3.6.3. Типы дифференциальных усилителей

Дифференциальные усилители широко применяются в аналоговых устройствах для усиления сигналов как постоянного, так и переменного тока. Их можно разделить на две группы:

− однокаскадные ДУ, которые выполняются в виде законченных ИС и применяются для усиления сигналов постоянного и переменного тока;

− дифференциальные усилители, являющиеся входными и последующими каскадами многокаскадных операционных усилителей.

К первой группе относятся различные варианты основной схемы ДУ (рис. 3.25), которые используются в качестве усилителей постоянного и переменного тока. Они содержат, как правило, дополнительные элементы и выводы, позволяющие менять режим работы транзистора ТЗ стабилизатора тока (задавать разные значения тока I₀). В некоторых типах усилителей предусмотрена возможность изменять ток I₀ с помощью внешнего управляющего напряжения, подаваемого на базу транзистора Т3. Это позволяет изменять коэффициент усиления в широких пределах за счет изменения входного сопротивления (3.137) и используется для создания автоматической регулировки усиления.

Примерами ДУ настоянного тока являются усилители 122УД1, К198УТ1 и др. [11]. В усилителе К198УТ1 выходными каскадами являются эмиттерные повторители, что уменьшает выходное сопротивление. В нем предусмотрена также автоматическая регулировка усиления [11].

Дифференциальный усилитель К175УВ4 предназначен для усиления сигналов высокой частоты в полосе частот до 150 МГц. В качестве коллекторных нагрузок транзисторов включаются внешние навесные резисторы, через которые подается питающее напряжение, и навесной резонансный контур [11].

Во входных каскадах операционных усилителей применяют ДУ двух типов. В основу первого типа положен ДУ с резистивными нагрузками и стабилизатором тока (рис. 3.24). Для расширения полосы пропускания и повышения устойчивости к самовозбуждению вместо транзисторов Т1 и Т2 применяют каскадные схемы ОЭ-ОБ (рис. 3.22, б). Входное сопротивление увеличивают применением составных транзисторов ОК-ОБ (рис. 3.22, в) или входных эмиттерных повторителей. При использовании составных транзисторов входное сопротивление ДУ (3.135) возрастает до значения

. (3.138)

Однако применение составных транзисторов и эмиттерных повторителей приводит к увеличению напряжения смещения U_СМ и его температурного дрейфа.

В новых типах операционных усилителей применяют входные ДУ с несимметричным выходом. Упрощенная схема такого ДУ приведена на рис. 3.26. Коллекторными нагрузками входных р-п-р транзисторов Т1, Т2 является стабилизатор тока (транзисторы Т3, Т4).

Рисунок 3.26 − ДУ с несимметричным выходом

Большое динамическое сопротивление стабилизатора позволяет получить большое усиление при небольшом питающем напряжении −Е_К и требуемом уровне тока I₀. На несимметричном выходе ДУ получается полное изменение дифференциального сигнала в отличие от основной схемы ДУ (рис. 3.24), у которой с несимметричного выхода снимается только половина дифференциального сигнала. Достигается это следующим образом. Пусть напряжение U_ВХ1 уменьшилось, а U_ВХ2 увеличилось на ∆U_ВХ. Тогда ток левого плеча I_К1 увеличится, а ток правого плеча I_К2 уменьшится на ∆I относительно тока покоя

, . (3.139)

В отражателе тока ТЗ, Т4 коллекторный ток транзистора Т4 (выходной ток отражателя I_К4) всегда повторяет коллекторный ток транзистора Т3 (опорный ток I_К3). Но I_К3 = I_К1 следовательно,

. (3.140)

Выходной ток ДУ

. (3.141)

Таким образом, в нагрузке получается удвоенное изменение тока, т. е. на несимметричном выходе мы имеем полный дифференциальный сигнал. Полезным является и то, что потенциал на выходе ниже, чем на входе. Это позволяет соединять выход ДУ непосредственно с последующими каскадами без дополнительных устройств смещения уровня.

Для увеличения входного сопротивления вместо транзисторов Т1 и Т2 применяют каскадные схемы ОК-ОК (рис. 3.22, в), МОП-транзисторы или супербета транзисторы, а в качестве нагрузки - отражатель тока . При использовании МОП-транзисторов входные токи уменьшаются до уровня 10^-9 А, а входное сопротивление достигает 10¹¹...10¹³ OM. Недостатками ДУ с MOП транзисторами является сильная зависимость входных токов от температуры при изменении температуры на 100°С входные токи возрастают на два порядка), большое напряжение смещения (до 30...50 мВ) и большой его температурный дрейф (до 40 мкB/°C).По этой причине в настоящее время отдают предпочтение ДУ с супербета транзисторами, которые имеют коэффициент передачи тока β = 3000...5000 и позволяют снизить входные токи до десятков-единиц наноампер.