2.1.4. Дифференциальный усилитель.

Р

Рис. 66. Дифференциальный усилитель.

ассмотренные схемы усилительных каскадов обладают рядом недостатков, либо низкой стабильностью, либо низким входным сопротивлением и т.д. Поэтому был разработан дифференциальный усилитель, обладающий меньшими недостатками. Схема усилителя приведена на рис. 66. Основу схемы составляют два транзистора VT1, VT2, эмиттеры которых соединены и подключены к источнику стабильного тока Iст. В коллекторах транзисторов включены резисторы Rk1 и Rk2, с коллекторов транзисторов снимаются выходные напряжения, входные напряжения подаются на базы транзисторов. Все напряжения измеряются относительно общей точки, образованной точкой соединения источников напряжения питания Uп1 и Uп2. Для организации нормальной работы каскада необходимо |Uп1|=|Uп2|=Uп. Каскад рассчитывается так, чтобы при отсутствии сигнала Uб1=Uб2=0 и Uвых1=Uвых2= Uп/2, причем обязательно выполняется равенство Iк1=Iк2=Iст/2. Для дифференциального усилителя вводятся понятия Uд – дифференциальное входное напряжение и Uс – синфазное входное напряжение, которые определяются следующим образом, Uвх1 = Uс + 0,5Uд, Uвх2 = Uс – 0,5Uд и соответственно Uд = Uвх1 – Uвх2, Uc = 0,5(Uвх1+ Uвх2).

Рассмотрим работу каскада. При подаче синфазного сигнала положительной полярности Uвх1 = Uвх2 возрастают напряжения на базах обоих транзисторов, что должно привести к возрастанию токов баз и как следствие к возрастанию токов коллекторов. Однако одновременное возрастание токов коллекторов не возможно, так как их сумма равна стабильному току, и это приводит к увеличению напряжения на эмиттерах на туже величину, что и синфазное напряжение. Так как токи коллекторов не изменятся то, и напряжения на коллекторах не изменятся. Описанный механизм работает однозначно только при условии строгой симметрии дифференциального усилителя. Важна особенность полученного вывода состоит в том, что увеличение Uс не приводит к увеличению Uвых. Однако, учитывая, что реальный источник имеет ограниченное внутреннее сопротивление возможно незначительное увеличение тока коллекторов и изменение напряжения на коллекторах, и поэтому вводят параметр ДУ коэффициент усиления синфазного сигнала Кс = - Rк/2r_ст, где r_ст – внутреннее сопротивление источника тока. Учитывая, что Rк<<r_ст коэффициент усиления синфазного сигнала намного меньше 1, и во многих случаях Кс ≈ 1/1000.

Подача на вход дифференциального сигнала соответствует, например, возрастанию напряжения на базе VT1 и уменьшению напряжения на базе VT2, что приводит к возрастанию тока базы и тока коллектора VT1 и к уменьшению тока базы и тока коллектора VT2. Выходные напряжения при этом изменяются, но напряжение на эмиттерах остается неизменным. Описанный механизм соответствует работе усилительного каскада с заземленным эмиттером, и поэтому коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется выражением , для транзистора VT1 и, для транзистора VT2.

Учитывая, что в идеальном случае напряжение на эмиттерах не изменяется при изменении дифференциального напряжения, а изменяются только напряжения на базах dUд = 2dUбэ входное сопротивление определиться как r_вх = dUд/dIб = 2dUбэ/dIб = 2r_бэ. Отсюда видно, что дифференциальный усилитель при работе с малыми входными напряжениями имеет низкое входное сопротивление. Для увеличения его используют разные схемотехнические и конструктивные приемы. Установка в цепь эмиттера каждого транзистора дополнительного резистора. Как известно это приводит к появлению отрицательной обратной связи, что уменьшает коэффициент усиления и увеличивает входное сопротивление. Чтобы в этом случае уменьшение коэффициента усиления было не большим, используют микротоки коллектора, что позволяет увеличить сопротивление в цепи коллектора и получить незначительное уменьшение Кд. Другим приемом является использование транзисторов Дарлингтона или транзисторов с супербетта (β = 1000 ÷ 8000).

Выходное сопротивление определяется, как и для других каскадов, у которых выходной сигнал снимается с коллектора транзистора r_вых = R_k ||r_k.

Для оценки диапазона входных сигналов воспроизводимых на выходе с незначительными искажениями рассмотрим работу каскада при больших сигналах. Выразим токи коллекторов в виде экспоненциальных зависимостейи. К тому же учтем Iст = Iк1 + Iк2, Uд = Uбэ1 – Uбэ2. Отношение токов. Окончательно выражение тока коллектора VT1 через Iст имеет вид. Далее построим график зависимости Ik1/Iст = f(Uд/φ_Т), который приведен на рис. 67. Анализируя полученную передаточную характеристику, приходим к выводу, что при Uд = 0 токи коллекторов равны между собой.

Зависимость вцелом нелинейная и близка к линейной зависимости только при Uд ≈ (1÷2)*φ_т.

Т

Рис. 67. Переходная характеристика дифференциального усилителя.

аким образом, выходной сигнал с малыми искажениями можно получить только если входное напряжение имеет амплитуду не более 52мВ. При большем входном дифференциальном напряжении будем получать выходной сигнал с большими искажениями.