3.9. Дифференциальный каскад

Наиболее распространенной схемой, на базе которой создаются усилители постоянного тока и другие типы усилителей, является дифференциальный каскад (рис. 31, а).

В дифференциальной схеме два входа, два выхода и два источника питания. Предположим, что параметры левого и правого плеч схемы одинаковы. Положительный потенциал источника питания U_ип2, поступающий через корпус и цепи входных сигналов на базы обоих транзисторов, открывает их в равной степени. Рабочие точки р на рис. 31, б транзисторов T₁ и Т₂ совпадают. Поэтому при отсутствии входных сигналов под действием источника питания U_ип1 по резисторам R₁ и R₂ протекают одинаковые коллекторные токи I₁=I₂=I_Кр. Так как R₁ = R₂, то эти токи создают одинаковые падения напряжения на R₁ и R₂, а значит, потенциалы точек а и b одинаковы. Если нагрузочное сопротивление включить между точками а и b, то выходное напряжение на ней равно нулю. Так можно выполнить требование усилителей постоянного тока о равенстве нулю U_вых при отсутствии сигнала U_вх. Такое состояние схемы называют режимом покоя.

Рис. 31. Дифференциальный усилительный каскад (а) и передаточная динамическая характеристика (б) его транзисторов

Если пренебречь базовыми токами, то по резистору R_Э протекает сумма токов I₁+I₂, создающая на нем падение напряжения, направленное (как показывают знаки « + » и «—» у R_Э) встречно с напряжением U_ип2. Поэтому напряжение, задающее исходные рабочие точки транзисторов

Такое включение R_Э создает последовательную отрицательную обратную связь по току, стабилизируя исходные рабочие точки транзисторов. Любые одновременные изменения (например, увеличение) токов I₁ и I₂, возникающие под действием изменений напряжения источника питания, температуры и т. д., вызовут увеличение падения напряжения на R_Э и, следовательно, такое уменьшение U_БЭ, которое стремится вернуть (снизить) коллекторные токи к исходному значению, т. е. стабилизировать их суммарное значение:

Таким же образом дифференциальный каскад реагирует на синфазные сигнал и помеху, т. е. входные сигналы, которые одновременно (без сдвига фаз) и одинаково (U_вх1 = U_вх2) действуют на оба входа, стремясь одновременно изменить I₁ и I₂. Обратная связь, стабилизируя суммарное значение токов, тем выше, чем больше R_Э.

Совершенно по-иному реагирует дифференциальный каскад, если сигналы на входы поданы в противофазе (например, U_вх1 = +U_вх, а U_вх2 = -U_вх).В этом случае (рис. 31, б) ток I₁ возрастет на I, а I₂ уменьшится на I, но их сумма останется неизменной. Поэтому обратная связь не стремится уменьшить изменения токов и каждое плечо ведет себя как обычная схема ОЭ, т. е. потенциал точки а и U_вых1 понизятся, а потенциал точки b и U_вых2 повысятся. Каскад реагирует только на разность входных сигналов, почему и называется дифференциальным.

При изменении полярности входных сигналов (U_вх1 = -U_вх, а U_вх2 = +U_вх). происходят противоположные изменения полярности и выходных напряжений (U_вых1 повысится, а U_вых2 понизится), обеспечивая симметричность характеристики U_вых=f(U_вх), если принять за выходное напряжение разность U_вых= U_вых1- U_вых2.

Если за дифференциальным каскадом следует каскад с единственным входом, выполненный как на рис. 30, то у дифференциального каскада используется только один из выходов, допустим Вых2 (рис. 31, а). Выясним полярность (в случае усиления сигнала постоянного тока) или фазу (в случае усиления сигнала переменного тока) напряжения U_вых2 при подаче сигнала на тот или иной вход. Допустим, сигнал +U_вх подан на Вх1. Он вызовет увеличение на I/2 тока I₁ и уменьшение на I/2 тока I₂. Следовательно, падение напряжения на R₂ уменьшится и потенциал точки b повысится (от­носительно потенциала корпуса) на +∆U_вых. Таким образом, подача +U_вх на Вх1 вызвала на выходе+∆U_вых, т. е. совпадение знаков (а в случае переменного тока — совпадение фаз) входного и выходного сигналов, поэтому Вх1 называют неинвертирующим (прямым) входом. Если же сигнал +U_вх подать на Вх2, то увеличится ток I₂ (ток I₁ уменьшится), падение напряжения на R₂ возрастет и потенциал точки b понизится. Следовательно, подача + U_вх на Вх2 вызовет на выходе —∆U_вых, т. е. сигнал противоположного знака (с фазой, сдвинутой на 180°), поэтому Вх2 называют инвертирующим входом.