Раздел второй

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Дифференциальные усилители (ДУ) являются одними из наиболее часто применяемых изделий микроэлектроники в радиолюбительской практике.

На рис. 2-1 символически представлен ДУ, который имеет два входа и обычно два выхода. Основная задача ДУ -получить на выходе напряжение, прогюр-киональное лишь разности потенциалов на входах ДУ и ке зависящее от их абсолютного значения, от изменения напряжения питания, температуры окружающей среды и других факторов, т. е.

-вык == (tBx 1 - fBx 2) и ,

где /(yt/- коэффициент усиления ДУ.

Выражение выходного напряжения не содержит постоянной составляющей входного напряжения, и теоретически ДУ ие усиливает общий (синфазный) д,г!я обоих входов сигнал, так как постоянный уровень подавляется в результате вычитания и не будет влиять на выходное напряжение. Однако практически полного подавления постоянного уровня добиться трудно. Напряжеггие на выходе зависит в некоторой степени от синфазных входных напряжений. Это происходит из-за того, что параметры даже интегральных транзисторов и резисторов не могут быть идеально согласованы. Поэтому выражение для выходного напряжения ДУ примет вид:

Дифференциальный, усиштель

еыхг

Рнс, 2-1. Структурття. схема дифференциального усилителя.

где Ку.сф - коэффициент усиления синфазного входного напряжения; t/сф.Ег.- напряжение между каждым из входов ДУ и общим выводом схемы, амплитуды и фазы которых совпадают.

Коэффициент усиления напряжения - основной параметр ДУ. В зависимости от способа подключения нагрузки различают плечевой и дифференциальный коэффициенты усиления напряжения. Если нагрузка подключается к одному из выходов схемы и корпусу (несимметричное подключение нагрузки), то реа.пи-зуется плечевой коэффициент усиления напряжения:

„ А Уеых 1

При подключении нагрузки между выходами (симметричное подключсГ11!0 нагрузки) реализуется дифференциальный коэффициент усиления напряжения, который равен сумме двух плечевых коэффициентов усиления напряжения:

Одним из показателей качества ДУ является коэффициент ослабления синфазного входного напряжения, который определяется выражением

ос.сф = 17/у.сф.

чем выше значение Коссф, тем качественней ДУ по данному параметру.

Простейшая принципиальная схема ДУ приведена на рис. 2-2. Усилитель состоит из дифференциального каскада, выполненного на транзисторах Т1 и Т2 с нагрузочными резисторами R2 и R4. Базы транзисторов являются входами усилителя, а вы.чодное напряжение снимается с одного из коллекторов транзисторов Т1, Т2 (несимметричное подключение нагрузки) либо нагрузка включает-

ся между коллекторами двух транзисторов (симметричное подключение нагрузки) .

Сумма токов, протекающих через эмиттеры транзисторов Г/, Т2, не зависит от напряжений на входах усилителя, а целиком определяется режимом генератора стабильного тока (ГСТ), выполненного на транзисторе ТЗ (Rt, R3 служат для задания режима работы ГСТ, а Д/-для температурной стабилизацип рабочей точки ГСТ):

где /о - ток генератора стабильного тока.

При равенстве потенциалов на входе ДУ, если учесть хорошее согласование электрических параметров транзисторов TJ и Т2 и резисторов R2 и R4, значения эмиттерных токов будут равны между собой, т. e.L .=I, =Iul и соответственно токи коллекторов также будут равны /ki=/k2=i*2i/o/2, где /г*21- коэффициент передачи тока транзистора в схеме с обшей базой.

Рис. 2-2. Простейшая схема дифференциального усилителя.

Рис. 2-3. Передаточные характеристики дифференциального усилителя.

Если при изменении напряжения питания усилителя нли при изменении температуры потенциалы на входах ДУ изменяются иа одну и ту же величину (синфазно), то это не окажет практического влияния на выходной сигнал, так как токи в цепях коллекторов не изменят своего значения. При появлении на входах ДУ разности потенциалов (дифференциальный сигнал) ток ГСТ будет перераспределяться между транзисторами Т1 и Т2 следующим образом:

К1 =

/tg, /рехр Ubx/Фт ехр <7вх/фт + •

21 о

ехр L?ex/(Pt + 1

где t/Bx = t/D.4i-t/B.42; фт - температурный потенциал пере.хода база -эмиттер транзистора, равный 0,26 мВ.

Приведенные выражения описывают передаточные характеристики ДУ, типовые графики которых приведены па рис. 2-3.

Прн 1/в.ч=0 транзисторы Т1 и Т2 сбалансированы по току 1к\=1ы= =Л*2/о/2, а потенциалы коллекторов t/o вых равны между собой.

В реальных микросхемах в силу неидентичности параметров транзисторов дифференциальной пары Т1, Т2 и резисторов R2 и R4 потенциалы коллекторов будут несколько различаться. Для балансировки (выравнивания потенциалов кол.чекторов с заданной точностью) на в.ход ДУ подают напряжение смещения

{Лы.

Напряжения иа входах ДУ вызывают токи /вх1 по" входу 1 и /„хг по входу 2. Эти токи могут быть разные как по абсолютной величине, так и по знаку. Средний входной ток определяют как

вх - 2

Параметры Ucm, lex с изменением температуры, напряжений питания и других факторов изменяют свои значения (дрейфуют). Чем больше значения параметров Ucm /вх, А/ех=/вх1-/вх2 и их дрейфов At/cM, Д/вх, ДД/вх, больше, тем несовершенней дифференциальный усилитель. Значения этих параметров определяют чувствительность ДУ - соизмеримый с ней входной сигнал ие может быть различим.

При t/вхфт (рис. 2-3) передаточные характеристики близки к линейным. На этом участке коэффициент усиления при несимметричной нагрузке равен:

4ф,

где R - сопротивление коллекторного резистора Я2фЖу~тл паралле.чьно включенной с иим внешней нагрузки R-л.

Когда входное напряжение превышает Зфт, дифференциальный каскад переходит; в режим насышения, коллекторный ток одгюго из транзисторов этого каскада становится практически равным нулю, а другого - /г*2/о. Дальнейшее увеличение входного напряжения не изменяет распределения токов транзистооов 77 и Т2.

Благодаря наличию участков насыщения на передаточных характеристиках ДУ может быть использован для построения схем ограничителя, триггера Шмитта, мультивибраторов. Схема ГСТ обеспечивает возможность регулирования коэффициента усиления ДУ путем изменения тока ГСТ при подаче управляющего напряжения на базу транзистора ТЗ. Изменение тока ГСТ приводит к изменению крутизны вольт-амперной характеристики Зла. дифференциального каскада. При этом выходные токи ДУ будут зависеть как от входного напряжения, так и от изменения тока ГСТ. Следовательно, ДУ может и.спользоваться как множительное устройство -и применяться для построения схем смесителей и умножителей частоты, модуляции и детектирования.

Так как сопротивления коллекторных цепей транзисторов Т1 и Т2 являются сравнительно большими, то это позволяет строить на основе ДУ генераторы и формирователи токов и напряжения.

Все эти свойства интегрального ДУ, а также возможность каскадирования По постоянному току позволили использовать его как универсальный базовый элемент для построения сложных аналоговых ИМС, в связи с чем ДУ выпускаются как в виде кристаллов для гибридных аналоговых микросхем, так и в виде конструктивно законченных ИМС, основные из которых представлены ниже.

МИКРОСХЕМА КИ8УД1

Микросхема представляет собой однокаскадный дифференциальный усилитель постоянного тока (рис. 2-4, а). Схема состоит из дифференциальной пары транзисторов Т1, Т4 с коллекторными нагрузками R1, R5, ГСТ, выполненного на транзисторе Т2. и цепи смещения, состоящей из резисторов R3, R4, R6 и -ран-зистора ТЗ в диодном включении: Цепь смешения служит для задания режима работы ГСТ и температурной стабилизации этого режима. Типовая схема включения микросхемы К118УД1 приведена иа рис. 2-4, б.

В зависимости от напряжения питания, коэффициента усиления, входных токов, разности входных токов и других параметров микросхемы делятся на группы А, Б и В.

Номинальные напряжения питания микросхемы К118УД1А минус 4 В, плюс 4 В. а микросхем К118УД1Б и К118УД1В минус 6,3 В, плюс 6,3 В. Допустимые отклонения напряжений питания от номи1Щщщ,,,,2дааШ;Ш»эиДЗа.\

Предельно допустимые режимы 5ксйлкададвд,,мда.йРейЙМ**.Д¥Д приведены в табл. 2-1. "