5.2.3. Диференційні підсилювачі

Диференційні підсилювачі широко використовують з метою значного зменшення дрейфу нуля у підсилювачів постійного струму. Це досягається шляхом включення активних елементів підсилювача за балансовою схемою. Принцип роботи балансової схеми можна пояснити на принципі чотириплечевого моста постійного струму.

Найпростіша схема диференціального каскаду зображена на рис. 5.7.

Транзистори VT₁, VT₂ та резистори R_к1,R_к2, утворюють міст, до однієї діагоналі якого вмикають джерела живлення Е_Ж1, Е_Ж2, а до іншої діагоналі – опір навантаження R_н.

Високостабільні показники каскаду можна досягнути тільки завдяки симетрії (балансування) моста. У симетричному каскаді R_K1 = R_K2 = R_KК параметри транзисторів повинні бути ідентичними (однаковими).

Розглянемо режим спокою, коли вхідні напруги U_ВХ1 = U_ВХ2, тоді в цьому випадку напруги зміщення на обох транзисторах (напруга між базою та емітером) повинні бути однаковими і дорівнювати: U_бе1 =U_бе2= -U_е.

Рис. 5.7. Схема диференційного підсилювача

На базах транзисторів наявні однакові додатні напруги зміщення, тому, через транзистори течуть у режимі спокою, рівні струми, I_K1 = I_K2.

Колекторні струми (I_K1= I_K2) створюють відповідні падіння напруги на резисторах R_K1 і R_K2. В цьому випадку U_RK1 = U_RK2, і тому напруги:

U_ке1=U_ке2=Е_ж1–U_RK1–Uе=Е_ж1–U_RK2–Uе. (5.6)

Напруга на виході каскаду буде дорівнювати:

U_вих=U_ке2–U_ке1=0 (5.7)

В такому каскаді здійснюється стабілізація режиму спокою. Якщо в наслідок нагріву транзисторів зростають струми I_K1 та I_K2 , то зростає падіння напруги на емітерному резисторі Rе. Це призведе до зменшення напруг U_бе1 та U_бе2, що в свою чергу приведе до зменшення базових струмів, внаслідок чого струми колекторів транзисторів I_K1 та I_K2 стабілізуються. Нестабільність джерела живлення теж приведе до виникнення дрейфу нуля.

У реальних каскадах симетрія елементів не повна, але в порівнянні з підсилювальним каскадом (рис. 5.2) дрейф нуля значно менший (в 20–50 разів), що дозволяє подавати на вхід диференційного підсилювача дуже малі вхідні напруги.

Диференційний каскад дозволяє підключати джерела вхідного сигналу в різний спосіб.

1. Джерело сигналів можливо під’єднувати між базами транзисторів (це показано штриховою лінією на рис.5.7). В цьому разі напруга на навантаженні:

U_вих = ∆U_ке2 –∆U_ке1. (5.8)

2. Джерело вхідного сигналу можливо під’єднувати до одного із входів диференційного каскаду, в цьому разі другий вхід потрібно під’єднувати на спільний провід (┴).

Подача вхідного сигналу на один із входів підсилювача викликає зміну струмів та напруг в обох транзисторах завдяки стабілізації струму F∑I_е(I_е1+I_е2).

При подачі сигналу на вхід V_T2 (U_вих1 = 0), напруга на виході U_вих1= (∆Uке₂ – ∆Uке₁) <0. При подачі сигналу на вхід VT1 (U_вх2 =0), напруга на виході U_вих = (∆_Uке2 – ∆U_ке1)>0.

Отже, при подачі сигналу на вхід VT₁ полярність вихідного сигналу співпадає з полярністю вхідного – вхід VT₂ називають прямим входом, а вхід VT₁ – інвертуючим (полярність вихідного сигналу змінюється на протилежну). Схема диференційного каскаду є симетричною, тоді знак вихідного сигналу залежить від того, який її напрям прийнято за додатній. До обох входів диференціального каскаду можна підключити незалежні джерела сигналів.

Тоді в режимі лінійного підсилення вихідна напруга може бути знайдена методом суперпозиції від дії кожного з сигналів. У мікроелектроніці диференційні підсилювачі є одним з універсальних елементів інтегральних аналогових мікросхем. На їх базі створені операційні підсилювачі, які створили в аналоговій техніці свого роду технічну революцію.