7.3.4.   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. 7.8). Здесь ГСТ изображен символически.

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

Rвх = β2Rэ,

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

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

Другой разновидностью ДУ с повышенным входным сопро­тивлением является усилитель на полевых транзисторах. На рис.7.9 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 ТЗ 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. 7.9) Т1 и ТЗ (или Т2 и Т4).

Тех­нологически это отношение сделать большим очень трудно, поэтому в реальных структурах Кu 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 Rвх пл определяется утечками структуры. Для получения ДУ с очень большими входными сопротивлениями и с хорошими другими параметрами целесообразно использовать усилитель рис.99, 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. 7.9). Однако не только МДП-транзисторы, но и биполярные широко используются в усилительных ИС (в частности, в ДУ) вместо резисторов Rк, т. е. выполняют в усилителях функцию динамических нагрузок.

Подпись:  

Рис. 7.10. ДУ с динамической нагрузкой
Например, в ДУ с динамической нагрузкой (рис. 7.10) выполнен на комплементарных транзисторах: n-p-n-транзисторах Т1, Т2 и p-n-p-транзисторах ТЗ 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 Uвх1. В результате в цепи транзистора Т3 возникает приращение тока (∆Iк1), протекающего в направлении, указанном стрелкой (см. рис. 7.10).

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 ∆Iк1, 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 Uвх2. С
ледовательно, в цепи его коллектора появилось отрицательное приращение тока (∆Iк2),  протекающего в направлении, указанном стрелкой (см. рис. 7.10). При этом приращение тока нагрузки для ДУ равно:

∆Iк1 + ∆Iк2,

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

Кuдиф = βRн / (Rг + Rвх).

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

В многокаскадных УПТ Rн 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 Кu диф и, естественно, обладает всеми преимуществами дифференциальных усилителей.