4 .1.4. Балансные и дифференциальные каскады

Очень сильно дрейф нуля можно уменьшить использованием балансных схем, выходная цепь которых представляет собой схему сбалансированного моста, к одной диагонали которого подводится питание, а с другой диагонали снимается выходное напряжение. Примерами балансных каскадов являются двухтактный резисторный каскад и инверсный каскад с обратной связью. В идеальных каскадах такого типа, имеющих совершенно одинаковые усилительные элементы в обоих плечах схемы и одинаковые резисторы R в выходных цепях усилительных элементов, напряжение питания оказывается полностью сбалансированным и в выходной цепи каскада отсутствует. При воздействии же на каскад каких-либо дестабилизирующих факторов (изменения температуры, напряжения питания и т. д.) напряжение покоя на выходных электродах обоих усилительных элементов изменяется совершенно одинаково, схема по-прежнему остается сбалансирован-ной и напряжение дрейфа на выходе не появляется. Таким образом, идеальный балансный каскад с совершенно одинаковыми плечами схемы полностью компенсирует постоянную составляющую напряжения дрейфа. Однако на практике плечи балансного каскада никогда не бывают абсолютно одинаковыми, и поэтому дрейф не уничтожается полностью, а уменьшается тем сильнее, чем симметричнее схема.

В балансных каскадах усилительные элементы можно включить либо последовательно друг с другом по отношению к источнику питания, либо параллельно. Параллельные балансные каскады более удобны для практического использования и для микроэлектронной технологии, а поэтому в настоящее время в основном и применяются. Наиболее распространенным и употребительным параллельным балансным каскадом является дифференциальный каскад, по схеме отличающийся от инверсного каскада с обратной связью лишь тем, что имеет два входа, симметричных относительно общего провода схемы (рис. 4.1.5). Напряжение усиленного сигнала на выходе дифференциального каскада Uвых (между точками 3 и 4) равно его коэффициенту усиления Кд, помноженному на разность напряжений сигналов, подводимых к его входам:

(4.1.4)

(4.1.5)

Свое название дифференциальный каскад получил потому, что он усиливает только дифференциальный (разностный) сигнал, т. е. разность напряжений сигнала между первым и вторым входами. Разность Uвх1 -Uвх2 будет наибольшей в том случае, когда Uвх1 и Uвх2 имеют разные знаки, т. е. противоположны по фазе, так как при этом их абсолютные значения сложатся; такой входной сигнал называют дифференциальным входным сигналом. Если же Uвх1 и Uвх2 имеют одинаковую фазу, то сигнал называют синфазным. При подаче на симметричный вход дифференциального каскада (между точками 1 и 2) симметричного синфазного сигнала, у которого Uвх1 = Uвх2, разность Uвх1 и Uвх2 равна нулю и напряжение сигнала на выходе симметричного дифференциального каскада (между точками 3 и 4) будет отсутствовать. Следовательно, совершенно симметричный дифференциальный каскад синфазный сигнал на выход пропускать не будет. 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 его плеч, а поэтому дифференциальный каскад их сильно подавляет по отношению к полезному дифференциальному сигналу. Отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала Кд к коэффициенту усиления синфазного сигнала Кс называют коэффициентом подавления синфазных сигналов Пс:

Пс= Кд/Кс (4.1.6)

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 входной сигнал);

2) между точками 1 и 0 (несимметричный входной сигнал);

3) между точками 0 и 2 (несимметричный входной сигнал).

Сигнал с выхода каскада также можно снимать тремя способами: 1’) между точками 3 и 4 (симметричный выходной сигнал); 2’) между точками 3 и 0 (несимметричный выходной сигнал); 3’) между точками 0 и 4 (несимметричный выходной сигнал). Свойства дифференциального каскада сильно зависят от способов подачи и снятия сигнала. Наилучшие свойства каскад имеет в случае подачи симметричного сигнала между точками 1 и 2 и снятия симметричного же сигнала с точек 3 и 4. У идеально симметричного каскада в этом случае полностью отсутствует дрейф нуля и он полностью подавляет синфазные сигналы. Однако в действительности вследствие неодинаковости компонентов в плечах каскада, нарушающей симметрию плеч схемы, подавление, дрейфа оказывается неполным; при интегральном выполнении каскада на одной пластинке из полупроводника и хорошей технологии процесса можно добиться уменьшения напряжения дрейфа каскада по сравнению с обычным резисторным каскадом в несколько сотен раз и получить коэффициент подавления синфазных сигналов Пс свыше 1000 (более 60 дБ).

Коэффициент усиления дифференциального каскада при подаче на него симметричного сигнала по способу 1 (между точками 1 и 2) и снятия усиленного сигнала по способу 1 (между выходами 3 и 4) равен коэффициенту усиления обычного резисторного каскада и определяется теми же самыми формулами; постоянная составляющая напряжения между входами 1 и 2, так же как и между выходами 3 и 4, в этом случае отсутствует. Частотная и переходная характеристики, его на высоких частотах и в области малых времен такие же, как у обычного резисторного каскада. 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 2 или 3, а также и снимать усиленный сигнал несимметрично по способу 2’ или 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, а при снятии сигнала по способу 2' или 3' реализуется только половина напряжения усиленного сигнала, в результате чего коэффициент усиления каскада оказывается вдвое меньше, в дополнение к большой и постоянной составляющей напряжения между зажимами 3 и 0 или 0 и 4. Для компенсации постоянной составляющей между входными зажимами при несимметричном источнике сигнала питание дифференциальных каскадов часто осуществляют от источника питания со средней точкой или выводом, соединяемым с нижним (непотенциальным) концом источника сигнала (рис. 4.1.6).

Рис. 4.1.6. Питание дифференциального каскада от двух источников или от одного источника со средней точкой

При работе дифференциального каскада на следующий обычный каскад с несимметричным входом усиленный сигнал с дифференциального каскада снимают по способу 2' или 3'; в этих случаях компенсация дрейфа и подавление синфазных сигналов дифференциальным каскадом ослабляются и зависят только от величины сопротивления Rэ в общем проводе эмиттирующих электродов, вводящего во входную цепь каскада последовательную отрицательную обратную связь по току. Для симметричных входных сигналов (дифференциальных) эта обратная связь в каскаде отсутствует, так как в этом случае текущий через Rэ ток сигнала одного плеча компенсируется равным ему током сигнала другого плеча; при подаче на вход несимметричного сигнала дифференциальный каскад работает как инверсный каскад с обратной связью, так как вносимая резистором Rэ обратная связь подает напряжение сигнала на ведомое плечо каскада. Для синфазных сигналов глубина отрицательной обратной связи, вносимой сопротивлением Rэ и подавляющей синфазные сигналы, здесь оказывается равной l+2SRэ, 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 Rэ.

Увеличить 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 Rэ 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 Rэ. 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 не будет недопустимо велико. Так, например, при токе покоя каскада 1 мА и допустимом падении напряжения питания на Rэ 5 В 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 5 составит около 0,02 А/В, что даст подавление синфазных сигналов в 1+2*0,02*5000 200 раз, или около 43 дБ, что обычно оказывается недостаточным. При использовании полевых транзисторов, подавление будет значительно меньше, вследствие более низкой, у них, крутизны характеристики.

Рис. 4.1.7. Дифференциальные каскады: а — с простейшим стабилизатором тока в цепи эмиттеров; б — с улучшенным стабилизатором тока, имеющим повышенное сопротивление

Для увеличения глубины обратной связи при том же падении напряжения питания на Д3 в качестве последнего используют так называемый «электронный резистор» (стабилизатор тока), у которого сопротивление переменной составляющей тока много больше сопротивления постоянному току (рис. 4.1.7а).

Рис. 4.1.8. Биполярный транзистор в качестве стабилизатора тока

Наилучшим стабилизатором тока является включенный с общим эмиттером биполярный транзистор, обладающий большим выходным сопротивлением при наименьшем падении на нем напряжения питания (рис. 4.1.8); пригодны для этой цели также полевой транзистор и пентод. При токе коллектора 1 мА и падении напряжения питания коллектор — эмиттер 5В, сопротивление биполярного транзистора постоянному току равно 5000 Ом, а его выходное сопротивление переменной составляющей тока при включении с общим эмиттером в этих условиях оказывается порядка 30-50 кОм, т. е. примерно в 10 раз больше, чем для постоянного тока. Это дает возможность получить подавление синфазных сигналов уже порядка 60 дБ. Для увеличения выходного сопротивления транзистора, используемого в качестве стабилизатора тока, в цепь его эмиттера в современных схемах дифференциальных каскадов обычно вводят резистор Rт с небольшим сопротивлением (сотни или тысячи ом), повышающий, вследствие вносимой отрицательной обратной связи по току, выходное сопротивление стабилизирующего транзистора до нескольких сотен килоом, а в цепь базы вводят диод, осуществляющий температурную компенсацию (рис. 2.10.7б). Такие каскады дают подавление синфазных помех порядка 80 дБ и более.