Дифференциальные (балансные) каскады
Дифференциальным каскадом (ДК) называют симметричную структуру, реализованную на основе двух биполярных транзисторов с объединенными эмиттерами Первоначально ДК были разработаны для усиления медленно изменяющихся (постоянных) сигналов с весьма малым дрейфом нулевого уровня. Каскад усиливает разностный (дифференциальный) сигнал, подключенный между базами транзисторов, и практически не передает поданное на оба входа напряжение (синфазный сигнал).
Достоинством симметричной схемы задания режима транзисторов является одинаковое изменение под воздействием дестабилизирующих факторов постоянных составляющих токов при идентичных параметрах плеч, что обеспечивает стабильность напряжения между коллекторами. Преимущества ДК в полной мере проявились в интегральной технологии, позволившей реализовать элементы с высокой степенью идентичности. Дифференциальные усилители нашли широкое применение в аналоговых микросхемах усилителей и цифровых элементах на переключателях тока (схемах эмиттерно-связанной логики).
Схема дифференциального каскада содержит биполярные транзисторы Т1 и Т2 с идентичными параметрами. Одинаковые нагрузочные резисторы Rк, подключенные к источникам постоянного напряжения V и тока I0, которые обеспечивают режим работы каскада (рис.3.8,а).
Рис. 3.8. Схема (а) и характеристики (б) дифференциального каскада
Для получения проходной характеристики каскада на один его вход (Вх1) подается изменяемое входное напряжение Uвх, а на другой (Вх2) – фиксированный опорный сигнал Uоп. Уравнения каскада имеют вид
,
,
,
где Iэ1, Iэ2 – эмиттерные токи транзисторов, описываемые соотношениями
,
,
α – коэффициент передачи тока эмиттера.
При
равенстве входного и опорного напряжений
Uвх
=
Uоп
из
симметрии схемы следуют равенства
Iк1
=
Iк2
=
I0
/2
и Uэ1
=
Uэ2
=
Uэ
=
Uоп
−
U*.
Напряжения на коллекторах также имеют
равные значения
(рис.3.8,б).
Если входное напряжение уменьшить на небольшую величину Uвх = Uоп − Uд , то транзистор Т2 останется открытым и значение потенциала его эмиттера не изменится. Следовательно, останется прежним и потенциал объединенных эмиттеров Uэ = Uоп − U*. При этом напряжение Uб э1 транзистора Т1 уменьшится Uб э1 = U* −Uд , что приведет к быстрому снижению тока. Так небольшая дифференциальная разность Uд = 2,3φT = 60 мВ вызывает уменьшение тока на порядок. Следовательно, транзистор Т1 закрывается (Iэ1 ≈ 0) и напряжение его коллектора становится максимальным Uк1 ≈ V = U1. В соответствии с уравнением эмиттерных токов практически весь ток источника замыкается через транзистор Т2, т.е. Iэ2 ≈ I0 , и на его коллекторе имеем минимальный уровень напряжения Uк2 ≈ V − αRkI0 = U0. Дальнейшее уменьшение входного сигнала до нуля практически не изменяет полученного распределения токов и напряжений.
При увеличении входного напряжения Uвх = Uоп + Uд транзистор Т1 останется открытым и будет определять общий потенциал эмиттеров Uэ = Uэ1 = Uвх − U* = Uоп − U* + Uд. Это вызывает снижение напряжения на переходе транзистора Т2 на значение Uд и приводит к быстрому уменьшению тока через Т2 до его полного запирания.
Таким образом, под действием входного напряжения ток источника перераспределяется между транзисторами, т.е. происходит переключение транзисторов. Это позволяет использовать дифференциальный каскад в качестве двоичного логического элемента (ЛЭ). Достоинством такого ЛЭ является одновременное наличие на выходах сигналов с противоположными уровнями (парафазных), т.е. когда на коллекторе Т1 присутствует Uвых1 = U0 , на другом выходе имеем Uвых2 = U1 .
При использовании каскада в усилительном режиме дифференциальный сигнал переменного напряжения uδ подается между базовыми выводами транзисторов. Для анализа работы усилителя его удобно представить в виде совокупности двух одинаковых напряжений относительно корпуса Uвх = uδ / 2 и Uоп = – uδ / 2. При отсутствии дифференциального сигнала uδ = 0 в симметричной схеме потенциалы баз транзисторов равны, их токи одинаковы и выходной сигнал uвых = 0 в силу равенства потенциалов коллекторов uк1 = uк2 V − Rк I0 / .
Приложение дифференциального напряжения uδ вызывает увеличение тока эмиттера Т1 и уменьшение на такое же значение тока эмиттера Т2, так что суммарный ток сопротивления R0 не изменится. Потенциал эмиттеров также останется неизменным и его для расчета переменных составляющих можно считать нулевым. Очевидно, что для симметричной схемы нулевой потенциал будет во всех точках на оси симметрии. Для переменных составляющих (приращений) напряжений и токов схему можно разделить на две подсхемы, каждая из которых представляет собой каскад с общим эмиттером и для оценки усилительных параметров дифференциального усилителя можно воспользоваться приведенными ранее результатами каскада ОЭ при Rэ = 0.
Дифференциальные усилители выполняют также на полевых транзисторах, обеспечивающих малое потребления тока от источника сигнала и низкий уровень собственных шумов.