2.8. Дифференциальный каскад

Существенное уменьшение дрейфа нуля в усилителе постоянного тока достигается с помощью схемного решения, которое реализуется в дифференциальном усилительном каскаде. В основу его построения положен принцип сбалансированного моста. Известно, что баланс моста (см. рис.2.15) сохраняется как при изменении подводимого к нему напряжения, так и при изменении сопротивления резисторов, если выполняется условие

= . (2.18)

Данное свойство моста уменьшают влияние нестабильности источника питания и изменения параметров элементов схемы на процесс усиления входного сигнала.

На рис.2.16 представлена схема, с помощью которой объясняется принцип работы дифференциального усилительного каскада. Схема состоит из двух частей: мостовой и источника стабильного тока, представленные в виде источника тока I_э. В мостовой части схемы два плеча моста образуются резисторамиRиR(аналоги резисторамRиRсхемы рис.2.15), а два других транзисторами ТиТ (аналоги резисторамR иRсхемы рис.2.15). Выходное напряжение снимается с коллекторов транзисторов, т.е. с диагонали моста. Оно равно нулю при балансе моста, который достигается при работе одинаковых по параметрам транзисторов ТиТв одинаковых режимах, а также одинаковых сопротивлениях резисторов RиR. Если при повышении температуры в процессе работы этих элементов значения их параметров изменяются одинаково, то условие (2.18) выполняется. Идентичность параметров соответствующих элементов мостовой части схемы обеспечивается технологией изготовления интегральных микросхем, в состав которых входят дифференциальные каскады.

Рис. 2.15. Схема четырехплечего Рис.2.16. Схема дифференциального

моста усилительного каскада

При наличии в составе схемы дифференциального каскада источника стабильного тока Iбазы транзисторов ТиТнаходятся под положительным потенциалом относительно “земли”, и транзисторы работают в режиме классаА.

Особенностями дифференциального усилительного каскада являются:

- использование двухполярного источника постоянного напряжения, для чего каскад имеет три клеммы питания + Е,-Еи “земля”;

• наличие двух входов для подачи усиливаемых сигналов;

- отсутствие заземления одной из выходных клемм, т.е. нагрузка оторвана от «земли» (в отличие от схемы на рис.2.2).

Представляется важным определить, чем отличаются друг от друга входы дифференциального усилителя. С этой целью проводится сравнение двух вариантов подачи входного сигнала:

а) входной сигнал подается на первый вход каскада (на базу транзистора Т), а второй вход заземлен;

б) входной сигнал подается на второй вход каскада (на базу транзистора Т), а первый вход заземлен.

При анализе следует иметь в виду, что в дифференциальном усилителе единая линия нагрузки, поскольку в его схеме отсутствуют конденсаторы.

Рис.2.17. Подача входного сигнала положительной полярности

в дифференциальном каскаде: а - со стороны транзистора Т₁,

б – со стороны транзистора Т₂

Пусть на базу транзистора Тпри заземленной базе транзистора Т(вариант «а») подается напряжение входного сигнала положительной полярности, при котором происходит увеличение базового тока транзистора Тотносительно этого тока в точке покоя. Ток базы транзистораТтакже изменится, но в противоположную сторону, т.е. уменьшится. Это иллюстрируется рис.2.17,а, где пунктиром отмечен контур, по которому протекает ток I, обусловленный подачей входного сигнала. Видно, что ток Iпротекает в направлении к транзистору Т, но от транзистора Т. Изменение базовых токов транзисторов ТиТвызывает изменение их коллекторных токов. Как следует из рис.2.18,а, где приведены выходная характеристика и линия нагрузки, ток коллектора транзистора Тувеличивается, а транзистора Т- уменьшается. Изменение этих токов относительно тока точки покоя будет одинаковым, поскольку схемой дифференциального каскада обеспечивается постоянство суммы эмиттерных токов

I + I = I = const .

Выходное напряжение дифференциального каскада, снимаемое с коллекторов транзисторов ТиТ, можно представить как

U= U- U= (Е- IR) – (Е- IR). (2.19)

С учетом того, что сопротивления резисторов R и Rодинаковы, а

I = I - ∆ IиI = I +∆ I, где ∆ I- изменение коллекторных токов транзисторов относительно тока в точке покоя, следует

U= 2 R∆ I.

Выходное напряжение имеет положительную полярность.

Рис.2.18. Положение рабочих точек транзисторов Т₁ (1) и Т₂ (2)

на выходной характеристике при подаче входного сигнала

положительной полярности: а - со стороны транзистора Т₁,

б – со стороны транзистора Т₂

При подаче на базу транзистора Твходного сигнала отрицательной полярности, направление тока Iизменится на противоположное относительно того, что показано на рис.2.17,а. В результате величина базового тока транзистора Туменьшится, а транзистора Т- увеличится. Соответствующим образом изменятся величины коллекторных токов, и выходное напряжение будет отрицательным

U = -2 R∆ I.

Таким образом, при подаче сигнала на базу транзистора Ти заземленной базе транзистора Т(вариант «а») усиление в дифференциальном каскаде происходит без изменения полярности сигнала, т.е. его инверсия отсутствует.

Случай подачи входного сигнала положительной полярности на базу транзистора Ти заземленной базе транзистора Т(способ “б” подачи входного сигнала) иллюстрируется рис.2.17,б и 2.18,б. Анализ, аналогичный проведенному выше, позволяет заключить, что в этом случае выходное напряжение дифференциального каскада

U= -2 R∆ I.

При подаче входного сигнала отрицательной полярности

U= 2 R∆ I.

Следовательно, при усилении происходит изменение полярности сигнала, т.е. его инверсия.

В связи с различным характером усиления один вход дифференциального усилительного каскада является неинвертирующим, а второй – инвертирующим. При подаче входного сигнала на инвертирующий вход усиление сопровождается инверсией полярности. Иными словами, выходной сигнал по фазе сдвинут относительно входного сигнала на 180⁰. При подаче входного сигнала на неинвертирующий вход при усилении инверсия полярности отсутствует, выходной и входной сигналы синфазны.