Дифференциальные усилительные каскады

Роль дифференциальных каскадов в интегральной схемотехнике. Применение полупроводниковых интегральных схем в качестве элементной базы радиоэлектронной аппаратуры повлияло на схемные решения функциональных узлов, что связано с требованием реализации непосредственной (гальванической) связи между отдельными каскадами. Одной из важных проблем, с которыми приходится сталкиваться при построении усилителей с непосредственной связью, является дрейф. Под дрейфом понимают изменение постоянного напряжения (тока) в каскадах усилителя при отсутствии входного сигнала (в состоянии покоя), обусловленное непостоянством температуры окружающей среды, напряжения питания и другими дестабилизирующими факторами. Дрейф зависит от коэффициента усиления усилителя и приводит к искажению выходного сигнала. Одной из мер борьбы с дрейфом в усилителях постоянного тока явилось использование дифференциальньис каскадов (ДК). В интегральной схемотехнике их роль значительно возросла благодаря:

• • идентичности параметров транзисторов дифференциальной пары, обусловленной расположением транзисторов на одной подложке в непосредственной близости друг от друга и изготовлением в едином технологическом цикле;
• • возможности использования транзисторного генератора стабильного тока или токопитающего каскада в эмиттерной цепи ДК вместо резистора с большим сопротивлением, требующего значительного повышения напряжения источника питания;
• • широким функциональным возможностям.

Помимо усилителей ДК используются при построении схем генераторов, умножителей, смесителей и других функциональных узлов [90].

Принципы построения дифференциальных усилителей. Для борьбы с дрейфом можно использовать два идентичных усилителя, подключив нагрузку к их выходам. Такое техническое решение с использованием двух каскадов с ОЭ приведено на рис. 3.27.

Будем рассматривать дрейф как результат воздействия двух синфазных сигналов U_c на базы транзисторов. Как ясно из рис. 3.27, а, при идентичных параметрах усилительных каскадов дрейф напряжения в нагрузке R_n отсутствует, так как напряжения на коллекторах транзисторов VT, и VT₂ равны и их разность равна.

Рис. 3.27. Принцип построения и свойства дифференциального усилительного каскада

нулю. Однако незначительные отклонения параметров усилителей приводят к появлению дрейфа. Уменьшить влияние отклонения параметров усилителей на величину дрейфа можно путем включения двух одинаковых по номиналу резисторов R₃ в эмиттерные цепи транзисторов (рис. 3.27, б). В этом случае коэффициент передачи синфазных сигналов усилителей уменьшится в R_K/(R₃ + R_K) раз, уменьшатся значения синфазных сигналов на коллекторах транзисторов, а следовательно, и их разность или величина дрейфа. Так как напряжения на эмиттерах транзисторов VT, и VT₂ равны, эмиттеры можно соединить (пунктир на рис. 3.27, б) и вместо двух резисторов R₃ использовать один (рис. 3.28, а).

При подаче на базы транзисторов VT, и VT₂ одинаковых по амплитуде противофазных сигналов U_n (рис. 3.27, в) напряжение на нагрузке R_lt, представляющее собой разность напряжений на коллекторах, в два раза превышает напряжение на нагрузке для схемы с ОЭ. Поскольку в этом случае токи по резисторам R₃ протекают в разных направлениях, объединение R₃ приведет к тому, что переменное напряжение на эмиттерах транзисторов будет равным нулю. По этой причине для противофазных сигналов отрицательная обратная связь отсутствует и сохраняется коэффициент усиления, т. е. включение в эмиттерную цепь резистора не влияет на усилительные свойства противофазных сигналов.

Схема на рис. 3.28, а, полученная в результате принятых мер по борьбе с дрейфом, представляет собой простейший вариант диф-

Рис. 3.28. Схемы (а, б) и передаточные характеристики (в) дифференциального усилительного каскада.

ференциалъного усилительного каскада. Для повышения степени подавления синфазного сигнала (помехи) резисторы усилителя удовлетворяют соотношению R₃/R_K 1. Поэтому суммарный ток /₀, протекающий через транзисторы VT, и VT₂, определяется сопротивлением /?_э. На схемах дифференциальных усилителей часто резистор R₃ вместе с источником питания Е_п заменяют идеальным источником тока 1₀ (рис. 3.28, в).

Передаточные характеристики. Характеристики в виде зависимостей коллекторных токов /_К1,1_К2 транзисторов VT, и VT₂ от разностного (дифференциального) напряжения между их базами называют передаточными, или проходными вольт-амиерными характеристиками ДК. Определим передаточные характеристики ДК, схема которого изображена на рис. 3.28, б. Как ясно из схемы:

Выражение (3.22) можно переписать в виде двух соотношений:

В активном режиме работы транзисторов для определения эмиттерных токов можно пользоваться следующими соотношениями:

где 1_п{ = /_п2 = /_п — ток покоя транзисторов при 11_БЭ = 0, практически равный току обратно смещенногор-тг-перехода; q>_T=kT/q — тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов (р_к при отсутствии внешнего напряжения; k — постоянная Больцмана; Т— абсолютная температура; q — заряд электрона (ср_г= 26 мВ при Т= 300 К).

Подставляя соотношения (3.24) в формулы (3.23) и имея в виду, что коллекторный ток /_к= а₀/_э, получаем после преобразований следующие выражения для передаточных характеристик ДК:

где ?/_ДИф = и_ьЭ1 — 1)_БЭ2, а₀ = 0,97^-0,99 — коэффициент передачи тока эмиттера.

Взяв производную выражений (3.25) по U_vti^ получим крутизну передаточных характеристик в виде следующей функции:

|.

Из формулы (3.26) следует, что максимальное по модулю значение крутизны составляет (при [/_диф = 0) |5_шах| = 0,25а₀/₍₎/ср_г

Передаточные характеристики и зависимость крутизны от дифференциального напряжения^ нормированном виде представлены на рис. 3.28, в, где обозначено/_к = /_к/(а₀/₀); С/_иф = ^_1Ш[)/ф_р |51 = |5|/|5|_max.

Полученные результаты позволяют сделать ряд важных выводов.

• • наилучшие условия для усиления сигналов соответствуют рабочей точке на передаточной характеристике U_:wф = 0, в окрестностях которой передаточные характеристики наиболее линейны и имеют максимальную крутизну. Для создания такого режима необходимо подать равные постоянные напряжения на базы обоих транзисторов;
• • возможны два способа регулирования усиления', смещением рабочей точки на передаточной характеристике и изменением тока 1₀. Второй способ является более предпочтительным;
• • нелинейность передаточных характеристик свидетельствует
• 0 возможности использования ДК для нелинейных преобразований аналоговых сигналов (перемножения сигналов, детектирования, умножения частоты и др.), о чем пойдет речь ниже;
• • ярко выраженные участки насыщения и отсечки в передаточных характеристиках при незначительных входных напряжениях
• 1 ?^"ф| ^> 4ф_у ~ 100 мВ позволяют использовать дифференциальный каскад в качестве эффективного ограничителя амплитуду а также в импульсных и логических схемах.

Генераторы стабильного тока (ГСТ). Выше была установлена важная роль, которую в ДК играет источник, или генератор тока /₀. Совокупность источника напряжения Е_п и резистора R₃ с большим значением сопротивления в качестве источника тока применяется редко. Это обусловлено гем, что такой способ построения источника тока связан с большой площадью подложки, занимаемой резистором, и требует источника питания Е_и с повышенным напряжением. В интегральных схемах источники тока строятся на транзисторах. При этом используется то обстоятельство, что транзистор в схемах с ОЭ и ОБ обладает различными значениями сопротивлений переменному и постоянному токам: высоким (порядка сотен килоом) выходным сопротивлением по переменному току и небольшим сопротивлением по постоянному току, благодаря чему не требуется высоковольтный источник питания.

Рассмотрим особенности реализации и основные свойства генератора стабильного тока, схема которого приведена на рис. 3.29, а. Допустим, что ток /_Б0 в базовой цени транзистора VT₀ равен нулю. Тогда, в силу того что транзистор ГГ, в диодном включении подсоединен к базе транзистора VT₀, должно выполняться следующее соотношение:

Из соотношения (3.27) находим ток:

Рис. 3.29. Схемы генератора стабильного тока.

Из рис. 3.29, а ясно, что ток /, равен.

Подставим /, из выражения (3.29) в равенство (3.28):

Используя соотношение (3.30), определим температурный коэффициент тока /₀:

где при взаимном согласовании транзисторов.

Воспользовавшись зависимостями (3.24) для рассматриваемого случая, запишем разность напряжений между базами транзисторов VT, и VT_n в виде.

Так как при одинаковых площадях транзисторов разность Д U_B за счет различных токов утечки I_nV /_п0 не превышает 0,5 мВ, принято L ⁼ L-

После подстановки выражения (3.31) в равенство (3.28) получим соотношение, связывающее ток /, с током /₀:

I.

Из соотношения (3.32) следует, что:

• • ток 1₀ токопитающего каскада зависит от температуры (р_г= kT/q и соотношения сопротивлений /?,//?₀. При заданных I_v R_{ путем выбора R₀ можно изменять /₀ в пределах 2—3 декад [94];
• • при равенстве сопротивлений R_{ = R₀ выполняется равенство токов 1_{ = /₀ (так как ln/j//₀ = 0), т. е. транзистор VT₀ является «зеркалом» для тока /, отображая любые его изменения в собственном токе /₀.

В частном случае = R₀ = 0 схема генератора тока принимает более простой вид (рис. 3.29, 6). Дадим оценку зеркальных свойств этой схемы. Критерием качества выберем коэффициент передачи К = /₀//,. Ток /, складывается из трех токов:

где /₀ = /_ко — ток генератора стабильного тока (ГСТ), или коллекторный ток транзистора VT₀; 5 = /_ко//_кi — соотношение токов, определяющееся разбросом геометрических размеров транзисторных структур; Р₍₎ = I_K0/I_m, Р, = /_К1//₁₅₁ ^— коэффициенты усиления коллекторного тока транзисторов.

Если 5 = 1, Р₀ = р, = р 1, то из соотношения (3.33) находим показатель качества «зеркального» отражения схемы:

т.е. /₀ практически повторяет ток В ряде случаев получение требуемого значения тока /₀ достигается изготовлением транзисторов VT₀ и VT_X с различными площадями эмиттеров, в результате чего изменяется отношение токов покоя /_п1//_п0, появляется разность Д?/_Г>э (3.31), приводящая к изменению /₀. Такая мера нормирования /₀ позволяет уменьшить номинал резистора /?, или полностью исключить его из схемы на рис. 3.29, а.

На рис. 3.29, в приведена схема токопитающего каскада, достоинством которой является то, что транзистор VT₍₎ не входит в насыщение даже при малых значениях напряжения на коллекторе. Это обусловлено наличием отрицательной обратной связи, которую обеспечивает транзистор VT_{. С помощью резистора R устанавливается напряжение и_ъЭ1 на базе транзистора VT_v Значение тока /₀ определяется по формуле /₀ = U_B^/R₀. Такой токопитающий каскад используется в схемах с низковольтным (2—3 В) питанием.

В приведенной на рис. 3.29, г схеме ГСТ, так же как в схеме на рис. 3.29, б, базы транзисторов VT₀ и VT_{ соединены друг с другом, отличие проявляется в том, что между коллектором и базой транзистора VT, вместо перемычки включен транзистор VT₂ по схеме с О К. Для этой схемы К = /₀//, «1 — 2/р², т. е. использование дополнительного транзистора улучшает зеркальные свойства (3.34).

Пример схемного решения дифференциального каскада с ГСТ.

На рис. 3.30 приведена схема, иллюстрирующая возможности реализации дифференциального каскада.

Рис. 330. Интегральный вариант схемы дифференциального каскада.

В отличие от ранее рассмотренных схем его питание осуществляется от двух отдельных источников напряжения с разной полярностью. Непосредственно дифференциальный каскад выполнен на основе рассмотренного выше принципа (см. рис. 3.28, б) и дополнен потенциометрическими делителями напряжения (R_v R₂) в базовых цепях транзисторов VT_v VT₂ для создания требуемого режима по постоянному току и резисторами /?₃, включенными в эмиттерные цепи VT, VT₂ для линеаризации передаточной характеристики.

Генератор стабильного тока выполнен по схеме, приведенной на рис. 3.29, а. Для расширения функциональных возможностей база и эмиттер транзистора VT₃ могут быть использованы для подачи сигналов. Входные сигналы могут подаваться на входы Вх, Вх₂, Вх₃, Вх₄ различным образом:

• • при использовании двухфазного источника или источника с двумя изолированными выходными зажимами сигналы подаются на входы Вх, Вх₂ симметрично относительно общей точки схемы;
• • при использовании однофазного источника сигнал подается на один из входов Вх, (Вх₉) относительно общей точки, другой вход Вх₂ (Вх,) для сигнала должен иметь потенциал общей точки;
• • при использовании Вх₃, Вх₄ на основе приведенной схемы могут быть построены рассмотренные выше схемы двухкаскадных усилителей ОЭ—ОБ и ОБ—ОБ с регулированием усиления по свободному входу дифференциальной пары (Вх, или Вх₂). При нелинейных операциях (преобразование частоты, детектирование) к входам Вх₃, Вх₄ подключаются внешние источники сигналов, например гетеродин.

Выходной сигнал принципиально можно снимать с любого выхода Вых, или Вых₂. При этом вход Вх, (Вх₂) по отношению к Вых,.

(Вых₂) является инвертирующим, а по отношению к Вых₂ (Вых,) неинвертирующим. Однако использование только одного из выходов усилителя не позволяет в полной мере реализовать усиление ДК. Поэтому, как правило, сигналы снимаются с обоих выходов, что позволяет вдвое увеличить коэффициент усиления ДК.