух плеч, первое из которых состоит из транзистора VT1 и резистора RK1, а второе — из транзистора VT2 и резистора RK2, т.е. на равенстве VT1 и VT2, RK1 и RK2. Каждое плечо ДУ является каскадом по схеме с ОЭ, т.е. ДУ состоит из двух каскадов, построенных по схеме с ОЭ. В этом случае при отсутствии входных сигналов (UBxl = 0 и UBx2 = 0) коллекторные токи и потенциалы коллекторов VT1 и VT2 будут одинаковы, а выходное напряжение UBblx = 0, т.е. существует полный баланс моста. При одинаковом дрейфе нуля в обоих каскадах (плечах ДУ) потенциалы коллекторов будут изменяться всегда одинаково, поэтому на выходе ДУ дрейф нуля будет отсутствовать. За счет симметрии плеч ДУ обеспечивается высокая стабильность при изменении напряжения питания, температуры, радиационного воздействия и т.д. Симметрию общих плеч ДУ могут обеспечить лишь идентичные элементы, которые были изготовлены в абсолютно одинаковых условиях. Так, в полупроводниковой (монолитной) ИМС близко расположенные элементы действительно имеют почти одинаковые параметры, о чем указано при изготовлении микросхем. Следовательно, в полупроводниковых ИМС первое условие в ДУ почти выполнено. Это позволяет реализовать ДУ пусть не с идеальными, а все же с хорошими параметрами, но при непременном выполнении второго основного условия построения ДУ в ИМС. Второе основное условие состоит в обеспечении глубокой ООС для синфазного сигнала. Напомним, что синфазными называются одинаковые сигналы, имеющие равные амплитуды, фазу и форму. Если на входах ДУ (рис. 1) присутствуют UBxl = UBx2, причем с совпадающими фазами, то можно говорить о поступлении на вход ДУ синфазного сигнала. Синфазные сигналы обычно содержат помехи, наводки и т.д. Часто они имеют большие амплитуды (значительно превышающие полезный сигнал) и крайне нежелательны для работы любого усилителя. Чтобы выполнить второе условие в ДУ вводят резистор R3 (в схеме на рис. 1 показан штриховой линией) или его электронный эквивалент ГСТ. Если на вход ДУ поступает синфазная помеха, например, положительной полярности, то транзисторы VT1 и VT2 приоткроются и их эмиттерные токи возрастут. В результате через резистор R3 будет протекать суммарное приращение этих токов, образующее на нем сигнал последовательной ООС по току. При этом уменьшится коэффициент усиления каскадов по напряжению для синфазного сигнала, образующих общие плечи ДУ. Коэффициент усиления можно рассчитать по формуле  Чем лучше симметрия плеч ДУ, тем меньше ΔRK. Поскольку идеальная симметрия невозможна даже в полупроводниковой ИМС, то всегда ΔRK > 0. При заданном значении ΔRK уменьшить КUсф удается за счет увеличения глубины ООС, т.е. увеличения R3. В результате удается подавить синфазную помеху. Теперь рассмотрим работу ДУ для основного рабочего входного сигнала — дифференциального. Дифференциальными (противофазными) сигналами называются сигналы, имеющие равные амплитуды, но противоположные фазы. Будем считать, что входное напряжение подано между входами ДУ, т.е. на каждый вход поступает половина амплитудного значения входного сигнала, причем в противоположных фазах. Если t/Bxl в рассматриваемый момент времени представляется положительной полуволной, то UBx2 — отрицательной. За счет действия Uвх1 транзистор VT1 приоткрывается и его эмиттерный ток получает положительное приращение + ΔRKэ, а за счет действия UBx2 транзистор VT2 призакрывается и его эмиттерный ток получает отрицательное приращение —RЭ2. В результате приращение тока в цепи резистора R3 будет ΔRKэ = Rэ1 — Rэ2. Если общие плечи ДУ идеально симметричны, то ΔRKэ = 0 и, следовательно, ООС для дифференциального сигнала отсутствует. Благодаря этому от каждого плеча с ОЭ в рассматриваемом усилителе, и следовательно, от всего ДУ, получают большое усиление. Так как для дифференциального входного сигнала в любой момент времени потенциалы коллекторов VT1 и VT2 будут находиться в противофазе, то на нагрузке возникает удвоенный выходной сигнал. Таким образом, резистор R3 образует ООС только для синфазного сигнала. На практике можно использовать четыре схемы включения ДУ: симметричный вход и выход, симметричный вход и несимметричный выход, несимметричный вход и симметричный выход, несимметричный вход и выход. При симметричном входе один источник входного сигнала подключается между входами ДУ (между базами транзисторов). При симметричном выходе сопротивление нагрузки подключается между выходами ДУ (между коллекторами транзисторов). При несимметричном входе источники входных сигналов подключаются между одним входом ДУ и общей шиной. Коэффициент усиления ДУ не зависит от способа подачи входных сигналов (т.е. не зависит от того, симметричный или несимметричный вход) и числа источников входного сигнала. При несимметричном включении входного сигнала на один из входов ДУ (рис. 2, а и б) второй вход подключают на общую шину, так как второй входной сигнал отсутствует. Варианты схем включения источников входных сигналов показаны на рис. 2. При несимметричном выходе нагрузка подключается одним концом к коллектору одного транзистора, а другим — к общей шине. В этом случае К оказывается в 2 раза меньше, чем при симметричном выходе. Если при несимметричном входе и выходе входной сигнал подан на вход того же плеча, с выхода которого снимается выходной сигнал с ДУ, то в этом случае на усиление работает лишь одно плечо  Рис. 2. Схемы включения входных сигналов на дифференциальный усилитель: а — несимметричная по входу UBxl; б — несимметричная по входу UBx2; в — симметричная по входам t/Bxl и UBx2 и на выходе получаем инвертированный сигнал. Когда входной сигнал подан на вход одного плеча ДУ, а выходной сигнал снимается с выхода другого плеча, то на выходе получаем неинвертиро- ванный сигнал с тем же К^, что и в первом случае. Независимо от того, какая схема включения ДУ применяется, одним из основных параметров ДУ является коэффициент ослабления (подавления) синфазного сигнала (КООС). На примере работы схемы для синфазного и дифференциального (парафазного) сигналов видно, что подавление синфазного сигнала происходит за счет ООС, созданной резистором R3, и тем лучше, чем больше сопротивление резистора R3. Однако существует несколько причин, ограничивающих эту возможность. Самая главная — большие трудности при реализации резисторов значительных номиналов в монолитных ИМС (большая площадь кристалла и рост потребляемой мощности резистора из-за нагрева). Для решения этой проблемы используют электронный эквивалент резистора большого номинала, которым является генератор стабильного тока ГСТ. На рис. 13.20 схема ГСТ построена на транзисторах VT3 и VT4 и включается вместо резистора R3. За счет стабильности тока через VT3 практически не изменяются и токи через VT1 и VT2. Включение ГСТ в эмиттерную нагрузку увеличивает входное сопротивление ДУ и коэффициент усиления схемы Ки. Современные схемотехнические решения ДУ выполняются по различным схемам, но в них всегда используются схемы ГСТ. Для таких ДУ значение КООС обычно лежит в пределах 60—100 дБ. Основные направления совершенствования схем ДУ в аналоговых ИМС — повышение коэффициента усиления, увеличение входного сопротивления и уменьшение выходного сопротивления. Для увеличения RBX применяют составные транзисторы (наиболее часто по схеме Дарлингтона), которые обладают большим коэффициентом усиления. Схема ДУ с составными транзисторами приведена на рис. 3. Составные транзисторы могут быть выполнены и на комплементарной паре транзисторов. Входное сопротивление такого ДУ на составных транзисторах в 2 раза выше, чем с одиночными транзисторами. Его можно увеличить, используя полевые транзисторы, имеющие малые входные токи (рис. 3).  Рис. 3. Схема дифференциального усилителя с ГСТ и составными транзисторами Коэффициент усиления зависит от сопротивления нагрузки в коллекторной цепи RK. При выполнении схем ДУ по интегральной технологии с ростом значения RK увеличивается площадь, занимаемая им на кристалле полупроводника, и возрастает напряжение питания, необходимое для сохранения режима работы транзисторов. Коэффициент усиления можно увеличить, заменив резистор RK динамической коллекторной нагрузкой, в качестве которой чаше всего используют схему так называемого токового зеркала (рис. 5). В схеме на рис. 4 ГСТ выполнен по схеме, которая аналогична схеме на биполярных транзисторах для стабилизации суммарного тока истоков /и. Важнейшим показателем работы схемы ДУ является коэффициент усиления дифференциального сигнала по схеме симметричного входа и выхода. Поскольку в этом случае входное напряжение делится во входных цепях транзисторов каждого плеча пополам, а также учитывая, что t/Bxl = 0,5UBx2 и UBx2 = -0,5UBX, получим  Из полученного соотношения следует, что дифференциальный коэффициент усиления зависит от сопротивления нагрузки в коллекторной цепи RK. При выполнении схем ДУ по интегральной технологии с ростом значения RK увеличивается площадь, занимаемая им на кристалле полупроводника, и возрастает напряжение питания, необходимое для сохранения режима работы транзисторов. Коэффициент усиления можно увеличить, заменив резистор RK динамической коллекторной нагруз-  Рис. 4. Схема дифференциального усилителя с ГСТ на полевых транзисторах Транзисторы VT3 и VT4 структуры р-п-p-типа, выполняющие функцию динамических нагрузок каскада, близки по параметрам, что легкоосушествимо при их исполнении на одной подложке. При этом VT3 используется в диодном включении. Ток IК1 транзистора VT1 задается транзистором VT3 и создает падение напряжения (IБЭЗ, определяющее входное напряжение UБЭ4. Поскольку транзисторы VT3 и VT4 близки по параметрам, то IК4 « Iкз. Так как VT1 соединен последовательно с VT3, a VT2 соединен последовательно с VT4, то равны соответственно и токи IК1 = Iкз. В результате можно сделать вывод, что IК1 = IК2 (ток IК2 является «отражением» тока IК1, что и определило название схемы «токовое зеркало»).  Рис. 5. Схема дифференциального усилителя с коллекторной динамической нагрузкой Включение транзисторов VT3 и VT4 в коллекторных цепях, имеющих достаточно большое выходное сопротивление, позволяет резко повысить сопротивление коллекторной нагрузки, которое в этом случае не зависит от напряжения источника питания, и дифференциальный коэффициент усиления ДУ до (1-3)ꞏ103. Важной особенностью схем ДУ с динамической нагрузкой является возможность получения одиночного — несимметричного выхода с максимальной амплитудой тока (нагрузка подключена к UBых2 и общей шине). Схема включена с несимметричным входом Um1 и несимметричным выходом UBых2, а вход UBx2 подключен на общую шину. В этом случае сигнал подается на вход одного плеча каскада ДУ — на транзистор VT1, а снимается с коллектора другого плеча — транзистор VT2. При определении коэффициента усиления следует учитывать, что для транзистора VT2 входным сигналом является напряжение с ГСТ. Поэтому часть схемы на транзисторе VT2 рассматривается как усилитель по схеме с ОБ. |