Дифференциальный усилительный каскад

Схемы дифференциальных каскадов на биполярных и полевых
транзисторах, принцип работы, основные характеристики

Дифференциальный каскад (ДК) или параллельно-балансный каскад (Рис.1) – это схемотехническое построение, образованное симметричным включением двух усилительных каскадов с общим эмиттером (истоком), в котором эмиттеры (истоки) подключены к общему источнику стабильного тока.


Рис.1 Базовые схемы диф. каскадов на биполярных и полевых транзисторах

Как можно увидеть на схемах, два идентичных транзистора дифференциального каскада питаются общим током, заданным внешним источником, причём его роль может выполнять как активный источник тока, так и резистор достаточно большого номинала.

Входные сигналы подаются на базы (затворы) транзисторов каскада, а выходными сигналами служат напряжения на коллекторах (стоках) транзисторов.
Исходя из этого, можно дать ещё одно определение дифференциального каскада. Диф. каскад – это симметричный усилитель с двумя входами и двумя выходами, использующийся для усиления разности напряжений двух входных сигналов, т. е. усиливающий только дифференциальный сигнал и не реагирующий на синфазный. Таким образом, данный усилитель подавляет усиление внешней электромагнитной помехи, действующей синфазно на оба входа одновременно, хотя справедливости ради можно отметить, что диф. каскад не является единственным построением с дифференциальными входами.

1. Дифференциальные каскады на биполярных транзисторах

Коэффициент усиления каскада на БТ для дифференциального сигнала (на базы подаются два одинаковых по величине, но противоположных по фазе сигнала) равен:
K_U ≈ R_к/2r_э , где R_к – величина сопротивлений в каждом из коллекторов ДК, а r_э – внутреннее сопротивление эмиттеров транзисторов, равное rэ(Ом) = 25,6/Iэ (мА).
Если снимать разностный выходной сигнал (дифференциальный выход, т. е. выход между двумя коллекторами дифференциального усилителя), то усиление равно:
K_U ≈ R_к/r_э .

Входное комплексное сопротивление ДК при усилении дифференциального сигнала равно удвоенному входному сопротивлению каскада ОЭ и вычисляется по формуле:
R_вх = 2r_э*h₂₁ .
Входное сопротивление для синфазных сигналов очень велико и обычно составляет единицы-десятки мегаом, а вычислить его можно по формуле:
R_вх = 2R_ист*h₂₁ , где R_ист – выходное сопротвление источника тока (сотни кОм).

Выходное сопротивление каждого плеча диф. каскада приблизительно равно:
R_вых ≈ R_к ;
при дифференциальном съёме сигнала (между коллекторами транзисторов):
R_вых ≈ 2R_к .


2. Дифференциальные каскады на полевых транзисторах

Усиление каскада на ПТ для дифференциального сигнала примерно равно:
K_U ≈ S*R_c , где R_с – значения сопротивлений в стоках транзисторов.
Если снимать разностный (дифференциальный) выходной сигнал между двумя стоками усилителя, то усиление равно:
K_U ≈ 2S*R_c .

Входные сопротивления каждого из каскадов на ПТ очень высоки и исчисляются десятками-сотнями МГц.

Выходное сопротивление каждого плеча диф. каскада приблизительно равно:
R_вых ≈ R_с ;
при дифференциальном съёме сигнала (между стоками транзисторов):
R_вых ≈ 2R_с .


3. Конфигурации дифференциального каскада


Рис.2 Конфигурации включения дифференциального каскада

Дифференциальный каскад может работать как в симметричном режиме по входу (Рис.2 а, б), так и в несимметричном режиме по входу (Рис.2 в, г, д), при котором управляющее напряжение подаётся только на один из входов каскада, а другой по переменному току заземлён. Такой каскад преобразует несимметричный входной сигнал в два противофазных выходных напряжения близкой амплитуды. Равенство амплитуд двух плеч тем точнее, чем выше коэффициент ослабления синфазного сигнала, который, в свою очередь, определяется идентичностью параметров транзисторов и величиной сопротивления источника тока.

Несимметричная нагрузка может подключаться к любому из двух плеч каскада, при этом коэффициент усиления уменьшается вдвое по сравнению с симметричным выходом. В схемах с несимметричным входом и несимметричным выходом предпочтительнее неинвертирующее включение (Рис.2 г), в котором коллектор входного транзистора подключен к шине питания, что обуславливает отсутствие эффекта Миллера. Такое построение можно рассматривать как двухкаскадный усилитель с эмиттерной связью, в котором входной транзистор работает в режиме с общим коллектором, а выходной – в режиме с общей базой.

4. Методы совершенствования дифференциального усилителя

4.1. Линеаризация с помощью местной обратной связи

Рис.3 Линеаризация ДК с помощью мест- ной ООС

Для балансировки плеч и повышения линейности дифференциального каскада в него может вводиться местная отрицательная обратная связь (ООС) в виде дополнительных эмиттерных (истоковых) резисторов Re (Рис.3). Коэффициент усиления такого каскада уменьшается примерно в КООС раз, где КООС = (rэ + Re)/rэ – это коэффициент ООС, а rэ – внутреннее сопротивление эмиттеров транзисторов. Уменьшение коэффициента нелинейных искажений при равном выходном дифференциальном напряжении (по сравнению с без ООС-ным исполнением) при введении местной ООС пропорционально квадрату КООС. В связи с этим линейный диапазон выходных напряжений также пропорционально расширяется. Негативными последствиями от введения местной ООС являются увеличение шумов и снижение коэффициента ослабления синфазного напряжения в КООС раз.

Повышенный уровень шума обусловлен тепловыми шумами эмиттерных резисторов и тем выше, чем выше номинал этих сопротивлений.
Именно по перечисленным выше причинам на практике значения этих резисторов выбираются не слишком высокими (как правило, десятки-сотни Ом).

4.2. Повышение коэффициента усиления дифференциального каскада

Повышение усиления дифференциального каскада преимущественно реализуется путём введения активной нагрузки (Рис.4).


Рис.4 Дифференциальный каскад с активной нагрузкой

Простейший дифференциальный каскад (Рис.1) с резисторами в коллекторных (стоковых цепях) позволяет довести коэффициент дифференциального усиления до 30...40 дБ ценой увеличения номиналов резисторов и повышения напряжения источника питания.
Дальнейшего увеличения K_u без повышения напряжения питания можно добиться заменой резисторов на высокоомную активную нагрузку (Рис.4 а, в).
Предельный малосигнальный коэффициент усиления подобных простых каскадов с активными нагрузками ограничен сверху эффектом Эрли. Для биполярного каскада с простым токовым зеркалом K_u составляет около 60 дБ. Для схем, построенных на МДП или МОП полевых транзисторах, за счёт меньшей крутизны – 40...45 дБ.

Замена простого токового зеркала на каскодное зеркало (Рис.4 б, г) подавляет эффект Эрли в транзисторах зеркала и позволяет удвоить K_u.

Однако радикального повышения усиления диф. каскада (вплоть до 90…100 дБ с биполярными транзисторами и 50...80 дБ с полевыми) можно получить лишь при использовании каскодной схемы и в усилительной дифференциальной паре (Рис.5).


Рис.5 Диф. каскад с усилительным каскодом и каскодным токовым зеркалом

В данной схеме эффект Эрли подавляется не только в токовом зеркале, но и в усилительной дифференциальной паре за счёт фиксации каскодами напряжения на её коллекторах (стоках). Это позволяет дополнительно повысить усиление биполярного диф. каскада в h₂₁ раз. Помимо увеличения K_u в приведённой схеме, происходит расширение частотного диапазона в сторону высоких частот, так как основное усиление происходит за счёт дополнительно введённых транзисторов, представляющих собой каскады с общей базой (общим затвором).