9.14. Дифференциальный усилитель

Наиболее распространена схема дифференциального усилительного каскада, называемого также параллельно-балансным каскадом, на основе моста постоянного тока (рис. 9.51), плечи которого образованы резисторами R_K1 = R_K2 и биполярными транзисторами VS₁ и VS₂ одного типа, включенными по схеме с ОЭ.

Рис. 9.51

Для лучшей балансировки моста выбирают транзисторы, помещенные в одном корпусе, параметры которых отличаются на 1 — 5 %. Два источника сигналов включаются в цепи баз транзисторов, называемые несимметричными входами, а приемник с сопротивлением нагрузки R_н— между коллекторами транзисторов (симметричный выход с и_вых).

Рассмотрим режим покоя каскада, т. е. при напряжениях

и_вх1 = и_вх2 = 0 или коротком замыкании входов. В этом случае напряжение

U_БЭп = Е_Э – R_Э(I_Эln + 1_Э2п) > 0 (9.30)

одинаковое для обоих транзисторов, и поэтому их режимы работы будут различаться мало. В таком каскаде осуществляется стабилизация режима покоя. Если под действием дестабилизирующих факторов, например, нагрева, возрастут токи коллекторов I_К1п, I_К2п и эмиттеров I_Э1п, I_Э2п, то напряжение U_БЭп уменьшится, эмиттерные переходы станут пропускать меньшие токи; в результате токи коллекторов I_К1п, I_К2п и напряжение покоя на выходе

U_вых.п = R_KlI_Kln - R_К2I_К2п (9.31)

будут стабилизированы. Стабилизация режима покоя будет тем значительнее, чем больше сопротивление цепи эмиттеров R_Э. Для этой цели в цепь эмиттеров иногда включают источник тока J_Э = I_Э1п + I_Э2п.

Из (9.31) видно, что любые одинаковые изменения в одноименных плечах каскада не вызывают изменения напряжения U_вых.п , т. е. дрейфа нуля. В реальных каскадах нет полной симметрии элементов, однако дрейф напряжения U_вых.п в дифференциальном усилителе по сравнению с усилительными каскадами на биполярных (см. рис. 9.44) транзисторах снижается на несколько порядков.

Дифференциальный усилитель работает в различных режимах.

Усиление сигнала одного источника. Источник сигнала подклю­чается симметрично (рис. 9.52, а) или несимметрично (рис. 9.52, б и в). Заметим, что в схеме на рис. 9.52, б фазы напряжений на выходе усилителя и_н и сигнала и_с совпадают, а в схеме на рис. 9.52, в их фазы противоположны. Соответствующий вход усилителя называется неинвертирующим или инвертирующим и обозначается на схеме знаками плюс или минус.

Рис. 9.52

Рис. 9.53

Основные параметры дифференциального усилителя рассчитываются с помощью его схемы замещения в режиме малого сигнала, например при подключении источника синусоидального сигнала к неинвертирующему входу (рис. 9.53). Исключая из схемы резистивные элементы 1/h₂₂ и R_Э с большими относительно других резистивных элементов сопротивлениями, получаем:

R_вх = 2h₁₁ (9.32,а)

— входное сопротивление;

Rвых = 2R_К (9.32, б)

—выходное сопротивление;

(9.32, в)

—коэффициент усиления напряжения источника сигнала, где

(9.32,г)

— коэффициент усилений напряжения на входе дифференциального усилителя в режиме холостого хода ( ).

Подключение независимых источников сигналов на оба входа.

Различают противофазное и синфазное включение двух источников сигналов, т.е. с противоположными и одинаковыми полярностями относительно общего узла цепи.

При противофазном включении и_с1 > 0 при и_с2 < 0 на рис. 9.51 (или наоборот) токи базы и коллектора одного транзистора (VS₁) возрастают, а другого (VS₂) уменьшаются (или наоборот) на такое же значение. Одновременно на соответствующих транзисторах уменьшаются или увеличиваются (или наоборот) напряжения на коллекторах, разность которых определяет напряжение на выходе усилителя.

Действие синфазных сигналов равного значения и_с1 = и_с2 соответствует одинаковому изменению режимов работы транзисторов. При этом изменения напряжения на выходе усилителя с идеальной симметрией плеч по (9.31) не будет. Это особенно важно, так как синфазные сигналы представляют собой обычно различного рода помехи (атмосферные, сетевые и т.д.).

Выражениям (9.32,в) и (9.32,г) соответствует обобщенная схема замещения дифференциального усилителя (рис. 9.54). Разделение входной и выходной цепей отражает наличие источников тока в схеме замещения на рис. 9.53. Знак плюс или минус соответствует подключению источника сигнала к неинвертирующему или инвертирующему входу усилителя (ключ S в положении 1 или 2).

Рис. 9.54

Вместо биполярных транзисторов в дифференциальном усилителе могут применяться полевые транзисторы.

Значения параметров дифференциальных усилителей на биполярных и полевых транзисторах того же порядка, что и у каскадов с ОЭ и ОС соответственно. Основные достоинства дифференциальных усилителей — помехоустойчивость к синфазным помехам и малый дрейф нуля — до 1 — 10 мкВ/°С, что в 20 — 100 раз меньше дрейфа нуля в небалансных усилителях постоянного тока. По этой причине дифференциальные усилители применяются, в частности, в качестве входных каскадов операционных усилителей постоянного тока.