Дифференциальный каскад

План:

Введение

Дифференциальный каскад:

Парные усилители и квазиидеальный дифференциальный каскад

Подавление синфазного сигнала квазиидеальным ДК

Квазиидеальный ДК и его выходной сигнал

Несовершенство простого реального ДК как причина развития техники сложных ДК

Макромодели ДК

Параметры ДК:

Усилительные параметры

Входные сопротивления

Неидеальный источник эмиттерного тока ДК

Синфазный сигнал и CMRR

Бисекция для расчета режима ДК по постоянному току

Синфазное входное сопротивление ДК

Список литературы

Введение.

Дифференциальный каскад (ДК) представляет собой мостовую схему, в плечах которой включены идентичные элементы. В аналоговых интегральных микросхемах вследствие того, что все элементы создаются в едином технологическом процессе, практически обеспечивается идентичность резисторов и транзисторов. ДК питается от двухполярного источника питания с заземленной средней точкой, что позволяет подавать сигналы непосредственно на базы транзисторов. Если входы транзисторов заземлены, то токи транзисторов одинаковы, и вследствие идентичности резисторов Rk1 и Rk2 напряжение на дифференциальном выходе Uвых.д меду колекторами будет равно нулю. Если на входы схемы поданы сигналы одинаковые по величине и фазе, называемые синфазными, то токи обоих транзисторов будут изменяться на одинаковую величину, соответственно будут изменяться напряжения Uвых1 и Uвых2,а напряжение Uвых.д по-прежнему будет сохранаться равным нулю. Если на входы схемы поданы одинаковые по величине, но сдвинутые по фазе на 180* сигналы, называемые дифференциальными, то возрастание тока в одном плече будет сопровождаться уменьшением тока в противоположном, вследствие чего появится напряжение на дифференциальном выходе. Таким образом, схема в идеальном случае реагирует на дифференциальный сигнал и не реагирует на синфазный. Изменение температуры, паразитные наводки, старение элементов, флуктуация параметров транзисторов можно рассматривать как синфазные входные воздействия. Следовательно, ДК обладает очень высокой устойчивостью работы и малочувствителен к помехам.

Дифференциальный каскад.

Парные усилители и квазиидеальный дифференциальный каскад (ДК).

Изображенные на рисунке 1 а «почти» одинаковые транзисторы Т2 и Т1 образуют два несвязных друг с другом усилителя.

При подаче входных напряжений U2 и U1 напряжения на выходах усилителей Uвых2 и Uвых1 можно записать через почти одинаковые коэффициенты усиления К1 и К2 в виде

Uвых2 = К2 * U2 ,

(1)

Uвых1 = К1 * U1 .

Рис. 1 Парные усилители и квазиидеальный дифференциальный каскад: а) “почти” одинаковые транзисторы Т2 и Т1; б) те же Т2 и Т1 включены в цепь сДК с идеальным генератором тока I0 в эмиттерной цепи (вместе резисторов Ree цепи а)

Разность (дифференциал) выходных напряжений составит

DUвых =Uвых2 -Uвых1 = К2 * U2 - К1 * U1 . (2)

Представим входные напряжения в виде суперпозиции синфазной Uс и дифференциальной Ud составляющих:

U2 = Uс + Ud , (3)

U1 = Uс - Ud .

Откуда:

Ud = (U2 - U1 )/2, Uc = (U2 + U1 )/2. (4)

Подставив (3) в (2), получим:

DUвых = К2 * (Uс + Ud ) - К1 * (Uс - Ud ) = Uс * (К2 –К1) + Ud * (К2 +К1). (5)

Введя синфазный коэффициент усиления

Кс = К2 –К1 (6)

и дифференциальный коэффициент усиления

Кd = К2 +К1 , (7)

запишем (5) в виде:

DUвых = Uс * Кс + Ud * Кd . (8)

Пара (рис 1а) осуществляет, таким образом, вычитание сигналов на выходах усилителей; разность DUвых (формулы 2, 8) наблюдается между коллекторными выходами транзисторов Т2 и Т1.

Дифференциальный каскад (ДК, рис 1б) реализует вычитание сигналов на входах усилителей; разность DUвых /2 = dUвых наблюдается между коллектором Т1 и землей. При этом формулы (3-8) для ДК оказываются справедливыми (если заменить DUвых на dUвых = DUвых /2).

Вследствие наличия генератора тока в квазиидеальном ДК потенциал общей точки его эмиттеров (е на рис.1б) обычно близок к нулевому.

Подавление синфазного сигнала квазиидеальным ДК.

Пользуясь (8), рассмотрим следующие частотные случаи:

1. Если К2 = К1 (плечи одинаковы), то

dUвых = DUвых = Ud * Кd . (8а)

При этом ДК становится идеальным, а синфазный сигнал полностью подавляется.

2. Если Uс = 0, то dUвых / Ud = Uвых / Ud = Kd, где Kd (коэффициент усиления дифференциального сигнала) определяется формулой (7). При этом синфазный сигнал отсутствует.

3. Если Ud = 0, то DUвых / Uс = Kс = К2 –К1. Это коэффициент усиления синфазного сигнала, определяемый формулой (6).

Для общего случая, когда присутствуют и дифференциальные и синфазные сигеналы, используем выражение (8). Вынеся Ud * Кd за скобки, получим:

dUвых = Ud/2 * Kd/2 * (1 + Uс*Kс / Ud*Kd ). (9)

Введя в (9) коэффициент подавления синфазного сигнала (Common Mode Rejection Ratio, CMRR),

CMRR = Kd /Kс, (10)

Получим: dU0= Ud*Kd (1+ Uс/ Ud *CMRR )/2. (11)

Второй терм в скобках выражений (8-10) для ДК весьма мал. При полной симметрии плеч и идеальном эталоне тока, подключенном к точке e рис 1б(т.е. для идеального ) имеем: