что такое дифференциальный каскад

Дифференциальные каскады

Дифференциальный каскад – это схема, используемая для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов, а определяется только их разностью.

На рис. 2.14 показана схема ДК на биполярных транзисторах. Схема содержит два плеча, включающих транзисторы VT1 и VТ2 и резисторы
R_к1 = R_к2 и токозадающий резистор R₀. Ток I₀, протекающий через резистор R₀, не должен зависеть от входных сигналов. Для этого сопротивление резистора R₀ выбирается большим или вместо него используется транзисторный генератор тока. В схеме используются два источника питания Е_П1 и Е_П2, вторые выводы которых подключены к общей точке. Наличие двух источников питания позволяет работать с сигналами любой полярности. Если оставить один источник питания, а вторую шину питания подключить к общей точке, возможно усиление сигналов только одной полярности.

В общем случае дифференциальный каскад имеет два входа и два выхода, напряжения на которых U_вх1, U_вх2, U_вх1, U_вх2 отсчитываются от общей точки.

Различают синфазные и дифференциальные входные сигналы. Когда уровни сигналов на обоих входах равны (U_вх1 = U_вх2 = U_{вх сф}), такие сигналы называют синфазными. Роль синфазных сигналов обычно играют помехи. Если источник сигнала включен между входами ДК, то такой сигнал называют дифференциальным (разностным) U_{вх д} = U_вх1 – U_вх2. При дифференциальном включении входной сигнал делится пополам между одинаковыми транзисторами VТ1 и VТ2, причем составляющие напряжений на входах ДК относительно общей точки противоположны по знаку, или

Дифференциальный каскад должен эффективно усиливать дифференциальные сигналы и ослаблять синфазные.

Выходное напряжение может сниматься между выходами схемы; тогда оно называется выходным дифференциальным (или двухфазным) напряжением. При этом необходимо, чтобы следующий каскад имел дифференциальный вход. Кроме того, часто используют однофазный выход – снимают выходное напряжение между одним из выходов и общей точкой, при этом половина полезного сигнала, действующего на оставшемся выходе, не используется.

Рассмотрим преобразование синфазного сигнала в ДК. Пусть на входы схемы (рис. 2.14) подано синфазное напряжение (U_вх1= U_вх2= U_{вх сф}). В качестве выходного сигнала будем рассматривать однофазное напряжение на первом выходе.

Для анализа воспользуемся эквивалентной схемой, приведенной на рис. 2.15, содержащей одну половину ДК. Поскольку через транзистор VT1 протекает половина тока I₀, резистор в эмиттерной цепи имеет сопротивление 2R₀ (второе сопротивление 2R₀ обес­печивает ток второй половины ДК).

Схема на рис. 2.15 является усилительным каскадом с ОЭ, рассмотренным ранее. Воспользуемся формулой для расчета коэффициента усиления по напряжению

Из (2.7) видно, что если R₀ >> R_к, то
К_Uсф Рис. 2.17

Источник

Дифференциальный каскад усилителя

Дифференциальные и операционные усилители

Дополнительный материал к лекции 10 для самостоятельной работы

Операционный каскад усилителя

Дифференциальный каскад усилителя

Дифференциальные и операционные усилители

План ( логика ) изложения материала

Лекция 10

Литература

1. Гольцев В.Р., Богун В.Д.,Хиленко В.И. Электронные усилители. М.: Стандарты, 1990. с.106…119

2. Колонтаевський Ю.П.,Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія i практикум.- К.Каравела, 2003. с.106..108.

3. Криштанович А.К., Трифонюк В.В. Основы промышленной электроники.-М.: Высшая школа, 1985.С. 118…122.

4. Джонс М.Х. Электроника – практический курс. М.Постмаркет, 1999. с.178. 181.

5 Ленк Дж.Д. Справочник по проектированию электронных схем / Пер. с анг. В.И. Зубчука м Сигорского. Под ред. В.П. Сингорского. – К.: Техніка, 1979. с.97. 99.

4. Напишите ключевые слова по теме «Усилители постоянного тока»

После изучения лекции 10 студент должен знать: работу дифференциального и операционного усилителя и их характеристики.

Уметь: пояснить работу дифференциального и операционного усилителя, а также уметь нарисовать схемы дифференциальных и операционных усилителей.

В усилительных каскадах транзисторы включить можно последова­тельно друг с другом по отношению к источнику электропитания, либо параллельно. Параллельные каскады более удобны для практического использования и для микроэлектронной технологии, а поэтому в настоящее время в основном и применяются.

На базы транзисторов VT₁ и VT₂, оба ОЭ, поступает симметрич­ный относительно общего провода сигнал, т.е. два равных противопо­ложных напряжения U’_bx и U»_bx.

Выходной сигнал снимается с вывода от коллектора этих двух транзисторов и равен сумме частичных выходных напряжений, разви­ваемых каждым транзистором на своем сопротивлении коллекторной нагрузки R₃ и R₅.

Рисунок 1.61- Дифференциальный каскад с симметричным выходом

В общей эмиттерной цепи транзисторов VT₁ и VT₂ включено сопротивление R₄, которое осуществляет эмиттерную стабилизацию исходного режима. Величина этого сопротивления может быть вдвое меньше, чем в одиночном каскаде, так как через него проходит постоян­ный ток двух транзисторов. Кроме того, резистор R₄ создает связь между эмиттерами по переменному току.

В положительный полупериод сигнала на первом входе на R₃ соз­даётся частичное выходное напряжение U’_вых с отрицательным зна­ком у выходного зажима около коллектора транзистора VT₁. Одно­временно на второй вход поступает отрицательная полуволна такого же сигнала, и не резисторе R₅ создается второе частичное напряже­ние U»_вых с положительным знаком около второго выходного зажима (у коллектора VT₂).

Поскольку U’_вых = К·U’_вх и U»_вых = К·U»_вх, где К-коэффициент усиления напряжения, то

т.е. выходное напряжение пропорционально разности входных.

Таким образом, коэффициент усиления дифференциального каска­да вдвое больше, чем для одного транзистора в схеме ОЭ. В каскаде нет отрицательной обратной связи по переменному току, так как токи двух транзисторов проходят через резистор R₄ в противоположных направлениях.

В случае попадания на оба входа сигнала в одной фазе выходное напряжение будет очень малым, равным разности U’_вых и U»_вых, а при симметрии схемы U_вых=0. Это означает, что каскад нечувствите­лен к синфазным помехам, наводимым на оба входа, а также к пуль­сациям и изменению питающего напряжения и одинаковым измене­нием параметров схемы при колебаниях температуры и старения элементов.

При синфазных сигналах переменные токи эмиттеров двух тран­зисторов проходят по общему эмиттерному сопротивлению R₄ в одном направлении и создают для обоих транзисторов глубокую отрицательную обратную связь по переменному току. Это еще в большой степени ослабляют чувствительность к синфазным помехам.

Эта особенность дифференциального каскада усиливать только дифференциальный сигнал и подавлять синфазный является очень важной и полезной, так как большинство видов помех является син­фазными по отношению к цепям дифференциального каскада, так же как и напряжение дрейфа обоих плеч, а поэтому дифференциальный каскад их сильно подавляет по отношению к полезному сигналу.

Отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала Кд к коэффициенту усиления синфазного сигнала Кс называют коэффициентом ослабления синфазного сигнала Коос.

Дифференциальный каскад в зависимости от способа подачи сиг­нала на его вход и способа снятия усиленного сигнала с выхода мо­жет быть использован различно. Так, сигнал на вход дифференциаль­ного каскада можно подавать следующими тремя способами :

1) между точками 1 и 2 (симметричный вход);

2) между точками 1 и 0 (несимметричный вход);

3) между точкам 0 и 2 (несимметричный вход)/

Сигнал с выхода каскада также можно снимать тремя способами:

1) между точками З и 4 (симметричный выход);

2) между точками 3 и 0 (несимметричный выход);

3) между точками 0 и 4 (несимметричный выход).

Свойства дифференциального каскада сильно зависит от спосо­бов подачи и снятия сигнала. Наилучшие свойства каскад имеет в случае подачи симметричного сигнала между точками 1 и 2 и сня­тие симметричного же сигнала с точек 3 и 4.

Однако как источник сигнала, так и нагрузка далеко не всегда симметричны, и на практике очень часто приходится подавать на вход дифференциального каскада несимметричный сигнал по способу 1 или 3, а также и снимать усиленный сигнал несимметрично по способу 2′ и 3′. В этих случаях свойства дифференциального каска­да ухудшаются:

— при подаче сигнала по способам 2 и 3 между входными зажи­мами каскада 1 и 0 (или 0 и 2 ) имеется большая постоянная составляющая напряжения, которую необходимо компенсиро­вать;

— при снятии сигнала по способам 2’и 3′ реализуется только половина напряжения усиленного сигнала, в результате чего коэффициент усиления каскада оказывается вдвое меньше, в дополнение к большой постоянной составляющей напряжения между за­жимами 3 и 0 или 0 и 4. Для компенсации данных недостатков в схеме следует применять источник электропитания со средним выводом.

В этих случаях компенсация дрейфа и подавления синфазных сигна­лов ДК ослабляются и зависят только от величины сопротивления R₄ в общем проводе эмитирующих электродов, вводящего во вход­ную цепь каскада последовательную отрицательную обратную связь по току. Для симметричных входных сигналов (дифференциальных) эта обратная связь в каскаде отсутствует: при подаче на вход несим­метричного сигнала дифференциальный каскад работает как инвер­сный каскад с обратной связью, так как вносимая резистором R₄ об­ратная связь подает напряжение сигнала на ведомое плечо каскада. Для синфазных сигналов глубина отрицательной обратной связи, вносимой сопротивлением R₄ и подавляющей синфазные сигналы, здесь оказывается равной ( 1+2·S·R₄ ), где S- крутизна характеристи­ки выходного тока одного усилительного элемента каскада в точке покоя. Из сказанного следует, что подавление синфазных сигналов, а с ним и снижение дрейфа нуля у дифференциального каскада тем больше, чем выше крутизна характеристики усилительных элементов и чем больше величина R₄.

Увеличивать глубину обратной связи повышением крутизны ха­рактеристики усилительных элементов не удается, так как для увеличе­ния крутизны нужно увеличивать ток покоя, а это заставляет снижать сопротивление резистора R₄ при заданной величине допустимого па­дения на нем напряжения питания. Кроме того, при этом возрастает расход энергии на питание каскада.

Поэтому для повышения глубины обратной связи, улучшающей свойства каскада, следует увеличивать сопротивление резистора R₄. Но его нельзя брать слишком большим, так как через этот резистор проходит ток покоя обоих усилительных элементов и при чрезмерно большом сопротивлении падение напряжения питания будет недо­пустимо велико. Так, например, при токе покоя каскада 1мА и допус­тимом падении напряжения питания на резисторе R₄ 5В сопротивле­ние этого резистора должно быть равно

5/0.001 = 5000 Ом. При использовании в каскаде биполярных транзисторов и токе каждого из них 0,5 мА значение S составит около 0,02 А/В, что даст подавление синфазных сигналов в 1+ 2·0,02·5000≈200 раз, или 43 дБ, что обычно ока­зывается недостаточным. При использовании полевых транзисторов или пентодов подавление будет значительно меньше вследствие более низкой у них крутизны характеристики.

Для увеличения глубины обратной связи, при том же падении напряжения питания на R₄, в качестве последнего используют так называемый “ электронный резистор “ (стабилизатор тока или генератор стабильного тока ГСТ), уко­торого сопротивление переменной составляющей тока много больше сопротивления постоянного тока ( рисунок 1.62). Генератор стабильного тока является, по существу, стабилизированным по постоянному току каскадом, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером.

R₁ = 220 Ом должно падать напряжение U _R1 = 0,4 В. Следовательно эмиттерный ток будет равен 2 мА ( 0,4/220), таким образом, благодаря ГСТ в цепи эмиттеров транзисторов VT₁ и VT₂ течет суммарный ток 2 мА. Применение диода VD в нижнем плече делителя напряжения обеспечивает температурную компенсацию. Разность потенциалов на диоде падает с ростом температуры точно так же, как это имеет место с разностью потенциалов между базой и эмиттером, так что в широком диапазоне температур приложенное к базе напряжение согласуется с тем, какое требуется транзистору для поддержания тока эмиттера 2 мА. Иногда роль диода может играть транзистора с замкнутыми накоротко коллектором и базой, что приводит к идеальному отслеживанию температурных изменений, такую схему называют токовым зеркалом.

Рисунок 1.62 – Транзисторный генератор стабильного тока (ГСТ).

Принцип работы схемы на рисунке 1.62 следующий. Входные сигналы не могут изменить суммарный ток I_э в эмиттерной цепи, они могут только по разному распределять его между транзисторами. Следовательно, при тождественно одинаковых U’_вх и U»_вх ( синфазный сигнал ) никакой из коллекторных токов не меняется и выходной сигнал не возникает. Сигнал на выходе появляется только в том случае, когда U’_вх и U»_вх различны, при этом в один из транзисторов будет отводится большая доля суммарного тока эмиттера, нежели в другой.

Такие каскады дают подавление синфазных помех порядка 80 дБ и более.

Источник

Дифференциальный каскад

Значительно улучшает схему использование в паре двух одинаковых транзисторов, соединенных эмиттерами, – так называемого дифференциального каскада (см. рис. 6.9). Дифференциальные каскады в силу их удобства широко применяли еще в эпоху недоступности микросхем (в том числе даже и в ламповые времена), но теперь их отдельно почти не используют, кроме некоторых областей вроде звукотехники. Они являются основой операционных усилителей, которые имеет смысл рассматривать, как единое целое. Тем не менее, понимание принципов работы дифференциального каскада необходимо, и мы рассмотрим его вкратце, а потом (в главе 8 ) построим на его основе простейший звуковой усилитель.

Рис. 6.9. Дифференциальный каскад на биполярных транзисторах

Мы не будем здесь подробно разбирать работу этой схемы (рекомендую [4, 5]), только укажем некоторые ее особенности:

□ входное сопротивление дифференциального каскада равно входному сопротивлению каскада с общим коллектором;

□ усиление по напряжению (дифференциальному) составляет 100 и более раз.

Если вы хотите получить точно определенный коэффициент усиления, в каждый из эмиттеров нужно ввести по одинаковому резистору – тогда К_ус будет определяться, как для каскада на рис. 6.7. Но обычно в таком режиме дифференциальный усилитель не применяют – их используют в системах с общей обратной связью, которая и задает необходимый коэффициент усиления (см. главу 8 );

□ выходы строго симметричны;

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Дифференциальные усилители

Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказывал о генераторах пилообразного напряжения с использованием отрицательной обратной связи. Сегодняшняя статья посвящена такому классу электронных схем, как дифференциальные усилители.

Электрический мост – основа дифференциального усилителя

Одним из условий развития современной промышленности производства является широкое внедрение и использования средств автоматики и контроля. Для этого разработано большое количество различных датчиков, которые позволяют контролировать большинство параметров технологических процессов и характеристик выходного продукта.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

При современных требованиях к параметрам, выходной сигнала датчиков находится в пределах 0…20 мА, при этом колебания выходного сигнала соизмеримы с колебаниями источников питания устройств контроля (десятки мкА), а частота колебаний может составлять доли Герца. Поэтому применение обычных аналоговых усилителей весьма проблематично, вследствие того, что между каскадами усилителя обычно ставятся разделительные конденсаторы, не пропускающие постоянной составляющей сигнала. Кроме того конденсаторы вносят искажение в выходной сигнал.

Выходом из сложившейся ситуации является использование усилителей выполненных по так называемым балансным (балансно-разностным) схемам. Работа данных схем основана на электрическом мосту с симметричными плечами

Электрический мост с симметричными плечами.

Работа моста описывается следующим выражением

Таким образом, если выполняется данное условие, то при изменении напряжения питания ток в нагрузке остается равным нулю.

Схема дифференциального усилителя

Усилитель, выполненный по схеме электрического моста, называется дифференциальным усилителем и предназначен усиления разности между двумя входными сигналами. Простейшая схема дифференциального каскада усиления представлена ниже

Схема дифференциального каскада усиления.

Данная схема реализует электрический мост, плечи которого составляют резисторы R3 = R7 (коллекторные нагрузки транзисторов) и внутренне сопротивление транзисторов VT1 и VT2 совместно с резисторами R4’, R4’’ и R5. В одну из диагоналей моста подключен источник питания Ек, а в другую нагрузка, подключенная к выходным выводам (Вых.1 и Вых.2). Резисторы R1 = R7 и R2 = R8 служат для задания режимов работы транзисторов, а резисторы R4’, R4’’ и R5 для балансировки моста. Нормальная работа схемы обеспечивается симметрией электрического моста, в этом случае при отсутствии входного сигнала со стороны входа (Вх.1 и Вх.2) напряжение на выходе будет равно нулю в независимости от изменения напряжения питания.

Принцип работы дифференциального усилителя

Как говорилось выше, правильная работа дифференциального усилителя возможна при точной симметрии схемы. В этом случае ток покоя в обоих транзисторах и их изменение имеют одинаковое значение, так же как и напряжения на коллекторах транзисторов VT1 и VT2. Таким образом, при воздействии внешних факторов на транзисторы баланс моста не нарушается, а выходное напряжение не изменяется. В случае воздействия входного напряжения на один или оба входа схемы происходит изменение внутреннего сопротивления одного или обоих транзисторов и происходит разбалансировка моста и изменение выходного напряжения.

В реальных схемах достаточно трудно обеспечить абсолютную симметрию схемы, поэтому для регулировки токов покоя транзисторов используются резисторы R4’ и R4’’, которые иногда объединяют в общий переменный или подстроечный резистор, сопротивление которого составляет

Дифференциальные каскады усиления могут работать как с симметричными, так и с несимметричными входами и выходами. Несимметричным вход называется, в случае если входной сигнал поступает на один из входов (Вх.1 или Вх.2) и общим выводом, а симметричный вход – сигнал поступает между входными выводами. В случае с выходом происходит аналогичное именование: несимметричный выход – один из выходов (Вых.1 или Вых.2) и общий вывод, симметричный выход – между выходными выводами Вых.1 и Вых.2.

Несимметричные дифференциальные каскады обычно используются для перехода от несимметричных каскадов к симметричным каскадам и наоборот.

Основные параметры дифференциальных усилителей

Для дальнейшего повествования необходимо ввести такие понятия как дифференциальные и синфазные сигналы, которые действуют в дифференциальном усилителе.

Дифференциальные сигналы называют сигналы одинаковой амплитуды, но противоположные по фазе, присутствующие на входах дифференциального усилителя независимо от точки заземления усилителя.

Синфазные сигналы – это сигналы, имеющие одинаковую амплитуду и фазу одновременно присутствующие на обоих входах дифференциального усилителя.

Объяснить значение данных сигналов достаточно просто, как указывалось выше, дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности между сигналами на его входах. Таким образом, если одновременно на входы усилителя пришли сигналы с разным уровнем напряжения, то это дифференциальные сигналы, а если на входы пришли в один момент времени одинаковые по уровню напряжения сигналы то это синфазные сигналы. Дифференциальные сигналы приходят на вход усилителя, если использовать симметричный вход или несимметричные входа для разных сигналов в схемах сравнения. Синфазными сигналами являются, например, сигнал помехи или тепловые токи, действующие на входы усилителя одновременно с одинаковым уровнем напряжения.

Таким образом, сигналы на входах дифференциального усилителя поступают в виде суммы дифференциального и синфазного сигналов

Следовательно, входной уровень дифференциального сигнала будет равен

а коэффициент усиления дифференциального сигнала будет равен

Аналогично с синфазным сигналом. Входной уровень синфазного сигнала

а коэффициент усиления синфазного сигнала будет равен

Одним из основных параметров характеризующих качество дифференциального усилителя является коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС)

или же в логарифмической форме

Улучшение параметров дифференциального усилителя

Улучшение параметров дифференциального усилителя, прежде всего, связано с увеличением коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС). Наиболее простой способ это увеличение сопротивления эмиттерного резистора (R5 на схеме). Но это не всегда возможно, так как для поддержания заданного режима работы транзисторов необходимо увеличивать напряжение питания, и поэтому сопротивление данного резистора редко удается увеличить выше 3…6 кОм. Существует более качественный способ увеличения КОСС – применение источников тока. Одна из возможных схем дифференциального усилителя с транзисторным источником тока представлена ниже

Дифференциальный усилитель со стабилизатором тока в цепи эмиттера.

Улучшение работы дифференциального каскада со стабилизатором тока объясняется следующим образом. Стабилизатор тока в цепи эмиттера дифференциального каскада не даёт изменить суммарный ток транзисторов VT1 и VT2, поэтому входные сигналы, изменяя внутренне сопротивления данных транзисторов, как бы перераспределяют его между транзисторами. Следовательно, синфазные сигналы не изменяют коллекторный ток транзисторов, и выходное напряжение также не изменяется. Дифференциальные сигналы, пришедшие на входы каскада, как бы перераспределяют ток заданный стабилизатором тока, тем самым изменяя выходное напряжение. Например, на выводе Вх.1 напряжение больше, чем на выводе Вх.2, и поэтому ток транзистора VT1 увеличится за счёт тока транзистора VT2, изменяя выходное напряжение.

Расчёт дифференциального каскада усиления

Необходимо рассчитать дифференциальный усилитель со следующими параметрами: изменение входного сигнала ∆U_BX = 10 мВ, сопротивление источника сигнала R_Г = 1 кОм, изменение выходного напряжения ∆U_BbIX = 5 B.

Примем R_b2=R2=R8 = 10 кОм

где r_CE и r_BE – внутренние коллекторно-эмиттерное и базо-эмиттерное сопротивления транзистора

где U_γ – потенциал Эрли, который имеет следующие значения для n-p-n-транзисторов – 80…200 В, для p-n-p-транзисторов 40…150 В
U_Т – тепловой потенциал, равный 26 мВ для комнатной температуры
Таким образом, выходное дифференциальное сопротивление источника тока составит

Коэффициент усиления дифференциального сигнала

где R_ВХ – входное сопротивление дифференциального усилителя

где R11 – эквивалентное входное сопротивление
Rb – эквивалентное базовое сопротивление

а коэффициент дифференциального усиления составит

Коэффициент усиления синфазного сигнала

Коэффициент ослабления синфазного сигнала

К_ОССФ = 55803 раза или 95 дБ, что является достаточно неплохим результатом, так как в случае применения вместо стабилизатора тока обычного резистора порядка нескольких сотен Ом К_ОССФ составил бы 50…60 дБ, что является недостаточным значениемдля современного уровня развития электронных устройств.

Вместо заключения

Закончить статью о дифференциальных усилителях невозможно без рассказа о тех сферах, где они применяются. Как уже понятно из названия, прежде всего это применение в качестве усилителя с большим коэффициентом усиления. Также широко применяются в тех сферах, где обычные усилители неэффективны из-за большого уровня помех. Кроме этого на основе дифференциальных усилителей построены операционные усилители различного назначения, которые имеют коэффициент усиления от 100 тыс. нескольких миллионов, а входное сопротивление составляет порядка нескольких ГИГАОМ. Также дифференциальные усилители применяют прежде всего в схемах усилителей постоянного тока, для которых они и были разработаны в первую очередь, а также в схемах сравнения и так далее.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник