Операционный усилитель нередко отождествляется с наличием входного дифференциального каскада классического, знакомого всем, дифференциального каскада. Кажется, что иного и быть не может. И в ламповых усилителях, и в транзисторных, причем и на биполярных, и на полевых транзисторах, и в интегральных ОУ. Но давайте посмотрим внимательнее...
Операционный усилитель, как всем известно, усиливает разность напряжений поданных на его входы. Но, в отличии от дифференциального усилителя, выходной сигнал ОУ дифференциальным не является. Поэтому типичный ОУ можно условно разделить на три основные составляющие:
- Входной дифференциальный усилитель. Это не обязательно один каскад, и, на самом деле, не обязательно классический дифференциальный каскад. Именно здесь происходит выделение и начальное усиление разности входных напряжений.
- Каскад перехода от дифференциального сигнала к однофазному и усилитель напряжения. Переход от дифференциального (парафазного) сигнала к однофазному не обязательно выполняется отдельным самостоятельным каскадом. Зачастую такой переход выполняется на базе входного дифференциального усилителя. Усилитель напряжения осуществляется дополнительное, или основное, усиление. Если входной дифференциальный усилитель многокаскадный, основное усиление осуществляется там.
- Выходной каскад. Его основная функция усиление мощности и снижение выходного сопротивления ОУ. Дополнительно выходной каскад часто обеспечивает и защиту от перегрузки и короткого замыкания.
Безусловно, это очень упрощенное, и во многом условное, деление. Но для нас сегодня такого деления будет вполне достаточно. И героем сегодняшней статьи будет, в основном, входной дифференциальный усилитель и, в частности, каскад перехода к однофазному сигналу (но совсем чуть-чуть).
А поводом к появлению этой статьи стали обсуждения к статьям
Операционные усилители с токовой обратной связью
Для чего ОУ двухполярное питание?
Переключатель тока на биполярном транзисторе. Почему ЭСЛ такая быстрая
Источники (генераторы) тока, стабилизаторы тока, токовые зеркала
Мостовая схема измерений. Мост, который построил Уитстон (Витстон)
Кстати, ОУ с токовой обратной связью (этот термин придумал вовсе не я) тоже являются примером ОУ без классического дифференциального каскада. Но сегодня мы их касаться не будем, да и статья про них уже есть.
Описанное в данной статье действительно используется в интегральных ОУ! Это не бред и не ересь. И вы сами сможете в этом убедиться заглянув в документацию на эти ОУ
Классический дифференциальный каскад
Знаком абсолютно всем. Причем не важно, на какой элементной базе этот каскад собран
Как эти каскады работают, как рассчитываются, какие особенности имеют, знают все, даже не сомневаюсь. Нет ни одного учебника электроники, в котором такие каскады бы не рассматривались. И тем не менее, начнем мы сегодня именно с них. Только рассматривать будем с немного нестандартной точки зрения. Причем подробностей расчета касаться не будем.
В первом случае, в цепи эмиттеров включен обычный резистор. При этом ток через Rэ, суммарный ток эмиттеров, определяется напряжением в точке соединения эмиттеров транзисторов и не является неизменным. Во втором случае, в цепи эмиттеров включен источник (генератор) тока. Это делает суммарный ток эмиттеров неизменным.
Если мы будем рассматривать общий случай, нам придется учитывать влияние этого различия. Однако, наша сегодняшняя задача значительно проще. Мы будем рассматривать лишь работу каскада при малом сигнале. То есть, изменение напряжений на базах транзисторов будет малым.
А значит, будет малым и изменение напряжения в точке соединения эмиттеров. Поэтому ток через Rэ будет практически неизменным.
∆Iэ << Iэ = Iэ1 + I э2
И оба этих варианта можно считать идентичными. Поэтому рассматривать будем вариант с источником тока, он просто удобнее. Да и в ОУ чаще всего используется именно такой вариант.
Ток баз транзисторов во внимание принимать не будем, считая, что коэффициент h21э достаточно велик. Поэтому токи эмиттера и коллектора можно считать равными. Это серьезное упрощение, но для нас вполне допустимое, в данном случае.
Здесь нет ничего нового и сложного. Совершенно очевидные простейшие соотношения. Но для нас важными являются две последние строки. Выходное напряжение каждого плеча дифференциального каскада определяется не только током коллектора "своего" транзистора, но и током коллектора второго плеча. Через суммарный ток эмиттеров, который задается источником тока.
По большому счету, эти простейшие соотношения описывают статический режим, положение рабочей точки. Но они же описывают и работу каскада при усилении малых сигналов.
Предположим, что напряжение на первом входе изменилось на малую величину ∆Uвх1. Это приведет к изменению тока коллектора VT1 на ∆Iк1. Конкретные формулы для определения соотношения между ∆Uвх и ∆Iк нам сейчас не важны.
Суммарный ток эмиттеров остается неизменным, а значит, изменится и напряжение на втором выходе
Как видно, знаки изменения напряжения будут разными. Может возникнуть вопрос, как это я так лихо обошел вниманием работу VT2? Более того, некоторые читатели могут и возмутиться такой "ошибке". Но здесь нет никакой ошибки!
Смотрите, если у нас используются биполярные транзисторы, то VT2 для ∆Iэ2=Iэ-∆Iк1 оказывается включенным как повторитель тока, с общей базой. И мы уже договорились, что влияние тока базы учитывать не будем. Точно так же, как повторитель тока, будут включены и полевой транзистор (общий затвор) и ламповый триод (общая сетка).
Выходной сигнал дифференциального каскада парафазный, а оба плеча обычно идентичны. Таким образом, получаем
То есть, выходное напряжение определяется только разностью токов плеч дифференциального каскада и сопротивлением резисторов в цепях коллекторов (стоков, анодов). Обратите внимание, я говорю о выходном напряжении, а не о коэффициенте усиления каскада.
Опять таки, строго говоря, это выражение описывает выходное напряжение в статическом режиме, в состоянии покоя. Но мы точно так же, как делали это раньше, можем перейти к рассмотрению приращений токов.
Подача на входы дифференциального каскада синфазного сигнала не может изменить суммарный ток эмиттеров, так как он задан источником тока. Но напряжение на эмиттерах, относительно общего провода, разумеется изменяться будет. Если в цепи эмиттеров стоит резистор, то будет изменяться и суммарный ток эмиттеров. Но изменение токов коллектора будет одинаковым, и величина их разности не изменится.
Неизменность суммарного тока эмиттеров, в реальном мире, конечно достаточно условна. Если оба транзистора закрыты, токи коллекторов равны нулю, как и токи эмиттеров. В конечном итоге, у нас источник тока не является идеальным. Но мы рассматриваем активный линейный режим работы каскада.
Коротко о том, почему мы не рассматриваем коэффициент усиления
Как я уже говорил, мы не изучаем работу и расчет дифференциального каскада, а рассматриваем его с немного нестандартной стороны. Формулы выражающие зависимость токов плеч от входных напряжений будут разными для разных активных элементов, биполярных транзисторов, полевых транзисторов, электронных ламп (и не только триодов). Но в конечном итоге, выходное напряжение будет определяться именно разностью токов плеч, как мы только рассматривали. И для нас сегодня главное именно это.
Дифференциальный каскад как мостовая схема
Это тоже всем известный факт, упоминаемый во всех учебниках. Причем мы уже абстрагируемся от конкретного типа активных элементов
Важным уточнением является взаимозависимость изменяемых (управляемых входными напряжениями) сопротивлений через эмиттерный резистор или источник тока. Изменяемые сопротивления можно заменить на изменяемые (управляемые входными напряжениями) источники тока. Суть от этого не изменится.
И мы можем сделать интересный вывод - классический дифференциальный каскад вовсе не является единственно возможным вариантом построения дифференциального усилителя!
Какие же еще варианты возможны? Ну один вариант я уже упоминал, он используется в ОУ с токовой ОС. Однако, он совсем экзотический, есть и более привычные варианты.
Дифференциальный каскад на повторителях напряжения, неклассический
По традиции, используем биполярные транзисторы, а значит повторители напряжения у нас будут эмиттерными повторителями. И получим вот такое
Бред и ересь? Нет, отнюдь не бред. В общем и целом, и в классическом дифференциальном каскаде можно исключить эмиттерный резистор. Да, мы получим два обычных каскада с ОЭ, не будет обратной связи, изменение напряжения на одном входе не будет влиять на напряжение на втором выходе. То есть, это будет уже не дифференциальный каскад в его классическом виде. Но выходное напряжение будет по прежнему определяться разностью токов коллекторов. У нас по прежнему будет мостовая схема.
Вот и в данном случае все точно так же. У нас по прежнему мостовая схема. Только плечи независимы друг от друга, как и в случае отсутствия эмиттерного резистора в классическом дифференциальном каскаде. И выходной сигнал, равный разности напряжений на выходах, по прежнему определяется разностью токов, в данном случае, эмиттеров.
Для чего такое вообще могло понадобиться? Например, для повышения входного сопротивления. Полевые транзисторы, первое, что приходит в голову, тоже можно использовать, но там появляются свои особенности. Поэтому, во всяком случае, в былые времена, использовали и вот такое решение на эмиттерных повторителях.
Однако, у этого решения есть две проблемы. Первая, коэффициент усиления по напряжению меньше единицы. Вторая, изменение напряжения на входе одного плеча никак не влияет на напряжение на выходе второго плеча. И если первую проблему можно решить дополнительными усилительными каскадами, то вторая проблема существенно усложняет переход от парафазного сигнала к однофазному.
Но тут есть довольно простое решение! Можно использовать токовое зеркало. Вот таким образом
Не выглядит простым? Транзисторов слишком много? Для дискретных элементов это действительно не лучший вариант дифференциального каскада, но интегральный микросхемы это немного иной случай. И классический дифференциальный каскад с источником тока в цепи эмиттеров будет ничуть не проще. И транзисторов столько же, да еще и токозадающий резистор добавится.
А значит, сложность (и стоимость) классического дифференциального каскада и такого вот каскада на эмиттерных повторителях примерно равны.
Токовое зеркало добавляет в такой нетипичный дифференциальный каскад ту самую обратную связь, которая и обеспечивала взаимозависимость плеч, отсутствие которой и было второй проблемой.
Однако, если посмотреть внимательнее, то выяснится, что на самом деле это, по сути своей, тот же самый классический дифференциальный каскад. Или его ближайший родственник.
Дополнительные индивидуальные резисторы в цепях эмиттеров собранных их дискретных компонентов дифференциальных каскадов действительно устанавливают. Для уменьшения влияния разброса параметров транзисторов и повышения входного сопротивления. И мы можем снимать выходной сигнал с эмиттеров транзисторов.
Небольшая трансформация в виде уменьшения сопротивления резисторов в цепях коллекторов, увеличения сопротивления резисторов в цепях эмиттеров, разделения источника тока для цепей эмиттеров и его замена зеркалом... И мы получим тот самый дифференциальный каскад, который показан на предыдущей иллюстрации.
Во всех случаях сам мостовой принцип, который и лежит в основе дифференциальных каскадов, остается неизменным. Несмотря на все различие внешнего вида принципиальных схем.
Токовое зеркало не просто вносит взаимозависимость плеч каскада, оно еще и становится основой построения каскада перехода к однофазному сигналу. Более того, токовое зеркало, только уже в цепях коллекторов, используется и в классическом дифференциальном каскаде. И для повышения коэффициента усиления, и для построения каскада перехода к однофазному сигналу.
Но что же делать с первой проблемой, с коэффициентом усиления? На самом деле, половина дела у нас уже сделана - токовое зеркало. Остается только немного доработать эмиттерные повторители добавив пару транзисторов в каскодном включении. Эти дополнительные транзисторы буду являться повторителями тока (но усилителями напряжения). Вот так
Uоп это опорное напряжение, которое может формироваться, например, делителем напряжения. Повторители тока (каскады с ОБ) работают на источники тока с высоким внутренним (дифференциальным) сопротивлением, что позволяет получить довольно высокий коэффициент усиления по напряжению (единицы тысяч).
Собственно говоря, здесь плечи дифференциального каскада являются каскодными усилительными каскадами работающими на генератор тока. А это положительно сказывается и на частотных свойствах.
Интегральные ОУ с неклассическим дифференциальным каскадом
ОУ с таким "неклассическим" дифференциальным каскадом выпускались и у нас, и за рубежом.
Первый пример, довольно популярный ОУ 140УД7
Транзисторы VT2 и VT3 это эмиттерные повторители. VT4 и VT5 токовые повторители. Все вместе они образуют два каскодных плеча дифференциального каскада. Того самого "неклассического". Транзисторы VT7 и VT8 это токовое зеркало. Конечно схема реального ОУ гораздо сложнее тех примеров, что я приводил в статье. В частности, цепи коллекторов дифференциального каскада питаются от источника тока на VT1 и VT9. Этот де источник тока участвует в задании рабочей точки токовых повторителей.
Примерно так же выглядит схема 140УД12, микромощного ОУ. Немного более сложная схему у 153УД6. Там более сложное токовое зеркало, зато цепи коллекторов обходятся без источника тока.
Из зарубежных ОУ можно вспомнить LM101A (аналог 153УД6)
Транзисторы Q23 и Q24 являются защитными и участия в усилении сигнала не принимают. Токовое зеркало имеет немного иную схему, но сути это не меняет.
Примерно по такой же схеме выполнен и μA747.
Заключение
Конечно, таких ОУ не много. Более того, их вполне можно считать устаревшими. Но все таки, мне кажется, что они представляют интерес именно таким вот, неклассическим входным дифференциальным каскадом. И знать о таком варианте построения дифференциальных каскадов полезно.
Все таки ОУ не всегда тождественно классическому дифференциальному каскаду.
