5.4 Дифференциальный каскад

Усилитель с симметрично выполненным входом, реагирующий на разность напряжений, приложенных к зажимам Вх₁ и Вх₂, называется дифференциальным или разностным.

Рис.5.12. Дифференциальный каскад

Действительно, если сигналы одной частоты и фазы, но разной амплитуды подавать на входы, то токи через нагрузку от двух транзисторов будут направлены в разные стороны, т.е. произойдет вычитание усиленных сигналов.

Если задать полярность входного сигнала от Т₁ как положительную (при положительной полярности сигнала), то такой вход называют не- инвертирующим. Ясно, что положительный сигнал на Т₂ даст на выходе противоположное направление тока и следовательно напряжение и Вх₂ можно назвать инвертирующим. Т.о. какой вход инвертирующий (-), а какой не- инвертирующий (+) – понятие для дифференциального каскада условное.

В различной литературе дифференциальный каскад называют параллельно-балансным каскадом, мостовым каскадом. В настоящее время самое распространенное название – дифференциальный каскад.

Дифференциальный каскад симметричен. Симметрия – уменьшает дрейф нуля. Чем ближе параметры Т₁ и Т₂, их базовые цепи и R_K1 и R_K2, тем меньше дрейф.

I_K1R_K1  I_K2R_K2



Для идеального дифференциального каскада знак (=).

Эти соотношения позволяют проводить балансировку дифференциального каскада. Если I_T разные, то подбором R_K1 и R_K2 можно получить условие балансировки.

В реальных схемах такой метод применяется редко. Чаще для уменьшения дрейфа используют так называемые эмиттерные связки.

Последовательная связка

Рис.5.13. Схемы последовательной (а) и параллельной эмиттерных связок (б)

В ней R₀ составляет несколько сотен Ом, т.е. R₀>>r_Э. Тем самым влияние r_Э на дрейф становится пренебрежимо мало. Во-вторых R₀ как бы выравнивает разные r_Э1 и r_Э2, и т.о. уменьшает дрейф. В-третьих R₀ увеличивает динамический диапазон входных сигналов. Если в каскаде с эмиттерной связью диапазон входных сигналов не может быть больше 2U_БЭ, то в дифференциальном каскаде к U_БЭ следует приплюсовать падение напряжения на R₀ и тогда диапазон будет 2(U_БЭ+I_Э1R₀). R₀ может быть выполнен как потенциометр.

Параллельная связка.

Связка используется в том случае, если R₀ выполняет роль нагрузки, например, в случае балансного повторителя.

Вернемся к первоначальной схеме. Если транзисторы одинаковые и каскады симметричны, то при любом большом значении их дрейфа потенциалы коллекторов изменяются на одинаковую величину, а напряжение на нагрузке остается неизменным. То же получается если на Вх₁ и Вх₂ подаются синфазные сигналы, т.е. имеющие одинаковую амплитуду и фазу. Для получения между коллекторами транзисторов полезного усиливаемого сигнала необходимо подавать его на базы транзисторов в противоположных фазах. Такой сигнал называется парафазным или дифференциальным. В этом случае напряжение на выходе определяется только входным сигналом и не зависит от дрейфа нуля, т.е. от синфазного сигнала.

В реальных дифференциальных каскадах избежать синфазных сигналов на выходе нельзя, т.к. невозможно добиться абсолютной симметрии плеч дифференциального каскада, но все же величина дрейфа оказывается значительно меньше, чем дрейф в УПТ прямого действия. Применяя балансировку связки, можно еще больше ослабить влияние дрейфа. Особая роль в этом принадлежит резистору в цепи эмиттеров R_Э. Сопротивление R_Э создает в цепях каждого транзистора отрицательную обратную связь, которая уменьшает усиление синфазных компонент, и, следовательно, дрейф усилителя. Сигнал парафазный не создает на R_Э дополнительного напряжения и R_Э в процессе передачи дифференциальным каскадом дифференциальных

сигналов не участвует. Действительно, отрицательная часть дифференциального сигнала открывает, например, первый транзистор, увеличивая ток эмиттера Т₁, положительная же часть закрывает Т₂, уменьшая его ток эмиттера точно на такую же величину. В результате итоговый ток через R_Э остается постоянным. Это эквивалентно равенству R_Э для дифференциальных сигналов бесконечности.

Вывод: R_Э не влияет на дифференциальный сигнал и уменьшает синфазные. Чем больше R_Э, тем лучше. Но существует предел – обеспечение рабочей точки транзисторов Т₁ и Т₂ в соответствии с уравнением нагрузочной прямой

Е_К=I_К1R_К1+U_КЭ1+2I_Э1R_Э – для Т₁ или

Е_К=I_К2R_К2+U_КЭ2+2I_Э2R_Э – для Т₂

Выход из этого положения – замена резистора на диод (стабилитрон), однако чаще вместо R_Э используется так называемый генератор стабильного тока (ГСТ).