Принципы построения входного дифференциального каскада

Производство и технология изготовления аналоговых интегральных схем (ИС) определяют два принципа микросхемотехники:

1. Принцип взаимного согласования цепей.

2. Принцип схемотехнической избыточности.

Эти два принципа существенно отличают схемотехнику электронных устройств, выполненных на дискретных радиокомпонентах, от схемотехники интегральных усилителей.

Принцип взаимного согласования заключается в такой конструктивно-технологической реализации элементов схемы, чтобы их электрические параметры были одинаковы или, по крайней мере, изменялись одинаково во всем диапазоне изменения эксплуатационных условий. Реализуется этот принцип за счет близкого расположения элементов схемы на кристалле и единой групповой технологии изготовления.

Принцип схемотехнической избыточности заключается в таком усложнении схемы и в получении избыточности усиления, чтобы, охватывая элементы схемы или всю схему в целом цепями отрицательной обратной связи, получить стабильные параметры устройства.

Принцип построения входного дифференциального каскада реализуется на различных вариантах схем дифференциальных усилителей, при этом в основе построения каскада используется взаимосогласованная пара биполярных или полевых транзисторов.

Рис. 20. Дифференциальный каскад на биполярных транзисторах

Пара биполярных транзисторов будет считаться взаимосогласованными, если по их линейной Т-образной эквивалентной схеме выполняются следующие условия:

	(20)
	(21)
	(22)
	(23)

Эти условия будут реализованы, если на подложке (кристалле) микросхемы, транзисторы (а именно их коллекторные и эмиттерные переходы) выполнены в строго одинаковом геометрическом размере.

Если имеется такая пара взаимосогласованных транзисторов, то идеальный дифференциальный входной каскад может быть получен дополнением этих транзисторов взаимосогласованными коллекторными нагрузками и идеальным источником тока в цепи эмиттера.

Рассмотрим принцип работы каскада на рис. 23 в процессе усиления дифференциального сигнала:

В режиме малого сигнала (при малом дифференциальном сигнале) или при дифференциальном сигнале, близком к нулю.

.

(24)

Учитывая, что , то

.

(25)

Тогда в режиме покоя схемы (когда U_д = 0) выходное напряжение усилителя определяется как разность:

.

(26)

В этом случае считается, что усилитель сбалансирован.

При увеличении дифференциального сигнала указанной полярности транзистор VТ₁ будет приоткрываться по отношению к режиму покоя схемы, то есть его ток эмиттера, а соответственно и ток коллектора, будет увеличиваться, и напряжение будет уменьшаться, поэтому этот выход называют инвертирующим. Ток I₀ вырабатывается идеальным источником тока, поэтому должен оставаться постоянным. Это возможно в том случае, если при увеличении тока I_э1 симметрично будет уменьшаться ток I_э2, то есть транзистор VТ₂ будет призакрываться по отношению к режиму покоя. За счет уменьшения I_к(VТ₂) напряжение будет увеличиваться, поэтому этот выход называют неинвертирующим.

.

(27)

Таким образом, изменение этого выходного напряжения будет в два раза больше, чем изменение выходного напряжения на каждом из коллекторов.

Рассмотрим, как идет подавление синфазного сигнала (на рис. 22 обозначен пунктиром).

При увеличении синфазного сигнала указанной полярности оба транзистора одновременно стремятся к приоткрыванию, это может привести к увеличению уровня тока I₀, за счет этого на внутреннем сопротивлении источника тока, которое очень велико, появляется дополнительное падение напряжения. То есть для транзисторов VТ₁ и VТ₂ возникает отрицательная обратная связь по току, за счет которой транзисторы приоткрываются и схема возвращается в исходное состояние.