6.5.Диференціальні підсилювачі

Диференціальні підсилювачі (ДП) належать до балансних (мостових) схем підсилювачів постійного струму. Якість ДП здебільшого визначається ідентичністю параметрів пари транзисторів. У дис­кретній транзисторній схемотехніці це виконати важко, а тому такі схеми використовують рідко. Структура диференціального підсилювача узгоджена з прин­ципами інтегральної технології, за якою можливе виготовлення пари транзисторів з майже ідентичними параметрами (дві структу­ри розташовані поруч на одній підкладці і формуються одночасно за однакових умов).

Схеми ДП були розроблені і широко використовувалися ще на етапі електровакуумної електроніки. Їх впровадження було одним з ефективних напрямів побудови підсилювачів постійного струму (ППС), які дозволяли обробляти інформаційні сигнали в пристроях автоматичного контролю та регулювання для регістрації таких величин, як потужність, кут зсуву фаз, тиск, температура, світловий потік, прозорість і ін. Такі електричні та неелектричні параметри зазвичай просто перетворюються в струми або напруги, що повільно змінюються, а відтак частота таких сигналів складає тільки одиниці або навіть частки герца. Для підсилення таких струмів або напруг необхідні підсилювачі, смуга частот яких має нижню межу f_н = 0.

Підсилювачі постійного струму широко використовуються в електронних обчислювальних машинах і вимірювальній техніці, медицині, ядерній фізиці та в інших областях техніки.

При побудові та експлуатації ППС виникає важлива задача: забезпечення стабільної роботи підсилювача при зміні напруги джерела живлення, режимів транзистора, параметрів елементів та інших дестабілізуючих факторів. Формування вихідної напруги під дією цих факторів фактично не відрізняється від змін, викликаних дією на вході корисних сигналів.

Зміни вихідної напруги, що не пов’язані зі вхідними інформаційним сигналом, а зумовлені внутрішніми процесами в підсилювачі, називають дрейфом нуля підсилювача. Напруга дрейфу на виході ППС може виявитись одного порядку з напругою корисного сигнала. Це викликає недопустимі інформаційні спотворення.

Схеми диференціальних підсилювачів будуються за мостовими схемами, що дозволяє вирішити описану вище проблему через суттєве зменшення дрейфу нуля.

Типова принципова схема та схема вмикання диференціального підсилювача в інтегральному виконанні показана на рис.6.7. Це мікросхема К118УД1: напівпровідниковий однокаскадний диференцальний підсилювач постійного струму серії 118. По суті така схема являє собою міст, плечами якого є резистори R1 = R5 і внутрішні опори транзисторів VT1 та VT4 ( диференціальна пара).

Рис.6.7. Диференціальний підсилювач К118УД1: а – принципова схема; б – схема вмикання

До однієї діагоналі моста (виводи 7 і 14) підводиться напруга одного або двох джерел живлення (+Е_С і –Е_Е), а до другої (колектори VT1 і VT4) вмикається навантаження (виводи 5 і 9). Якість роботи такої схеми визначається симетрією обох пліч, тобто ідентичністю параметрів транзисторів VT1 та VT4, рівністю опорів R1 i R5. У початковому стані (до появи інформаційного сигналу) ДП повинен бути збалансований, а значить напруга на навантаженні дорівнює нулю (U_н = |U_С1 – U_C2| = 0). При дії різних дестабілізуючих факторів (наприклад, підвищенні + Е_С) одночасно зміниться напруга колекторів, а різницева напруга колекторів, тобто напруга на навантаженні, залишиться незмінною (U_н  0).

Для стабілізації режиму роботи в схемі використовується генератор стабільного струму на транзисторі VT2, функціонування якого описано в розділі 6.3.2. Коло зміщення побудоване на резисторах R3, R4, R6 та транзисторі VT3 у діодному вмиканні. Це забезпечує режим роботи генератора стабільного струму і температурну стабілізацію мікросхеми.

При вмиканні навантаження між колекторами транзиторів VT1 і VT4 використовують симетричний вихід, а при зніманні напруги вихідного сигналу з колектора одного з транзистрорів відносно заземленого провідника – несиметричний вихід. Вихідний інформаційний сигнал може подаватися: на один із входів (3 або 10) відносно заземленої точки (несиметричний вхід), або ж одночасно на два входи (симетричний вхід).

При подачі інформаційного сигналу на симетричні входи на базах вхідних транзисторів VT1 і VT4 діють напруги протилежних знаків (ΔU_B1 = - ΔU_B2). Такі сигнали називають диференціальними. Ідеальний ДП реагує тільки на диференціальний сигнал, звідси – назва цього типу підсилювачів.

Ефективно проявляється важлива особливість диференціального підсилювача, яка обумовила їх широке використання. Це: значне підсилення інформаційного (диференціального) сигналу та значне ослаблення синфазного сигналу завади.. Синфазні вхідні напруги U_СІ – це напруги між кожним з входів ІМС та спільним виводом, амплітуди та фази яких збігаються Коли джерело інформаційних сигналів (датчик) вмикається до симетричного входу диференціального підсилювача, на ньому діють протифазні або різнополярні сигнали.

Амплітуда вихідного сигналу визначається різницею напруг на симетричному вході. У результаті відповідно змінюється напруга на колекторах транзисторів VT1 і VT4. Коефіцієнт підсилення диференціального сигналу А_U визначається відношенням приросту вихідної напруги до приросту вхідної за формулою:

Напруга завади діє синфазно, тобто або підвищує, або зменшує одночасно напругу на обох входах 3 і 10. Це викликає відповідні синфазні зміни напруг на колекторах. У випадку ідеального джерела струму сигнал на виході диференціального підсилювача відсутній. У реальних схемах під дією синфазного сигналу на виході існує синфазна напруга розбалансування ΔЕ_сф, яка додається до корисного сигналу, зумовлюючи сигнал помилки. Коефіцієнт підсилення синфазного сигналу A_UC значно менший за A_U. Диференціальний підсилювач тим якісніший, чим меншу різницю вихідних сигналів він може розрізнити на фоні великого синфазного сигналу, зазвичай створеного дією дестабілізуючих факторів. Ця важлива властивість ДП оцінюється коефіцієнтом ослаблення синфазної складової (в децибелах):

Типові значення цього параметра - 60…80 дБ. Це свідчить про високу завадостійкість підсилювача. Мікросхема КІІ8УДІА забезпечує ослаблення вхідних синфазних напруг не менше ніж 60 дБ (G_A1/G_сф = 10³).

Диференціальні підсилювачі належать до типових схем універсального призначення. Вхідні сигнали можна подавати не лише на диференціальні входи 3 і 10, але і на входи генератора постійного струму 2 і 12. Це також може бути або симетричний, або несиметричний вхід.

Багато входів і виходів забезпечують широкі можливості введення і комбінування негативного та позитивного зворотного зв`язків для одержання якісних показників диференціального підсилювача та побудови різних функціональних пристроїв.

Висока завадостійкість і термостабільність диференціальних підсилювачів зумовили їх широке використання як вхідних каскадів, зокрема в операційних підсилювачах.

У технічній літературі із схемотехники, в науково-технічних журналах, довідниках представлено великий вибір диференціальних підсилювачів зі схемами вмикання та параметрами зовнішніх елементів для побудови підсилювачів, генераторів, компараторів, змішувачів частоти і ін. Вони можуть бути ефективно використані в курсовому, дипломному проектуванні та в практичнів інженерній діяльності для реалізації сучасного функціонально-вузлового методу проектування.