Рис. 4.3. Способы связи и частотные характеристики усилителей: а – постоянного тока; б – переменного тока; в – узкополосного усилителя
Принадлежность к низко- или высокочастотным усилителям определяется не
столько построением схемы, сколько верхней граничной частотой применяемых
транзисторов. Важную роль играет также ток покоя транзистора в рабочей точке,
поскольку граничная частота fС приблизительно пропорциональна ему в диапазоне
слабых токов. К примеру, граничная частота дифференциального усилителя дос-
тигает 10 МГц при токе покоя 1 мА и всего лишь 100…300 кГц при токе 10 мкА.
Особое место занимают операционные усилители, которые получили большое
распространение, прежде всего на низких частотах, в качестве усилителей постоянного
тока универсального назначения. Операционные усилители применяют, как правило, для решения стандартных задач. К проектированию оригинальных интегральных усилителей или устройств на дискретных транзисторах прибегают только в тех случаях, когда серийно выпускаемые операционные усилители, перечисленные в библиотеках модулей, не удовлетворяют необходимым требованиям. В остальных случаях по возможности пользуются готовыми модулями, объединенными в библиотеки.
4.1. Схемы
Усилители состоят из одного или нескольких усилительных каскадов, каждый
из которых реализуется посредством одной или нескольких типовых схем на
биполярных или полевых транзисторах. Кроме того, отдельные транзисторы при-
меняются для установки рабочей точки остальных транзисторов.
4.2. Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель является симметричным и имеет два входа и два
выхода (рис. 4.4). Его образует пара схем с общим эмиттером или с общим истоком,
где выводы эмиттеров или истоков соединены и подключены к общему источнику тока.
Обычно такой усилитель питается положительным и отрицательным напряжениями, которые часто (но не обязательно) симметричны относительно нуля как, например, на рис. 4.4. Если имеется только положительное или только отрицательное напряжение питания, второе напряжение питания равно нулю.
Рис. 4.4. Базовые схемы дифференциальных усилителей: а – с n-p-n транзисторами;
б – с n-канальными МОП транзисторами
4.2.1. Синфазное и дифференциальное усиление.
При равных входных напряжениях (Ue1 = Ue2 = UGl , UD = 0) реализуется симметричный режим, и ток от источника тока разделяется поровну между обоими транзисторами:
В этом случае для выходных напряжений можно записать:
Изменения синфазного напряжения UGl называются синфазным сигналом. Он
ничего не меняет в распределении тока, пока транзисторы и источник тока не под-
вергнутся перегрузкам. Следовательно, при синфазном сигнале выходные напря-
жения остаются неизменными. Усиление синфазного сигнала в идеальном случае
равно нулю, но на практике оно характеризуется небольшой отрицательной величиной
AGl ≈ –10–4…–1. Причиной тому служит наличие внутреннего сопротивления реального источника тока.
При наличии разностного входного напряжения UD распределение тока изме-
няется, а вместе с ним меняются и выходные напряжения. Такой сигнал называют
дифференциальным сигналом, а соответствующее усиление – дифференциальным коэффициентом усиления:
Отношение дифференциального коэффициента усиления к синфазному назы-
вается ослаблением синфазного сигнала:
4.2.2. Свойства дифференциального усилителя.
Среди особенностей дифференциального усилителя центральное место занимает следующее положение:
он усиливает разностное напряжение между обоими входами независимо от
напряжения синфазного сигнала, пока оно остается меньше некоторой
предельной величины.
4.2.3. Несимметричный режим.
Дифференциальный усилитель способен работать в несимметричном режиме, когда один из входов находится под постоянным потенциалом, используется только один выход или оба.
4.2.4. Краткие выводы
Благодаря некоторым своим качествам дифференциальный усилитель является
одной из важнейших схем интегральной схемотехники. Он применяется не толь-
ко в усилителях, но и в компараторах, интегральных микросхемах эмиттерно-свя-
занной логики (ЭСЛ), регуляторах напряжения, активных смесителях и множе-
стве других устройств. Особым местом среди схем усиления он в первую очередь
обязан возможности почти свободно выбирать напряжение синфазного сигнала на
входе, что позволяет напрямую подключаться к любому источнику сигнала, если
напряжение его постоянной составляющей не выходит за пределы рабочего участ-
ка переходной характеристики для синфазного сигнала; при этом делители напря-
жения для установки рабочей точки и разделительные конденсаторы связи не тре-
буются. Отсюда также следует, что дифференциальный усилитель по своей сути
является подлинным усилителем постоянного напряжения. Усиливая, практиче-
ски, только разностный сигнал, он служит регулятором, так как образует разность
напряжений, выдает величину рассогласования и затем усиливает ее. В данном
устройстве объединены блоки вычитания и регулируемого усилителя контура
управления. Кроме того, на его основе строятся операционные усилители. В этом
смысле дифференциальный усилитель является наименьшим среди операционных,
а операционный усилитель представляет собой тот же дифференциальный усили-
тель, но более высокого качества.