Основы радиоэлектроники и связи

8. Прохождение детерминированных сигналов через активные линейные цепи : 8.6. Усилители постоянного тока

8.6.2 Принципиальная схема и основные параметры ДК

На рис.2 дана схема ДК. С целью обеспечения симметрии плеч транзисторы VT1 и VT2 одинаковы, R_к1=R_к2=R_к . Режим работы транзисторов – линейный, обеспечивается резисторами R_б1 , R_б2 , R_к1 , R_к2 , R_э .

Рис.2

В режиме покоя (U_вх,1=U_вх,2=0), напряжения на коллекторах каждого транзистора:

U_кэ,0=E_п – I_к,0R_к – 2I_э,0R_э ,

где I_к,0 , I_э,0 – коллекторный и эмиттерный токи в рабочей точке.

Для определения основных параметров ДК рассмотрим реакцию каскада отдельно на противофазную и синфазную составляющие входных сигналов.

При противофазных сигналах на входе ток коллектора одного транзистора (например, VT1) увеличивается, а ток другого транзистора уменьшается. Приращения токов одинаковы, но противоположны по знаку. Благодаря симметрии схемы приращения потенциалов точек а и б схемы будут равны потенциалу земли. Поэтому для противофазных сигналов схему ДК можно представить в виде рис.3. Каждая половина схемы представляет собой каскад с ОЭ.

Рис.3

Поэтому

U_{вых,1,пф}= –SR_кU_вх,пф , U_{вых,2,пф}= –SR_к(–U_вх,пф) _, U_вых,д = –SR_к(U_вх,пф+U_вх,пф)= –2SR_кU_вх,пф= –SR_к(U_вх,1–U_вх,2)= –SR_к U_вх,д .

Таким образом, коэффициент передачи по дифференциальному выходу для противофазного сигнала

K_д,пф= – SR_к ,

то есть такой же, как у одного каскада с общим эмиттером. Знак минус означает, что с выхода первого транзистора снимается сигнал, инвертирующий противофазную составляющую, а с выхода второго транзистора – сигнал, по фазе совпадающий с фазой противофазной составляющей. Поэтому один из входов, в данном случае первый, называют инвертирующим, а второй – неинвертирующим.

Определим теперь реакцию каскада на синфазную составляющую. В этом случае приращения тока коллекторов и эмиттеров каждого транзистора будет одинаковы. Схема в этом случае является симметричной относительно точек а и б и её можно представить в виде двух одинаковых половинок, ось деления при этом должна пройти через точки а и б и вдоль сопротивления R_э , которое можно представить в виде двух сопротивлений величиной 2R_э , включенных параллельно. Таким образом, для одной половины схему можно представить в виде рис.4, откуда видно, что для синфазного сигнала каждая половина ДК представляет собой каскад с ОЭ и обратной отрицательной связью по току (каскад ОЭ+ R_э) , имеющий коэффициент передачи K= –R_к /2R_э .  

Рис.4

Выходное напряжение на коллекторах транзисторов будет равно соответственно

При некоторой несимметрии схемы на дифференциальном выходе будет сигнал, пропорциональный синфазному сигналу на входе, отличный от нуля. Для оценки симметрии схемы обычно используют так называемый коэффициент ослабления синфазного сигнала в виде

,

откуда видно, что для увеличения симметрии схемы необходимо увеличивать сопротивление R_э (аналогом этого эффекта является смещение центра тяжести вниз в игрушках типа “Ванька-Встанька”). При большом K_occ отклонения выходного напряжения от нуля при действии на схему одинаковых факторов будут минимальны.

Простое увеличение номинала резистора R_э повлечет за собой необходимость использования более высоковольтного источника питания. Действительно, для обеспечения рабочей точки транзисторов требуется выполнение равенства

U_кэ,0+I_к,0R_к +2I_э,0R_э=E_П ,

откуда видно что при увеличении R_э потребуется увеличение E_П . Поэтому в схемах УПТ вместо резистора R_э ставят специальные транзисторные схемы (типа генератора тока), имеющие невысокое сопротивление в режиме покоя и достаточно высокое сопротивление для усиливаемых сигналов.

Дифференциальные каскады являются основой так называемых операционных усилителей, имеющих очень большой коэффициент передачи по напряжению.

© Андреевская Т.М., РЭ, МГИЭМ, 2004