Учебное пособие: Усилители постоянного тока и операционные усилители
Дифференциальный усилитель характеризуется коэффициентом усиления разности входных напряжений а также коэффициентом усиления среднего уровня входных напряжений (синфазный сигнал)
(6.5)
(6.6)
где К1 и К2 – коэффициенты усиления по первому и второму входам (с учетом возможной асимметрии каналов).
Разностный сигнал (т.е. дифференциальная составляющая входного напряжения) есть полезный сигнал, который не6обходимо усилить, синфазная же составляющая является помехой, которая не должна проникать на выход, т.е. должна быть ослаблена. Подобная ситуация возникает при передаче информации (например, сигналов от датчиков) по длинным линиям связи (проводам). На оба эти провода действуют одни и те же напряжения помех и шумов, которые образуют синфазную составляющую входного сигнала. Дифференциальные каскады на входе усилителя резко уменьшают величину помех и шумов и усиливают полезный сигнал.
Для того чтобы усилитель реагировал только на разность входных напряжений, необходимо выполнение неравенства Ксин << Кдиф . А для этого, как следует из выражений (6.5) и (6.6), необходимой является одинаковость значений коэффициентов усиления по обоим каналам.
Рассмотрим некоторые варианты построения каскадов дифференциальных усилителей (ДУ ). Дифференциальный каскад может иметь два выхода, сигналы на которых противофазные, поэтому их можно использовать в качестве фазоинверсных каскадов (рисунок 6.6). Если используется только один вход дифференциального усилителя, то коллекторный резистор противоположного плеча можно исключить из схемы (рисунок 6.7а).
Рисунок 6.7. Модифицированные схемы дифференциальных усилителей
Для увеличения дифференциального коэффициента необходимо увеличить сопротивление в цепи коллектора, а для уменьшения синфазного – увеличить сопротивление в цепи эмиттера. Просто увеличить этот резистор нецелесообразно, так как это приводит к уменьшению коллекторного тока транзисторов. Поэтому очень часто в эти цепи вводят источники тока (рисунок 6.7,б), которые строят на основе транзисторных структур. В этих случаях наиболее часто применяют двухполярный источник питания. Наличие двухполярного источника позволяет не только более гибко организовать питание всех элементов схемы, но и более жестко привязать входные сигналы к нулевому потенциалу (земле).
Причиной появления не равного нулю напряжения на выходе (U вых ¹ 0) при U вх нач = 0 может быть не только напряжение смещения нуля и его дрейф, но также входные токи ДУ . Эти токи появляются, в цепях, через которые подаются сигналы на входы. Например, в схемах рисунков 6.6 и 6.7,а токи во входных цепях будут обусловлены их подсоединением через делитель в цепях баз транзисторов к источнику питания. В схеме рисунка 6.7,б – перераспределением токов баз входных транзисторов. Необходимо отметь, что величина этих токов не определяется подаваемыми входными сигналами, а определяется схемотехникой входных каскадов ДУ . Обычно считают, что в0 входных цепях каждого входа имеется отдельный источник тока. Для определения влияния этих токов на выходное напряжение представим дифференциальный усилитель, на входы которого подано два сигнала U 1 и U 2 (рисунок 6.8).
Рисунок 6.8. Влияние входных токов смещения
Сигналы поступают на прямой и инверсный входы через резисторы R 1 и R 2 . Эти резисторы формируются за счет внешних резисторов и выходного сопротивления источников сигнала. Как частный случай, одно из них (или оба) могут быть равны нулю.
Пусть ДУ имеет нулевое напряжение смещения нуля (U см вх = 0 ) и Ксин = 0 , поэтому
, (6.7)
где U А и U В – напряжения в точках А и В (на прямом и инверсном входе ДУ ), которые равны:
.
Подставляя их в (6.7), получаем
. (6.9)
Из последнего выражения следует, что даже в отсутствии входного дифференциального напряжения (U 1 – U 2 = 0 ), напряжение на выходе может отличаться от нулевого:
[1] . (6.10)
Как было указано выше, при конструировании балансных схем стремятся к максимальной симметрии каналов, поэтому модно предположить, что в реальных усилителях и токи должны быть близкими по величине. Это подсказывает путь для уменьшения напряжения смещения нуля, обусловленного входными токами: необходимо сделать одинаковыми сопротивления резисторов во входных цепях (R 1 = R 2 = R ). Тогда напряжение смещения нуля будет определяться разностью входных токов:
, (6.11)
Реально разность входных токов сдвига примерно в 10 раз меньше, чем сам входной ток. Типичное соотношение между ними, которые приводятся в справочниках 2 … 5.
Дифференциальные усилительные каскады являются в настоящее время распространенной конфигурацией многих схем в интегральном исполнении, в частности, они используются во входных каскадах интегральных операционных усилителей.
6. УПТ типа МДМ
Применение балансных схем и стабилизация источников питания позволяют снизить дрейф нуля УПТ прямого усиления до величины, в лучшем случае 10 мкВ/час. Поэтому для усиления сигналов меньшей применяется УПТ с преобразованием (УПТ МДМ – усилители постоянного тока типа «модулятор демодулятор»), структурная схема которого представлена на рисунке 6.9.
Рисунок 6.9. Структурная схема УПТ с преобразованием