В приложениях 1,2,3 приводятся основные характеристики биполярных и полевых транзисторов.

8. Дифференциальный усилитель

Эти усилители играют важную роль в интегральной схемотехнике. Они служат входными каскадами операционных усилителей. В цифровых схемах на них строят токовые переключатели. Простейшая схема дифференциального усилителя (ДУ) представляет собой электрический мост, плечами которого служат два резистора и два транзистора (рисунок 25). В диагональ моста, между коллекторами транзисторов включают резистор нагрузки. В общей эмиттерной цепи включен резистор R₃ и I_Э =I_K1 + I_K2.

Входные сигналы подают на базы транзисторов. При полной идентичности параметров транзисторов, резисторов в коллекторных цепях и отсутствии входных сигналов токи транзисторов равны, потенциалы их коллекторов так же равны и напряжение на выходе равно нулю.

Из-за симметрии плеч ДУ, изменение температуры не изменит выходное напряжение, следовательно, в нем отсутствует дрейф нуля и усилитель может быть использован как усилитель постоянного тока.

При подаче на базы ДУ одинаковых напряжений (синфазных сигналов) коллекторные напряжения изменяются одинаково, так как ∆I_K1 = ∆I_K2 и ∆U_K1 =∆U_K2 , следовательно, U_ВЫХ =0.

Рисунок 25 Схема дифференциального усилителя

Способность подавлять синфазные сигналы является важным свойством ДУ. Подавление будет тем лучше, чем больше сопротивление R_Э, что обеспечивает постоянство тока эмиттера. Однако реализация резистора большого номинала ведет к расходу площади кристалла.

Поэтому вместо резистора R_Э используют схему источника постоянного тока. Большое распространение получила схема (рисунок 26), построенная по принципу «токового зеркала». Такие схемы называют иногда генератором стабильного тока (ГСТ).

К схеме ДУ ГСТ подключается в точке «А» вместо резистора.

Транзистор VТ1 имеет диодное включение и находится в активном режиме. Ток I₁, протекающий через сопротивление R1, распределяется на три тока:

I₁ = I_Б1 +I_Б2 + I_К1 = 2I_Б1 + βI_Б1 = I_Б1(2+β)

I_Б1 = I₁ /(2+β),

где β – коэффициент передачи тока базы.

Но I₂ = β I_Б2 и I_Б2 = I_Б1 = I₂ /β.

Следовательно, I₂ /β = I₁ /(2+β), а так как β >>1, то I₁ = I₂.

Таким образом , ток I₂ определяется только значением тока I₁ , который остается постоянным и зависит только от источника Е. Такие схемы называют иногда генератором стабильного тока (ГСТ).

Рисунок 26 Генератор стабильного тока

При подаче на базы транзисторов напряжений противоположных знаков (дифференциальных сигналов) ток коллектора одного транзистора (предположим VТ1) увеличивается, а второго уменьшается на такую же величину. Напряжение на коллекторе U_К1 снижается, а U_К2 возрастает. В результате выходное напряжение

U_ВЫХ = U_К1 - U_К2 = 2 U_К.

Таким образом, идеальный ДУ усиливает дифференциальный сигнал, то есть разность напряжений, поданных на базы транзисторов.

Выход коллектора транзистора VТ1 для Вх1 называют инвертирующим, а коллектора VТ2 - неинвертирующим (для Вх2 наоборот).

ДУ имеет два входа и два выхода. Следовательно, сигналы можно подавать на базы двух транзисторов одновременно (симметричный вход) и снимать напряжение с нагрузки R_Н (симметричный выход). Можно подать сигнал на базу одного из транзисторов (несимметричный вход), и снимать напряжение с коллектора одного из транзисторов (несимметричный выход). Кроме этого можно использовать симметричный вход и несимметричный выход, а так же несимметричный вход и симметричный выход.

Наибольшее усиление сигнала получают при использовании симметричных входа и выхода, а наименьшее при несимметричных входе и выходе.