4.7.2. Режим большого сигнала

Ранее были рассмотрены передаточные характеристики дифференциальных усилителей, работающих на линейном участке. Получим теперь выражение для передаточной характеристики при больших сигналах. С учетом передаточной характеристики (4.1) получим

Передаточная характеристика, описываемая этим выражением, приведена на рис. 4.34.

Рис. 4.34. Передаточная характеристика при больших сигналах.

Линейный участок этой характеристики составляет около ±2U_T  ± 50 мВ. На основе передаточной характеристики можно рассчитать коэффициент нелинейных искажений. Для этого разложим функцию th в ряд до третьего члена:

Коэффициент нелинейных искажений определим как отношение амплитуды третьей гармоники к амплитуде первой гармоники:

Таким образом, он увеличивается пропорционально квадрату U_D и имеет значение намного меньшее, чем в схеме с общим эмиттером. Для сравнения рассчитаем амплитуду U_Dмакс при которой коэффициент нелинейных искажений достигает 1%. Она составляет

Если исходить из коэффициента дифференциального усиления, равного 80, то при этом получим амплитуду выходного сигнала 1,4 В в отличие от 0,2 В в схеме с общим эмиттером.

4.7.3. Дифференциальный усилитель с отрицательной обратной связью по току

Для управления дифференциальным усилением дифференциального каскада используется отрицательная обратная связь (подобно тому как это делалось в одиночном каскаде с общим эмиттером). Для этого в цепь каждого транзистора включается эмиттерный резистор (рис. 4.35, а). Если разность напряжений U_D = U_e1 — U_e2 изменится на величину U_D, то напряжение на обоих резисторах также изменится примерно на U_D. Приращение коллекторного тока составит

отсюда получим коэффициент усиления по напряжению

На прохождение синфазного сигнала резисторы R_E не влияют.

Если, как показано на рис. 4.35,6, применить два источника стабильного тока, то отрицательную обратную связь по току можно обеспечить с помощью одного резистора. При отсутствии сигнала по этому резистору в отличие от схемы, приведенной на рис. 4.34, не будет протекать ток. В связи с этим с его помощью можно варьировать коэффициент усиления без изменения величины выходного потенциала при отсутствии сигнала.

Рис. 4.35. Дифференциальный усилитель с отрицательной обратной связью по току

4.7.4. Напряжение разбаланса

У двух транзисторов при равных токах IC напряжения база-эмиттер U_BE отличаются незначительно. Поэтому разность выходных напряжений не в точности равна нулю при U_D = 0. Напряжение разбаланса U₀ представляет собой разность входных напряжений, которую необходимо приложить для того, чтобы выполнялось равенство U_a1 = U_a2. Если использовать пару транзисторов, выполненную в едином кристалле, и хорошо подобранную пару коллекторных сопротивлений, то типовое значение напряжения разбаланса будет находиться в пределах нескольких милливольт. В некоторых случаях эта величина может быть больше. Имеются различные возможности приведения к нулю напряжения разбаланса дифференциального усилителя (рис. 4.36).

Рис. 4.36 Дифференциальный усилитель с установкой нуля

Если необходим только один вход, то к другому входу можно приложить постоянное напряжение и тем самым скомпенсировать напряжение разбаланса. Для этой цели служит потенциометр P₃. Для удобства установки малых напряжений дополнительно подключают необходимый делитель напряжения. Если требуются оба входа, то различие между напряжениями эмиттер-база устраняют с помощью эмиттерных сопротивлений. Для этого служит потенциометр P₁. Правда, одновременно он обеспечивает отрицательную обратную связь по току аналогично резистору R_E, изображенному на рис. 4.35. Если это нежелательно, то сопротивление потенциометра выбирается меньше, чем 1/S. Третья возможность выравнивания напряжений база-эмиттер состоит в том, чтобы обеспечить различные значения коллекторного тока. Для этого служит потенциометр Р₂. Если, например, установить движок этого потенциометра ближе к левому выводу, то сопротивление резистора в коллекторе T₂ будет больше, чем такое же сопротивление в цепи T₁. Благодаря этому оба напряжения станут равными и коллекторный ток T₂ будет меньше, чем коллекторный ток T₁. Таким образом, U_BE2 уменьшится по отношению к U_BE1. Этим способом можно отрегулировать напряжение разбаланса до нуля. Для компенсации первоначального напряжения разбаланса, составляющего, например, 3 мВ, необходимо обеспечить, согласно формуле (4.40), отношение токов при отсутствии сигнала, равное

Установка нуля с помощью потенциометра P₂ удобнее, чем такая же регулировка с использованием P₁. Поэтому потенциометр P₂ иногда выводят на панель управления.