Разновидности дифференциальных усилителей

В большинстве практических случаев ДУ используется как входной каскад многокаскадных усилительных ИС. Поэтому при разработке ДУ стремятся реализовать в нем значительное входное сопротивление для дифференциального сигнала. Одной из разно­видностей таких устройств является ДУ на составных транзис­торах (рис. 2.8). Здесь ГСТ изображен символически.

Отметим, что составной транзистор позволяет получить большой коэффициент усиления по току. При равенстве параметров транзисторов в плече ДУ его R_вхпл может быть рассчитано по формуле:

R_вх = β²R_э,

где вместо R, следует подставить сопротивление эмиттерного перехода r_э, транзистора Т₃ (или Т₄).

Для получения больших R_вхпл целесообразно использовать ДУ в режиме малых токов (в микрорежиме), что будет приводить к возрастанию r_э. Кроме того, желательно применять транзисторы с высокими значениями β.

Другой разновидностью ДУ с повышенным входным сопро­тивлением является усилитель на полевых транзисторах. На рис.2.9 приведена принципиальная схема одного из вариантов ДУ на МДП-транзисторах. Здесь использованы МДП-транзисторы с n-каналом, который может быть и встроенным, и индуцирован­ным. Подложки МДП-транзисторов могут быть соединены со своими истоками или с общей шиной.

В рассматриваемом ДУ МДП-транзисторы Т₁ и Т₂ выполняют свои основные усилительные функ­ции активных элементов, а Т_З и Т₄ - функции резисторов. Такой ДУ иногда называют усилителем с динамической нагрузкой. Коэффициент усиления по на­пряжению для дифференциального сигнала определяется отношением ширин каналов МДП-транзисторов (см. рис. 2.9) Т₁ и Т_З (или Т₂ и Т₄).

Тех­нологически это отношение сделать большим очень трудно, поэтому в реальных структурах К_{u диф} обычно не превышает 10, и коэффициент ослабления синфазного сигнала у таких ДУ тоже меньше, чем у ДУ на биполярных транзисторах. Однако входные сопротивления велики как для дифференциального, так и для синфазного сигналов (более 10¹⁰ Ом). В дифференциальных усилителях на МДП-транзисторах обычно R_{вх пл} определяется утечками структуры. Для получения ДУ с очень большими входными сопротивлениями и с хорошими другими параметрами целесообразно использовать усилитель рис.2.9 в котором транзисторы Т₁ и Т₂ являются МДП-транзисторами.

В ИС широкое распространение получили замены резисторов транзисторами, которые, являются наиболее предпочтительными элементами для ИС. Пример такой замены приведен (см. рис. 2.9). Однако не только МДП-транзисторы, но и биполярные широко используются в усилительных ИС (в частности, в ДУ) вместо резисторов R_к, т. е. выполняют в усилителях функцию динамических нагрузок.

Например, в ДУ с динамической нагрузкой (рис. 2.10) выполнен на комплементарных транзисторах: n-p-n-транзисторах Т₁, Т₂ и p-n-p-транзисторах Т_З и Т₄. Транзисторы Т₁ и Т₂ выполняют свои обычные функции усилительных элементов, а транзисторы Т₃ и Т₄ - нагрузочных элементов, т. е. резисторов. Транзистор Т₃ включен по схеме диода. Предположим, что на базу у транзистора Т₁ приложена в рассматриваемый момент положительная полуволна U_вх1. В результате в цепи транзистора Т₃ возникает приращение тока (∆I_к1), протекающего в направлении, указанном стрелкой (см. рис. 2.10).

За счет этого тока возникает приращение напряжения между базой и эмиттером Т₃, которое является приращением входного напряжения для транзистора Т₄. Таким образом в цепи «эмиттер – коллектор» Т₄ возникает приращение тока, практически равное ∆I_к1, поскольку в ДУ плечи симметричны. Структуру, основой которой являются тран­зисторы Т₃ и Т₄, принято называть отражателем тока, или токовым зеркалом. Отражатели тока находят широкое применение в современных ИС непрерывного дей­ствия.

Итак, в рассматриваемый момент на базу транзистора Т₂ приложена отрицательная полуволна U_вх2. Следовательно, в цепи его коллектора появилось отрицательное приращение тока (∆I_к2), протекающего в направлении, указанном стрелкой
(см. рис. 2.10). При этом приращение тока нагрузки для ДУ равно:

∆I_к1 + ∆I_к2,

т.е. ДУ с отражателем тока обеспечивает большее усиление дифференциального сигнала. В данном случае

К_uдиф = βR_н / (R_г + R_вх).

Необходимо также отметить, что для рассматриваемого варианта ДУ в режиме покоя ток нагрузки равен нулю.

В многокаскадных УПТ R_н является входным сопротивлением последующего каскада, значение которого, как было показано ранее, может быть очень большим. Таким образом, ДУ с от­ражателем тока является усилителем с большим К_{u диф} и, естественно, обладает всеми преимуществами дифференциальных усилителей.