6. Дифференциальный усилитель

6. 1. Работа схемы дифференциального усилителя (ду)

Дифференциальный усилитель - это симметричный усилитель постоянного напряжения (тока) с двумя входами и двумя выходами рис.6.1. Выходной сигнал можно снимать с коллекторов транзисторов U_вых1и U_вых2, а также как разностный сигнал U_вых = U_вых2- U_вых1. Различают два вида входных сигналов: дифференциальный и синфазный. Дифференциальный входной сигнал равен разности между U_вх1и U_вх2, то есть

U_д= U_вх1- U_вх2.

Синфазный входной сигнал представляет собой равенство U_вх1и U_вх2, то есть

U_с= U_вх1= U_вх2.

Если входной сигнал представить в виде двух составляющих

U_вх1=U_c+ (1/2)U_ди

U_вх2=U_c- (1/2)U_д,

то синфазный входной сигнал определяется как

U_c=(U_вх1+U_вх2) / 2,

а дифференциальный

U_д= U_вх1- U_вх2.

В зависимости от вида входного сигнала различают коэффициенты усиления дифференциального сигнала и коэффициент усиления синфазного сигнала. Если выходной сигнал снимается с коллекторов транзисторов, то дифференциальный коэффициент усиления определяется по формуле

А_д= dU_вых1/ dU_д= - dU_вых2/ dU_д.

Для разностного выходного сигнала

А_д= d(U_вых1- dU_вых2) / dU_д.

В дифференциальном усилителе в общую эмиттерную цепь включен источник стабильного тока, который обеспечивает постоянство суммы эмиттерных токов т.е.

I₀= I_э1+ I_э2.

При отсутствии сигнала U_вх1= U_вх2= 0 ток I₀вследствие симметрии схемы равномерно распределяется между обоими транзисторамиVТ₁иVТ₂. Тогда получим I_э1+I_э2= 0.5 I₀. Пренебрегая базовыми токами, найдем I_к1+I_к2≈ 0.5 I₀.

Синфазный входной сигнал.

Рассмотрим работу дифференциального усилителя при синфазном входном сигнале. Предположим, что источник тока идеальный, а транзисторы имеют идентичные (одинаковые) параметры. Идеальность источника тока означает, что его ток I₀, не зависит от напряжения на нем, т.е. от напряжения U_А. Идентичность параметров транзисторов предполагает одинаковые токи коллекторов транзисторов при изменении входных напряжений на одну и ту же величину.

Если U_вх1и U_вх2изменятся на одну и ту же величину (синфазный входной сигнал) изменится величина напряжения U_А, но так как мы предположили, что источник тока идеальный, то это не приведет к изменению его токаI₀, а следовательно, эмиттерных и коллекторных токов. Напряжения на коллекторах транзисторов останутся неизменными, то есть коэффициент усиления синфазного сигнала равен 0.

Однако в природе не существует идеальных источников тока, поэтому эмиттерные и коллекторные токи изменятся, хоть и на малую величину. При идентичности параметров транзистора изменение токов произойдет на одну и ту же величину. Следовательно, на одну и туже величину изменятся и напряжения на коллекторах транзисторов и U_вых= U_вых2- U_вых1постоянно, то есть и в этом случае, когда снимается разностный сигнал, коэффициент усиления синфазного сигнала равен 0. До сих пор мы предполагали, что транзисторы имеют идентичные параметры. В случае не идентичности параметров транзистора при одинаковых входных сигналах U_с= U_вх1= U_вх2эмиттерные и коллекторные токи будут отличаться друг от друга и выходные коллекторные напряжения не будут равны друг другу. Это приведет к тому, что коэффициент усиления синфазного сигнала будет несколько больше нуля. Для получения малого значения коэффициента усиления синфазного сигнала необходимо подбирать транзисторы как можно с близкими параметрами. Этого можно добиться только при изготовлении транзисторов по интегральной технологии.

Дифференциальный входной сигнал.

Если U_вх1 U_вх2, то изменяется распределение токов в дифференциальном усилителе:I_э1 = I_к1увеличивается, аI_э2 = I_к2 уменьшается. Их сумма при этом остается равной I₀. ПоэтомуI_к1= -I_к2. Это приведет к изменению падения напряжения на коллекторных сопротивлениях. Таким образом, разность входных напряжений в отличие от синфазного напряжения вызывает изменение выходного напряжения. Говорят, что дифференциальный усилитель усиливает дифференциальный входной сигнал. При этом ток источника токаI₀не изменяется из-за симметрии схемы. А раз токI₀не изменяется, то напряжение в точке А остается постоянным. Говорят, что точка А потенциально заземлена для дифференциального входного сигнала.