PODSTAWY MIKROELEKTRONIKI:  wykład 12


Streszczenie
Wroc

Przykłady zastosowań wzmacniaczy różnicowych

Pokażemy teraz kilka dalszych zastosowań wzmacniacza różnicowego. Wykorzystują one do różnych celów szczególne cechy tego układu. Wybrane przykłady pokazują sposoby zastosowania wzmacniacza różnicowego, które nie są na pierwszy rzut oka oczywiste.

Wzmacniacz szerokopasmowy

Wzmacniacz różnicowy można z powodzeniem zastosować jako szerokopasmowy stopień wzmacniający. Szczególnie nadają się do tego wzmacniacze bipolarne ze względu na większe wartości transkonduktancji, co ułatwia uzyskanie dużego wzmocnienia. Układy z tranzystorami bipolarnymi pozwalają także osiągnąć wyższe maksymalne częstotliwości pracy takich układów. Przykład prostego stopnia wzmacniającego:

Wzm. szerokopasmowy

Wzmacniacz różnicowy jako wzmacniacz szerokopasmowy

Omawiany układ jest - z punktu widzenia składowych stałych - typowym wzmacniaczem różnicowym, uproszczonym o tyle, że zamiast źródła prądowego zastosowany jest rezystor R4. Tranzystory w połączeniu diodowym D1 - D4 określają napięcia na bazach tranzystorów T1 i T2 i tym samym, wraz z rezystorem R4, określają wartości prądów kolektora. Dla sygnałów zmiennych układ ma asymetryczne wejście i asymetryczne wyjście. Polaryzowane w kierunku przewodzenia diody D3 i D4 stanowią dla sygnałów zmiennych o małej amplitudzie zwarcie, toteż dla takich sygnałów bazę T2 można uważać za uziemioną.  Uziemiony dla małych sygnałów jest także (poprzez źródło zasilania) kolektor T1. Zatem dla małych sygnałów układ działa jako dwustopniowy wzmacniacz, w którym pierwszy stopień pracuje w układzie wspólnego kolektora (innymi słowy - jako wtórnik emiterowy), a drugi stopień pracuje w układzie wspólnej bazy. Takie połączenie ma bardzo korzystne właściwości - sprzężenie zwrotne z wyjścia na wejście, które mogłoby być przyczyną niestabilnej pracy układu przy dużych częstotliwościach, w tym układzie praktycznie nie istnieje. Kilka takich stopni połączonych układami przesuwania poziomu składowej stałej może stanowić kompletny wzmacniacz szerokopasmowy. Dodanie na wejściu i wyjściu takiego wzmacniacza obwodów rezonansowych lub filtrów pozwala zastosować całość jako wzmacniacz selektywny. Takie układy są często stosowane np. w sprzęcie radioodbiorczym, telewizyjnym itp.  Omawiany układ jest szczególnie przydatny przy odbiorze sygnałów z modulacją częstotliwości (FM). Jeśli amplituda sygnału wejściowego jest dostatecznie duża, układ przejawia swoje właściwości wzmacniacza różnicowego - działa jako ogranicznik amplitudy. Pozwala to usunąć z sygnału FM modulację amplitudy, która - jeśli występuje - jest sygnałem zakłócającym i pogarsza jakość odbioru.

Podobny układ można też zbudować na tranzystorach MOS. Ze względu na małą transkonduktancję tych tranzystorów trzeba użyć obciążenia aktywnego, co trochę komplikuje układ, ale zasada pozostaje ta sama. Przykład układu w technologii CMOS:
wzmacniacz MOS

Wzmacniacz różnicowy CMOS jako wzmacniacz szerokopasmowy

Jest to układ z symetrycznym wejściem i wyjściem, obciążeniem są dwa tranzystory, których bramki polaryzowane są napięciem Up (źródło tego napięcia nie jest pokazane na schemacie).


Układy o regulowanym wzmocnieniu

Układy o regulowanym wzmocnieniu mają wzmocnienie napięciowe uzależnione od napięcia sterującego, które  jest napięciem stałym lub wolnozmiennym. Takie układy mają wiele zastosowań. Najważniejsze z nich to automatyczna regulacja wzmocnienia we wszelkich urządzeniach radioodbiorczych, w których konieczne jest dostosowanie wzmocnienia odbieranego sygnału do jego amplitudy, a ta może się zmieniać w bardzo szerokich granicach. Inne typowe zastosowanie to elektroniczna regulacja wzmocnienia we wzmacniaczach do sprzętu elektroakustycznego, gdzie mechaniczne regulatory (potencjometry) zostały zastąpione regulacją przy pomocy pilota.

Każdy wzmacniacz różnicowy jest układem o wzmocnieniu napięciowym, którego wielkość można regulować na drodze elektrycznej przez zmianę wartości prądu zasilającego. W przypadku układu bipolarnego wzmocnienie jest wprost proporcjonalne do wartości tego prądu (wzór W11.5), a w przypadku układu MOS - do pierwiastka z tego prądu (wzór W11.7). Możliwy do uzyskania zakres regulacji jest wąski, bowiem prądu zasilającego z różnych względów nie można zmieniać w bardzo szerokim zakresie. Wzmacniacz różnicowy może być jednak użyty w inny sposób:


Ukl. regulacji
            wzmocnienia

Układ regulacji amplitudy sygnału zmiennego

Układ jest zbudowany z dwóch wzmacniaczy różnicowych zasilanych jednakowymi prądami I przez układ źródeł prądowych (tranzystory T5 - T7). Napięcie Ureg doprowadzone jest do wejść obu wzmacniaczy różnicowych, z tym, że wejścia te są skrzyżowane, tj. gdy napięcie na bazie T1 wzrasta, to na bazie T3 maleje, i podobnie z tranzystorami T2 i T4. Wyjścia obu wzmacniaczy są połączone równolegle, toteż gdy prąd IC1 maleje, to prąd IC3 wzrasta, a ich suma pozostaje stała, i podobnie z prądami IC2 i IC4. W rezultacie prądy kolektorów mogą się zmieniać w bardzo szerokim zakresie, a napięcia na kolektorach tranzystorów T1 - T4 pozostają stałe. Sygnał zmienny, którego amplituda podlega regulacji, jest doprowadzony do bazy tranzystora T5, i powoduje powstanie składowej zmiennej i prądu kolektora tranzystora T5. Zasada działania układu polega na tym, że ta składowa zmienna rozdziela się pomiędzy tranzystory T1 i T2 w stopniu zależnym od znaku i wartości napięcia Ureg.

Podział składowej zmiennej i pomiędzy tranzystory T1 i T2 zależy od ich konduktancji wejściowych gwe w układzie wspólnej bazy, bowiem połączenie tranzystorów T5, T1 i T2 można dla składowych zmiennych przedstawić w uproszczeniu następująco:

Zasada rozplywu
            pradow

Rozpływ składowych zmiennych między tranzystory T1 i T2. Źródło prądowe symbolizuje tranzystor T5.
Zakładamy, że bazy tranzystorów są dla składowych zmiennych uziemione przez źródło Ureg  (rys. wyżej)


Składowe zmienne i1 i i2 są wprost proporcjonalne do konduktancji wejściowych gweT1 i gweT2, przy czym suma i1 + i2 jest oczywiście równa i. Konduktancje wejściowe w układzie wspólnej bazy można wyrazić następująco (porównaj zależność (W9-10)):

Wzor W12-1   (W12-1)

a stąd wynika, że składowe zmienne  i1 i i2 , które są proporcjonalne do konduktancji gwe, są tym samym wprost proporcjonalne do składowych stałych IC1 i IC2. Stąd, wykorzystując podstawową zależność (W3-8), łatwo otrzymać:

Wzor W12-2   (W12-2)

gdzie Ureg = UBE1 - UBE2. Składowa zmienna napięcia wyjściowego uwy jest równa i2R. Dzięki wykładniczej zależności składowej zmiennej i2 od napięcia Ureg możliwa jest regulacja amplitudy w bardzo szerokim zakresie (wiele dekad), i to przy niewielkich zmianach napięcia Ureg. Na tej zasadzie działają m.in. układy regulacji głośności w sprzęcie elektroakustycznym. 

Podobny układ można zbudować na tranzystorach MOS pracujących w zakresie podprogowym, gdzie obserwuje się wykładniczą zależność prądu drenu od napięcia bramki, a konduktancja wejściowa w układzie wspólnej bramki jest dana zależnością (W9-8) podobną do zależności (W9-10).

Układ regulacji amplitudy sygnału zmiennego omawiany wyżej dobrze służy do zilustrowania często spotykanej w układach analogowych współzależności między parametrami układu, a szczegółami konstrukcji elementów tego układu. Spójrzmy na rysunek poniżej, który pokazuje fragment omawianego układu z uwzględnieniem faktu, że w tranzystorach T1 i T2 występują rezystancje rozproszone emiterów.

uklad - szczegol

Szczegół układu regulacji amplitudy

Przez rezystancje rozproszone emiterów rse przepływają prądy emiterów zawierające składową stałą i składową zmienną: I1+i1, I2+i2. Zarówno składowe stałe, jak i składowe zmienne powodują powstawanie na rezystancjach rse spadków napięć. Spadki napięć związane ze składowymi stałymi nie mają istotnego znaczenia dla działania układu, natomiast spadki napięć związane ze składowymi zmiennymi modulują napięcie regulacyjne Ureg, są bowiem włączone w szereg z tym napięciem. Powoduje to powstawanie zniekształceń nieliniowych sygnału, bowiem wartość chwilowa tego sygnału wpływa na wartość napięcia regulacyjnego, co powoduje zmianę wartości chwilowej sygnału różną w różnych chwilach. Wniosek, jaki z tego płynie, jest taki, że omawiany układ musi mieć tak zaprojektowane tranzystory, aby ich rezystancje rozproszone emiterów były jak najmniejsze, bo w przeciwnym razie układ będzie pogarszał jakość regulowanego sygnału. O jakości układu decyduje zatem nie tylko sam schemat, ale i sposób zaprojektowania tranzystorów. Sztuka projektowania układów analogowych wymaga więc nie tylko dobrej znajomości problematyki układowej, ale także zrozumienia działania elementów układu i zależności wiążących strukturę fizyczną tych elementów z ich charakterystykami.

Układy pełniące podobną funkcję można też wykonać w technologii CMOS bez użycia tranzystorów bipolarnych. Można tu wykorzystać tranzystory MOS w zakresie podprogowym (gdzie prąd drenu jest wykładniczą funkcją napięcia bramki) lub liniowym. W tym ostatnim transkonduktancję, a więc i wzmocnienie można regulować przez zmianę wartości napięcia UDS (patrz wzór W9-3). Przykład układu działającego na tej zasadzie:

Uklad regulacji
                  amplitudy CMOS


Układ regulacji amplitudy sygnału zmiennego CMOS

W tym układzie punkty pracy tranzystorów powinny być dobrane tak, by tranzystory T1 i T2 pracowały w zakresie liniowym. Wówczas ich transkonduktacje są, zgodnie ze wzorem W9-3, proporcjonalne do ich napięć UDS. Jeśli założyć, że tranzystory T3 i T4 pracują w zakresie nasycenia, to związek między napięciami UDS tranzystorów T1 i T2, a napięciem Ureg wyraża się wzorem

wzorW12-3     (W12-3)

gdzie a = UG1-UDSsat3-UT1+UT3, b = I/KT1, K dane wzorem W9-7. Zależność W12-3 można dość dobrze przybliżyć funkcją wykładniczą, jak pokazuje poniższy rysunek


Porownanie
                  funkcji

Omawiany układ ma mniejszy zakres regulacji amplitudy, niż układ bipolarny, ale nie wymaga tranzystorów bipolarnych.

Układy mnożące

Układy, które na wyjściu dają napięcie (lub prąd) proporcjonalne do iloczynu dwóch napięć (lub prądów) wejściowych, nazywane są analogowymi układami mnożącymi. Znajdują one liczne zastosowania. Przykłady: układy do mierzenia mocy sygnału elektrycznego, modulatory i demodulatory AM i FM, układy automatyki i sterowania.

Najprostszy układ mnożący można zbudować wykorzystując zależność wzmocnienia wzmacniacza różnicowego od prądu zasilającego. Zasada działania takiego układu (w wersji bipolarnej) pokazana jest niżej:

Uklad mnozacy
            prosty

Ograniczając amplitudę sygnału Uwe2 do poziomu, przy którym charakterystyka przejściowa wzmacniacza różnicowego jest liniowa, można na podstawie zależności W11-5 napisać

wzor W12-4   (W12-4)

zaś prąd I dany jest zależnością

wzor W12-5   (W12-5)

skąd łatwo otrzymać

wzor W12-6   (W12-6)

Jak widać, napięcie wyjściowe zawiera składnik proporcjonalny do iloczynu napięć wejściowych. Taki układ mnożący jest bardzo niedoskonały: amplitudy napięć są bardzo ograniczone, napięcie Uwe1 musi mieć znak dodatni, napięcie wyjściowe zawiera dodatkową składową, która wprowadza nieodkładność do operacji mnożenia (bowiem wartość UBE nieco zmienia się przy zmianach Uwe1). Dlatego taki układ mnożący nadaje się tylko do niektórych zastosowań, przede wszystkim do mnożenia dwóch sygnałów zmiennych o małych amplitudach.

Można jednak zbudować układy mnożące pozbawione tych wad i ograniczeń. Są one dość skomplikowane, nie będą tu omawiane. 


Wroc Test

sem. 16Z