Дифференциальный каскад

Дифференциальный каскад (часто – «дифкаскад») является тем ключевым устройством, которое позволяет усилителю быть «операционным», т.е. с его помощью проводить математические операции с сигналами. Назначение дифференциального каскада– разрешать операционному усилителю усиливать только дифференциальный сигнал,т.е. разность потенциалов между двумя его входами.

Два самых распространенных типа базовых дифференциальных каскадов с n-канальным входом и р-канальным входом представлены на рис. 3.30а и рис. 3.30b соответственно. Представленные на рис. 3.30 дифкаскады имеют одинаковое функциональное назначение, и тип входных транзисторов влияет лишь на некоторые особенности их конкретного подключения и конкретных характеристик. Рассмотрим принцип функционирования и основные свойства базового дифкаскада с n-канальным входом. Работа дифкаскада с р-канальным входом аналогична, изменяются лишь значения постоянных режимных потенциалов, а знаки переменных составляющих сигналов меняются на противоположные.

Рис. 3.30. Дифференциальные каскады:

(а) с n-канальным входом и (b) с р-канальным входом.

и – входные NМДП транзисторы с затворами, соединенными к (неинвертирующему входу дифкаскада) и к ( инвертирующему входу дифкаскада) соответственно; и – РМДП транзисторы активной нагрузки, объединенные в схеме токового зеркала.

Для всех дифференциальных каскадов справедливы определения:

(3.96а)

(3.96b)

Здесь – входное синфазное напряжение, – входное дифференциальное напряжение.

Ниже перечисляются основные свойства идеального дифкаскада, у которого все значения всех параметров транзисторов в парах одного знака проводимости ( и , и ) по умолчанию идентичны.

1. Все транзисторы дифкаскада должны работать в пологом режиме. Поскольку схема базового дифкаскада содержит 3 (три) узла, каждый имеющий свое выходное сопротивление и свою суммарную узловую емкость, то передаточная функция дифкаскад также имеет порядок 3.

2. Характеристики основного полюса определяются свойствами узла , как имеющего самое высокое выходное сопротивление (узел объединения стоков транзисторов и ).

3. Характеристики неосновных полюсов определяются свойствами узлов А и В, имеющих низкие малосигнальные выходные сопротивления:

– для узла А, как сопротивление диода на базе транзистора ;

– для узла В, находящемуся в истоках двух транзисторов и .

4. Транзистор с постоянным потенциалом на затворе является генератором постоянного режимного тока (далее, если другое не указано, режимный ток будем считать постоянным при любом напряжении исток-сток транзистора , пока он находится в пологом режиме,т.е. ).

5. Поскольку в идеальном дифкаскаде все значения всех параметров в парах транзисторов одного знака проводимости ( – и – ) по умолчанию идентичны, то из условия симметрии следует, что при любых одинаковыхпотенциалах (в некотором допустимом интервале изменения , в котором все транзисторы находятся в пологом режиме) затворов транзисторов и (т.е. ) токи в них одинаковы.

6. Пусть , но входной синфазный потенциал изменяется в тех пределах, пока транзистор , как генератор режимного тока , находится в пологой области ВАХ ( ). Пусть при этом, как упоминалось выше, . В этом случае:

(А) токи в парных транзисторах и одинаковы (см. выше);

(Б) генерируемый в , течет также в , т.е. ;

(В) транзисторы и составляют токовое зеркало, следовательно

;

(Г) вследствие свойств (А) и (Б) , но одинаковость постоянных составляющих токов в парных однотипных транзисторах подразумевает также одинаковость постоянных составляющих напряжений на их симметричных выводах, откуда следует, что

при и любом , пока , имеем . (3.97)