26. Усилительные свойства дифференциального усилителя.

Дифференциальный усилитель (ДУ) является основным узлом важнейшего элемента аналоговой интегральной электроники – операционного усилителя (ОУ). Схема ДУ показана на рис. 10.1. Он состоит из двух одинаковых (симметричных) плеч, каждое из которых содержит транзистор и резистор. Выходным напряжением является разность коллекторных потенциалов, а входным – разность базовых потенциалов.

Рис. 10.1. Дифференциальный усилитель

В общую эмиттерную цепь включен источник тока I₀ (генератор тока). Он обеспечивает постоянство суммы

I_э1 + I_э2 = I₀ = const

и стабильность рабочей точки токов I_э0 и напряжений U_к0.

Принцип действия

В основу ДУ положена идеальная симметрия его плеч, т. е. идентичность параметров транзис-торов Т1, Т2 и равенство сопротивлений R_к1, R_к2. При этом в отсутствии сигнала токи через транзисторы и коллекторные потенциалы будут одинаковы, а выходное напряжение будет равно нулю. Нулевое значение U_вых так же сохраняется при одновременном и одинаковом изменении токов в обоих плечах. Таким образом, в идеальном ДУ дрейф выходного напряжения отсутствует, хотя в каждом из плеч он может быть сравнительно большим.

Подадим на базы транзисторов одинаковые по величине и совпадающие по фазе напряжения U_б1 = U_б2 (синфазные сигналы). Если источник тока I₀ идеальный (т. е. R_i = ), то токи в обеих ветвях и коллекторные потенциалы останутся неизменными и выходное напряжение U_вых останется равным нулю. Если R_i  , то появится приращение тока I₀, но оно распределится поровну между обеими ветвями ДУ и коллекторные потенциалы изменятся одинаково и сохранится U_вых = 0.

Если подать на базы напряжения равной величины, но противо-

положных знаков (U_б1 и U_б2 = – U_б1), т. е. дифференциальные сигналы, то их разность по определению будет входным сигналом ДУ:

U_вх = U_б1 – U_б2.

Вследствие этого приращения токов и коллекторных потенциалов в плечах ДУ будут одинаковыми по величине, но разного знака. В результате появится выходное напряжение U_вых = U_к1 – U_к2  0.

Следовательно, идеальный ДУ реагирует только на дифферен-циальный или разностный сигнал. Отсюда вытекает название этого типа усилителей.

Коэффициент усиления синфазного сигнала

В реальном ДУ, в котором оба плеча неидентичны, а источник тока имеет конечное сопротивление, наблюдается влияние синфазной составляющей входного сигнала на дифференциальную составляющую выходного сигнала. Следовательно, при U_{вх с} = U_вх1 = U_вх2

U_{вых с} = U_вых1 – U_вых2  0.

Отношение называется коэффициентом усиления синфазного сигнала. Так как этот параметр характеризует степень не-идеальности ДУ он должен быть минимизирован. Для случая синфазного сигнала схему ДУ можно представить как показано на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Схема ДУ для случая синфазного входного сигнала

Коэффициент усиления такой схемы ориентировочно равен:

.

Из приведенного выражения видно, что уменьшения А_с можно добиться увеличением R_i. Значительной величины R_i в случае пассивного резистора без сущест-венного ухудшения других пара-метров схемы достичь невозможно.

Один из возможных вариантов источников тока приведен на рис. 10.3.

A

Рис. 10.3. Источник тока на транзисторе

На схеме U_A – падение напря-жения на части схемы находящейся выше точки А (рис. 10.2). У такой схемы большое лишь дифферен-циальное сопротивление , тогда как статическое внутреннее сопротивление мало. Этой особен- ностью обладает выходная характеристика транзистора. Например, если составляет (1…5)10³ Ом, то составит (1…5)10⁵ Ом. За счет последовательной обратной связи (R_э) это сопротивление может быть увеличено на несколько порядков.