Главная » Мануалы

1 2 3 4 5 6 7 8 ... 51


Фиг. 1.27. Основная схема дифференциального каскада на полевых транзисторах при синфазном сигнале на входе.

Сравнение случаев несимметричного и симметричного выходов на низких частотах приводит.к соотношению

iRr.

Данное выражение показывает, что величина коэффициента подавления при симметричном выходе значительно лучше, чем при несимметричном.

Разбалансы в основной схеме дифференциального каскада на полевых транзисторах (фиг. 1.27) подобным же образом делают дифференциальное выходное напряжение чувствительным к входным сигналам. Дифференциальные выходные напряжения погрешностей вызываются рассогласованием резисторов в цепях истоков и стоков, разбросом величин крутизны характеристики, неравенством сопротивлений источников сигнала, рассогласованиями токов утечек и емкостей затвор - исток. Влияние разбалансов в каскаде на полевых транзисторах чрезвычайно сходно с рассмотренным выше случаем для биполярных транзисторов и поэтому будет исследовано на основе уже про-веденного^ анализа; при этом можно опираться на аналогию эквивалентных схем фиг. 1.20 и 1.23. Рассогласование, истоковых



из-за AR[).

Чувствительность каскада на полевых транзисторах к синфазному напряжению порождается разбалансом величин выходных сопротивлений и его зависимостью от напряжения. Эти довольно низкие, порядка 300 кОм, сопротивления сильно нагружают выход каскада, влияя на коэффициент усиления. Поэтому баланс усилений гораздо сильнее зависит от рассогласования выходных сопротивлений по сравнению со случаем биполярных транзисторов. К тому же выходное сопротивление полевых транзисторов сильно здвисит от напряжения сток - затвор Vgs, существенно уменьшаясь при низких напряжениях. При снижении величины Vgs под действием напряжения синфазного сигнала усиление падает из-за шунтирования выхода. Возникающее при этом напряжение погрешности описывается выражением

01 - Ео2 ARq

Elcm ~ -

Лост из-за AR .

Рассогласование величин емкостей затвор -сток ACgd приводит к тому, что проходящие через них на выход токи оказываются неодинаковыми аналогично случаю разбаланса емкостей коллектор - база. Имеем

i = iRAC,a из-за АС .

Зависимо&ть токов утечки затвора от напряжения обусловливает синфазные погрешности из-за различий сопротивлений

резисторов и величин крутизны характеристики приводит к неодинаковому распределению синфазного тока между обеими половинами каскада, как'это имело место при разбалансе параметров переходов эмиттер -база и величин сопротивлений эмиттерных резисторов в случае каскада на биполярных транзисторах. Возникающее из-за этого напряжение на выходе определяется соотношением

Ео1-Е^2 AJ?-bA(l/gf,)

--р.---j ост

из-за А/?5 и Agfs, где hRs - рассогласование резисторов в цепи истока, Ag/s - разброс величин крутизны характеристики.

Как и прежде, неравенство величин сопротивлений нагрузок или выходных сопротивлений вызывает рассогласование коэффициентов усиления по синфазному сигналу между двумя половинами каскада. Получаем



Падение входных токов на неравных сопротивлениях источников сигнала создает напряжение погрешности между входами каскада аналогично уже рассмотренному случаю для биполярных транзисторов. Эта погрешность усилится каскадом и попадет на выход; ее разделяют с помощью следующих выражений:

Е ,-Е / ARA

ы--о2 в^ из-за ARq.

Eicm У Eicm

Точно так же неравные токи затворов, протекая через сопротивления источников сигнала, вызывают погрешность, выражаемую уравнением

Eicm VEirm

Теперь можно записать полное выражение. Описывающее чувствительность дифференциального каскада к синфазным

из-за Iqs.

источников сигнала и токов затворов. Синфазное напряжение непосредственно воздействует на величину напряжения сток - затвор Vgd и, таким образом, вызывает изменения токов утечки затвора. Известное уравнение перехода очень плохо описывает поведение тока затвора; последний представляет собой ток запертого р - п-перехода. Ток утечки, обусловленный главным образом процессом термогенерации в области пространственного заряда, пропорционален объему этой области; Последний зависит от градиента концентрации примесей в переходе и пропорционален квадратному или кубическому корню из величины запирающего напряжения на переходе 14]. Напряжение между стоком и затвором Vgd обычно больше напряжения между истоком и затвором, поэтому оно будет в основном определять ток утечки затвора, зависящий от величины сигнала. Приближенно

lo-VVy (1.45)

и ток, возникающий под действием синфазного напряжения, будет равен

где /в - входной ток смещения или ток утечки затвора полевого транзистора.

Подобным же образом разброс величин токов затворов приводит к появлению разностного входного тока. Имеем



сигналам, порождаемую разбалансами схемы. Используя полученные выше соотношения, приходим к результату

- {Iв ARa ± losRa) ± JRo C., (I -46)

где

A ~ :

ocm 2R

Отдельные разбалансы указаны здесь под символами разности; исключение .представляет величина разностного тока los- Первая группа членов относится к чувствительностям, обусловленным отдельными разбалансами. Выражение (1.46) одинаково пригодно для каскадов с симметричным и несимметричным выходами; необходимо лишь в каждом из этих двух случаев подразумевать под Аост соответствующую величину коэффициента усиления синфазного сигнала. При симметричной нагрузке с усиленным входным сигналом непосредственно суммируется только сигнал дифференциальной погрешности. Следовательно, в соответствии с уравнением (1.46) получаем

cmd- i

± T7= ih A/?o ± /osg) ± hRo ACd-

r ttcm

.47)

В случае несимметричного выхода к выходному сигналу прибавляются как синфазные, так и дифференциальные напряжения погрешностей. Для определения синфазной составляющей на выходе следует воспользоваться выражением коэффициента усиления синфазного сигнала из разд. 1.3, а именно

l+2iioRcMCga

ост

(1.39)

Синфазное выходное напряжение, пропорциональное величине Лоот, значительно превышает дифференциальное при условии,



ЧТО разбалансы схемы малы. Из уравнений (1.39) и (1.46) получаем

£01 -

2E{ctn Eicm Eicm

ост /1 1 n \ /, I i

(1.48)

Подавление синфазного сигнала на низких частотах CMRRs равно отношению найденных выше коэффициентов усиления по постоянному току синфазной и дифференциальной составляю-ших. Последний был определен в разд. 1.1. Таким образом,

SfsRi

(1.9)

. CMRR, . . (1.49)

Как уже говорилось, каскад с дифференциальным выходом значительно менее чувствителен к синфазным сигналам. Соответствующий параметр подавления CMRRd на низких частотах в' этом случае определяется соотношением

CMRR =

VEum

(Ь50)

Коэффициент подавления синфазной помехи дифференциального каскада на полевых транзисторах с симметричной нагрузкой обычно на порядок ниже, чем у каскада на биполярных транзисторах. Это обусловлено низкой и непостоянной величиной выходного сопротивления полевых транзисторов. В рассмотренных выше случаях резистивного смещения эмиттерных цепей типичные величины коэффициента подавления CMRR составляют соответственно 10 и 100. Использование транзисторного Источника тока для задания режима позволяет существенно улучшить эти показатели. Об этом пойдет речь в следующем разделе. Подавление синфазной помехи каскадами на полевых транзисторах значительно меньше зависит от сопротивления источника сигнала, чем в случае биполярных транзисторов. Это особенно сказывается при сопротивлениях свыше 50 кОм,



1.5. Проектирование дифференциальных каскадов

В процессе проектирования дифференциальных каскадов рассматриваются взаимозависимости различных параметров. Настоящий раздел может служить руководством при использовании этой книги для расчета дифференциальных каскадов: здесь указываются те основные характеристики, на которые оказывают влияние конкретные схемные рещения, и, кроме того, даны ссылки на другие разделы, где более подробно освещены отдельные вопросы. При выборе элементов схемы приходится учитывать противоречивые требования по усилению и полосе пропускания, синфазному подавлению и допускам на рассогласования компонентов и т. д. Рассматриваются схемотехнические усовершенствования, которые позволяют улучшить ряд параметров без существенного ухудшения других и, таким образом, избежать некоторых компромиссных решений. Характеристики, охБгЗтываемые в процессе проектирования, включают усиление, полосу пропускания, входное сопротивление, диапазон синфазных сигналов и величину коэффициента их подавления, входные токи и напряжение смещения, температурный дрейф, скорость нарастания и параметры шума.

При обсуждении используются простейшие схемы каскадов, показанные на фиг. 1.28. В случае бипалярных транзисторов тока коллектора /с выбирается из соображений получения малых входных токов смещения /д-и одновременно обеспечения достаточных величин выходного тока и скорости нарастания.


V.6 Vi

Фиг. 1.28. Простейшие дифференциальные каскады.



dt ~~ С

где С -емкость нагрузки.

Использование данного выражения с учетом чувствительности к выходному току позволяет выбрать режим, соответствующий минимуму входного тока, разностного тока и их дрейфа, в пределах, ограниченных требованиями по скорости нарастания. При рассмотрении больших диапазонов уровней коллекторного тока зависимость малосигнальной частотной характеристики от величины /с начинает оказывать влияние на этот выбор, потому что требуемая величина емкости корректирующего конденсатора может изменяться в зависимости от /с. Токи покоя транзисторов каскада равны

Входные токи представляют собой базовые токи транзисторов, и их величины прямо пропорциональны токам коллекторов. Протекание базовых токов через сопротивления источников сигналов вызывает появление входного напряжения погрешности. .В случае равенства сопротивлений аналогичная погрешность возникает вследствие разности этих токов, именуемой разностным входным током. Входные токи сильно зависят от температуры (см. гл. 2). При работе с выхода предшествующего дифференциального каскада входные токи и их температурный дрейф приводят к дрейфу нагружаемого каскада (см. гл. 4). В каскадах на полевых транзисторах ток стока чаще всего выбирается соответствующим режиму с нулевым температурным коэффициентом. При этом достигается минимальный дрейф по напряжению, приведенный к входу, как будет показано в следующей главе.

Чувствительность каскада к изменениям тока на выходе и скорость нарастания под емкостной нагрузкой прямо связаны с величинами токов смещения. Малые разбалансы между выходными токами, рассматриваемые в гл. 4, вызывают появление значительного напряжения смещения и дрейфа, приведенных к входу. При работе на емкостную нагрузку, например в случае каскадов с цепью коррекции, исследуемых в гл. 5, скорость изменения выходного напряжения ограничена током, необходимым для перезаряда конденсатора. Этот ток обычно представляет собой по величине сумму коллекторных токов первого каскада, поскольку входной сигнал может полностью закрыть один из транзисторов каскада для того, чтобы весь ток, задаваемый резистором Rcm, пошел на заряд конденсатора. Таким образом, скорость нарастания на выходе биполярного транзисторного каскада равна

de 2/



52 - . . - Глава 1

или

Rcm

После того как выбран режим по току, рабочие точки каскада по напряжению определяются выбором сопротивлений. Величины сопротивлений резисторов в цепях коллекторов Rc или резисторов в цепях стоков Rb выбираются исходя из условий обеспечения необходимого коэффициента усиления и размаха выходного напряжения. При этом учитываются ограничения, накладываемые на режим диапазоном синфазного сигнала. Согласно уравнениям (1.2) и (1.9), коэффициенты усиления каскада пропорциональны величинам сопротивлений резисторов в цепях коллекторов или стоков. Стабилизация соответствующих коэффициентов производится в эмиттерах или истоках местной отрицательной обратной связи резисторами Re или Rs, уменьшающими чувствительность каскада к изменениям динамических сопротивлений эмиттерных переходов Ге или величин крутизны характеристики gfs. Оба указанных параметра зависят от температуры; величины gfs имеют большой разброс. Кроме того, согласно выражению (1.4), резисторы в цепях эмиттеров существенно увеличивают входное сопротивление для дифференциального сигнала. Уровень постоянного выходного напряжения Ео при заданной величине тока каскада, определяемой, выбором резистора Rcm, обусловлен величинами Rc или Rd-В случае каскадов, показанных на фиг. 1.28, увеличение синфазного сигнала уменьшает напряжения коллектор - база или затвор - исток, и диапазон синфазных напряжений на входе ограничивается насыщением. Работа в активной области обеспечивается при положительных напряжениях на коллекторе относительно базы или при напряжениях затвор - исток, превышающих некоторую минимальную величину Vs. Допустимое синфазное напряжение положительной полярности для входных каскадов на биполярных транзисторах равно

y-lCM+m&x- 2/? -4- Р

СМ С

Аналогичное выражение в случае полевых транзисторов имеет вид

(Е ) - см (-ь - Vs) + Rd (Уos + яз + -)

\1СМ+)т&х- 9Р J- Р

Воздействие входного синфазного сигнала отрицательной полярности сопровождается уменьшением тока каскада, что ограничивает его максимальный размах. Стабилизация токов коллекторов или стоков при воздействии синфазных сигналов и уве-



личение диапазона синфазных сигналов достигается при помощи схемы с транзисторным источником тока вместо резистора Rcm, как будет показано ниже.

Согласование характеристик

\ элементов обеих половин каскада позволяет улучшить подавление

t синфазного сигнала и уменьшить температурный дрейф. В предыдущем разделе были проанализиро-

< ваны синфазные погрешности, связанные с разбалансами резисторов и транзисторов. Согласование на-

пряжений эмиттер - база бипо-

лярных транзисторов или использование полевых транзисторов сочень близкими параметрами по постоянному току снижает напряжение смещения и его температурный дрейф. Этот вопрос обсуждается в следующей главе. Там же анализируется уменьшение входных токов и их дрейфа при выборе биполярных транзисторов с одинаковыми величинами коэффициентов усиления или

полевых транзисторов с равными токами затворов. Требования по шумовым параметрам, рассматриваемые в той же главе, также заставляют тщательно подходить к выбору транзисторов.

Чувствительность к синфазным входным напряжениям, согласно разд. 1.4, понижается при увеличении сопротивления резистора Rcm. Величина коэффициента их подавления CMRR также пропорциональна этому сопротивлению. Существенное улучшение этого коэффициента подавления достигается при замене резистора Rcm транзисторным источником тока, как показано на фиг. 1.29. Режим транзистора задается здесь делителем напряжения. При этом на резисторе Re установится фиксированное падение напряжения и выходной ток источника будет неизменным в соответствии с соотношением


Фиг. 1.29. Дифференциальный каскад с транзисторным источником тока смещения.

1см -

Динамическое выходное сопротивление биполярного транзистора имеет величину порядка 10 МОм и увеличивает коэффициент CMRR на два порядка в случае дифференциального



54 ... - Глава 1

каскада с типовыми параметрами. Максимальная величина выходного сопротивления источника тока получается при малых сопротивлениях Rb в цепи базы транзистора. Это вытекает из выражения для выходного сопротивления каскада с общим эмиттером из разд. 1.1 при выполнении условий р 1 и Re < Гс. Очевидно,

Re-V

в

т

RcMRo гс ,1 =10 МОм.

На высоких частотах выходное сопротивление источника шунтирует<;д его емкостью перехода коллектор - база, как показано в разд. 1.2 для выходного сопротивления дифференциального каскада. Из предшествующего анализа известно, что эквивалентная емкость транзисторного источника тока будет вдвое больше, чем в дифференциальном каскаде, состоящем из двух последовательно включенных транзисторов. Из выражения (1.21) получаем

Г' ~ г

Re-V-

Частота полюса выходного сопротивления равна

] , =-!-= 5кГц.

Добавление резистора Rcm последовательно с выходом источника тока позволяет избежать сильного снижения сопротивления для синфазного сигнала на высоких частотах. Выходное сопротивление источника тока будет теперь равно

Типовые величины коэффициента CMRR для каскадов на биполярных транзисторах составляют 50 000 в случае симметричного и 2000 в случае несимметричного выходов. Аналогичные значения для каскадов на полевых транзисторах имеют порядок 1000 и 500 соответственно. Входное сопротивление для синфазного сигнала также улучшается вследствие высокого выходного сопротивления источника тока. В данном случае входное сопротивление ограничено только обратной связью через сопротивления коллекторных переходов входных транзисторов. Из выражения (1.27) имеем

Ricm при условии Rcm > -j--



1 2 3 4 5 6 7 8 ... 51

Яндекс.Метрика