Коэффициент усиления синфазного сигнала

Принцип действия

В основу ДУ положена идеальная симметрия его плеч, т. е. идентичность параметров транзисторов Т1, Т2 и равенство сопротивлений R_к1, R_к2. При этом в отсутствии сигнала токи через транзисторы и коллекторные потенциалы будут одинаковы, а выходное напряжение будет равно нулю. Нулевое значение U_вых так же сохраняется при одновременном и одинаковом изменении токов в обоих плечах. Таким образом в идеальном ДУ дрейф выходного напряжения отсутствует, хотя в каждом из плеч он может быть сравнительно большим.

Подадим на базы транзисторов одинаковые по величине и совпадающие по фазе напряжения U_б1 = U_б2 (синфазные сигналы). Если источник тока I₀ идеальный (т. е. R_i = Ґ), то токи в обоих ветвях и коллекторные потенциалы останутся неизменными и выходное напряжение U_вых останется равным нулю. Если R_i № Ґ, то появится приращение тока D I₀, но оно распределится поровну между обеими ветвями ДУ и коллекторные потенциалы изменятся одинаково и сохранится U_вых = 0.

Если подать на базы напряжения равной величины, но противоположных знаков (U_б1 и U_б2 = – U_б1), т. е. дифференциальные сигналы, то их разность по определению будет входным сигналом ДУ:

U_вх = U_б1 – U_б2.

Вследствие этого приращения токов и коллекторных потенциалов в плечах ДУ будут одинаковыми по величине, но разного знака. В результате появится выходное напряжение

U_вых = U_к1 – U_к2.

Следовательно идеальный ДУ реагирует только на дифференциальный или разностный сигнал, отсюда вытекает название этого типа усилителей.

В реальном ДУ, в котором оба плеча неидентичны, а источник тока имеет конечное сопротивление, наблюдается влияние синфазной составляющей входного сигнала на дифференциальную составляющую выходного сигнала. Следовательно при

U_{вх с} = U_вх1 = U_вх2

D U_{вых с} = U_вых1 – U_вых2 № 0.

Отношение называется коэффициентом усиления синфазного сигнала. Так как этот параметр характеризует степень неидеальности ДУ он должен быть минимизирован. Для случая синфазного сигнала схему ДУ можно представить как показано на рис. 68.

Рис. 68. Схема ДУ для случая синфазного входного сигнала

Коэффициент усиления такой схемы ориентировочно равен:

.

Из приведенного выражения видно, что уменьшения А_с можно добиться увеличением R_i. Значительной величины R_i в случае пассивного резистора без существенного ухудшения других параметров схемы достичь невозможно.

Один из возможных вариантов источников тока.

На схеме U_A – падение напряжения на части схемы находящейся выше точки А (рис. 69). У такой схемы большое лишь дифференциальное сопротивление, тогда как статическое внутреннее сопротивление мало. Этой особенностью обладает выходная характеристика транзистора. Например, если составляет (1…5) Ч 10³ Ом, то составит (1…5) Ч 10⁵ Ом. За счет последовательной обратной связи (R_э) это сопротивление может быть увеличено на несколько порядков.

Коэффициент усиления дифференциального сигнала

Если U_вх1 – U_вх2 = U_{вх д} № 0, то происходит перераспределение токов между плечами ДУ, но сумма токов остается постоянной. Усиление ДУ пропорционально крутизне его вольт-амперной характеристики и сопротивлению нагрузки (R_к) т. е. А_д = SR_к. максимальное значение крутизны равно, где j _т – температурный потенциал (” 0,026 В при комнатной температуре). В ДУ значение S близко к максимальному при к U_{вх дч} < 2j _т, а уже при U_{вх д} > 4j _т усиление практически отсутствует, так как в этом случае перераспределения токов в плечах практически не происходит (рис.70).

Как видно из выражения для А_д его можно увеличить увеличив ток I₀ и сопротивление нагрузки. Однако в первом случае увеличивается входной ток ДУ, где h_21э– коэффициент передачи базового тока транзистора (коэффициент усиления по току транзистора), что нежелательно, так как уменьшается входное сопротивление ДУ. Во втором случае увеличивается площадь резисторов на подложке микросхемы и возрастает требуемое напряжение питания +E_n для сохранения активного режима работы транзисторов Т1, Т2, что также недопустимо. Эта проблема решается заменой резисторной нагрузки транзисторной.

Широко распространенная в схема ДУ структура транзисторной нагрузки показана на рис. 71.

Эта схема называется отражателем тока или токовым зеркалом. Если транзисторы идентичны то

U_бэ4 = U_бэ5 при I_к1= I_к2.

Отражатель тока обладает всеми достоинствами источника тока (рис. 69). Выходной ток ДУ

I_вых = I_к1 – I_к2.

Кроме высокого дифференциального сопротивления Т4 и Т5, благодаря тому, что выходным сигналом является разностный ток, синфазные изменения коллекторных токов Т1 и Т2 взаимно компенсируются, что значительно ослабляет синфазные входные сигналы.

Дифференциа́льный усили́тель — электронный усилитель с двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей.

Схема дифференциального усилителя на базе электронного моста с n-p-n биполярными транзисторами

дним из важнейших узлов аналоговой схемотехники является дифференциальный усилительный каскад.

Рис.5. Схема дифференциального каскада на биполярных транзисторах

Он содержит взаимно согласованную пару биполярных транзисторов, с резисторами R _к1 и R _к2.

В общую эмиттерную цепь включен источник тока J.

Отличия ДК на полевых транзисторах от ДК на биполярных:

1) (у биполярных K_u~I);
2) с увеличением I расширяется диапазон допустимых амплитуд U _вх, при которых сохраняется приблизительная линейность передаточной характеристики.

ифференциальный каскад является основой балансных модуляторов, перемножителей аналоговых сигналов, генераторов гармонических и релаксационных колебаний (мультивибраторов).

Рис. 7. Схема дифференциального каскада на полевых транзисторах.

Во многих аналоговых ИС ДК используют только на входе устройства. Остальные каскады усиления или преобразования сигналов выполняют по однофазной схем (дифференциальные каскады с однофазным выходом). Примером таких ИС может служить операционный усилитель.

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокойотрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

Обозначение операционного усилителя на схемах

В переводе с латинского одним из значений слова «inversio» является «оборачивание», «переворот». Иными словами, инверсия — это зеркальное отражение (отзеркаливание) сигнала относительно горизонтальной оси Х (оси времени). На Рис. 1 показаны несколько из множества возможных вариантов инверсии сигнала, где красным цветом обозначен прямой (входной) сигнал и синим — проинвертированный (выходной).

Рис. 1 Понятие инверсии сигнала

Особо следует отметить, что к нулевой линии (как на Рис. 1, А, Б) инверсия сигнала не привязана! Сигналы могут быть инверсными и асимметрично. Например, оба только в области положительных значений (Рис. 1, В), что характерно для цифровых сигналов или при однополярном питании (об этом речь идти будет дальше), или оба частично в положительной и частично — в отрицательной областях (Рис. 1, Б, Д). Возможны и другие варианты. Главным условием является их взаимная зеркальность относительно какого-то произвольным образом выбранного уровня (например, искусственной средней точки, о которой речь также будет вестись дальше). Иными словами, полярность сигнала тоже не является определяющим фактором.

Изображают ОУ на принципиальных схемах по-разному. За рубежом ОУ раньше изображались, да и сейчас очень часто изображаются в виде равнобедренного треугольника (Рис. 2, А). Инвертирующий вход — символом «минус», а неинвер­тирующий — символом «плюс» внутри треугольника. Эти символы совершенно не означают, что на соответствующих входах потенциал должен быть более положительным или более отрицательным, чем на другом. Они просто-напросто указывают, как реагирует потенциал выхода на потенциалы, подаваемые на входы. В итоге их легко спутать с выводами питания, что может оказаться неожиданными «граблями», особенно для начинающих.

Рис. 2 Варианты условных графических изображений (УГО)
операционных усилителей

В системе отечественных условных графических изображений (УГО) до вступления в силу ГОСТ 2.759-82 (СТ СЭВ 3336-81) ОУ также изображались в виде треугольника, только инвертирующий вход — символом инверсии — кружочком в месте пересе­чения вывода с треугольником (Рис.2, Б), а сейчас — в виде прямоугольника (Рис.2, В).

При обозначении ОУ на схемах инвертирующий и неинвертирующий входы можно менять местами, если так удобнее, однако, традиционно инвертирующий вход изображается вверху, а неинвертирующий — внизу. Выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху, отрицательный — внизу).

Поскольку ОУ имеет два входа, то возможны такие основные виды его включения с использованием ООС (Рис. 4):

Рис. 4 Основные схемы включения ОУ

а) инвертирующее (Рис. 4, А) — сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется);

б) неинвертирующее (Рис. 4, Б) — сигнал подается на неинвертирующий вход, а инвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется);

в) дифференциальное (Рис. 4, В) — сигналы подаются на оба входа, инвертирующий и неинвертирующий.

А) Инвертирующее включение (Рис. 5).

Рис. 5 Принцип работы ОУ в инвертирующем включении

Потенциал на неинвертирующем входе равен нулю, т.к. он подключен к средней точке («земле»). Входной сигнал, равный +1 В относительно средней точки (от GB) подан на левый вывод входного резистора Rвх. Допустим, что сопротивления Rоос и Rвх равны друг другу и составляют 1 кОм (в сумме их сопротивление равно 2 кОм).

Б) Неинвертирующее включение (Рис. 7).

Рис. 7 Принцип работы ОУ в неинвертирующем включении

Левый вывод Rвх подключен к средней точке («земле»), а входной сигнал, равный +1 В подан прямо на неинвертирующий вход. Поскольку нюансы анализа «разжеваны» выше, здесь будем уделять внимание только существенным отличиям.