2.5.4 Дифференциальные усилители

СХЕМА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Дифференциальный усилитель (ДУ) является широко применяемой разновид­ностью усилителей постоянного тока.

Под усилителем постоянного тока (УПТ) понимается усилитель, обладаю­щий возможностью усилить сколь угодно медленные электрические колебания.

Низшая частота усиления стремится к нулю, а верхняя, как и в усилителе пе­ременного тока, выбирается в зависимости от назначения УПТ.

В последнее время наряду с использованием в измерительных и других при­борах УПТ широко применяются в качестве составной части многих видов уси­лителей переменного тока. Объясняется это тем, что такого рода усилительные блоки не содержат сравнительно громоздких конденсаторов большой емкости и поэтому могут быть реализованы как элементы интегральных схем.

Характерной чертой УПТ является дрейф нуля — самопроизвольное измене­ние выходного сигнала при U_BX = 0. Причинами возникновения дрейфа могут быть нестабильность источников питания усилителей и в особенности измене­ние параметров полупроводниковых приборов и других элементов схемы в ре­зультате изменения температуры окружающей среды или других дестабилизи­рующих факторов.

Например, при увеличении ЭДС источника питания Ек это изменение Е_К через делитель R₁ и R₂ (схема с ОЭ) будет передано на базу транзистора, что вы­зовет увеличение тока базы I_Б и повлечет за собой снижение потенциала на кол­лекторе транзистора.

Поскольку в схеме с ОЭ K_U» 1, это изменение Uкэ_э может быть значительно больше, чем Е_К. На нагрузке появится отрицательное приращение выходного напряжения — сигнал дрейфа.

Сигнал дрейфа является медленно изменяющейся величиной. При работе усилителя необходимо обеспечить Uвх » Uдр, иначе дрейф на выходе невозмож­но отличить от полезного сигнала. Для создания качественных УПТ необходимо снижать, а по возможности — полностью исключать дрейф нуля.

Стабилизация источников питания, рабочих режимов, температуры оказыва­ется для этого неэффективной, так как малейшие отклонения усиливаются УПТ.

Эффективным средством борьбы с дрейфом нуля стало применение каскадов, построенных по принципу уравновешенных мостов. Наиболее распространенны­ми из них являются дифференциальные усилители.

При рассмотрении каскада с ОЭ обнаружен ряд трудностей, возникающих при создании усилителей:

1. При стабилизации режима покоя с помощью резистора R₃ происходит значи­тельное уменьшение коэффициента усиления каскада в результате действия отрицательной обратной связи.

2. При связи каскадов друг с другом К_и уменьшается за счет потерь на резистивных элементах. Для исключения снижения К_и необходимо применять схе­мы со сложным источником питания.

3. В усилителях имеется дрейф нуля.

Эти широко известные недостатки частично или полностью исключены в диф­ференциальном каскаде, который находит широкое применение в практических схемах. Свое название ДУ получил благодаря тому, что имеет два входа и реаги­рует только на разность напряжений (сигналов) на них. Одна из возможных схем ДУ показана на рисунке 6.19.

Рисунок 6.19 – Принципиальная схема дифференциального каскада

Принцип действия такого усилителя основан на свойстве равновесия моста. Высокие показатели ДУ могут быть достигнуты только при высокой симмет­рии (балансировке) моста (рисунок 6.20). Транзисторы VTl и VT2, резисторы RK1 и RK2 об­разуют мост, в одну диагональ которого включается источник питания Ек, а в другую нагрузка Rн. Кроме того, должно выполняться условие: RVT1Rk2 =RVT2RК2. В симметричном каскаде RKl = RK2, а также тран­зисторы должны быть идентичны по своим пара­метрам.

Последнее достижимо только при изготовлении транзисторов на одном кристалле по одной технологии, поэтому диффе­ренциальные каскады используют в настоящее время только в виде (или в соста­ве) ИМС.

Дифференциальный каскад нередко называют параллельно-балансным кас­кадом.

В построении ДУ есть существенные отличия: он имеет два входа (или сим­метричный вход) и общее сопротивление Rэ в цепях эмиттеров.

Следует обратить внимание также на то, что в ДУ общим проводом является провод, соединенный со средней точкой источника питания. Это позволяет пу­тем подбора величин сопротивлений схемы устранить большое постоянное на­пряжение на коллекторах транзисторов по отношению к корпусу и тем самым обеспечить подключение нагрузки без разделительной цепи.

Кроме того, в этом случае имеется возможность обойтись без делителей в це­пях баз транзисторов. Напряжение смещения подается на базы через внутреннее сопротивление источников сигналов, подключаемых к зажимам Вход 1 и Вход 2. При этом для снижения дрейфа нуля необходимо, чтобы эти сопротивления были равны.

Наличие двух входов позволяет осуществить усиление как двухфазных, так и однофазных сигналов.

В свою очередь, двухфазный сигнал может быть парафазным (дифференци­альным) или синфазным. Парафазный сигнал характеризуется разными знаками потенциалов на зажимах цепи по отношению к корпусу, а синфазный — одинако­выми.

Рисунок 6.20 – Принцип балансировки моста

При усилении однофазного сигнала потенциальный проводник от предыду­щего каскада соединяется с одним из входов ДУ. Второй вход ДУ соединяется с корпусом через резистор, сопротивление которого равно внутреннему сопро­тивлению предыдущего каскада. Рассмотрим принцип работы дифференциального каскада, изображенного на рисунке 6.20. При отсутствии сигнала на входах напряжения Uкэ1 и Uкэ2 равны, поэтому выходное напряжение Uн = UKЭ2 - UKЭ1 = 0. Теперь подадим на схему парафазные сигналы, то есть на Вход 1 и Вход 2 на­пряжения различной полярности, например на Вход 1 «+», а на Вход 2 «-».

Тран­зистор VT₁ откроется больше, а транзистор VT₂, наоборот, призакроется. Это при­ведет к увеличению I_к1. Следовательно, уменьшится напряжение U_КЭ1. ToK I_К2 уменьшится, а следовательно, увеличится напряжение U_КЭ2. В цепи сопротивле­ния нагрузки возникнет ток в направлении 2'—2. При смене полярности напря­жения на входах схемы (напряжения источника сигнала) будет наблюдаться об­ратный процесс.

Если на входы 1 и 2 подать одинаковые сигналы одной полярности, то оба транзистора приоткроются (или призакроются) и выходное напряжение Uн =U_КЭ1 - U_КЭ2 = 0.

Эти свойства широко используются на практике, если усилитель подключа­ется к источнику сигнала с помощью проводов и работает в условиях больших высокочастотных помех. Провода, даже если они экранированы, воспринимают эти помехи.

Если вход несимметричный, то побочные сигналы (помехи) будут восприни­маться и усиливаться вместе с полезным сигналом. Но если усилитель имеет дифференциальный вход, то на оба входа будет поступать одинаковое напряже­ние помех, в результате чего они будут подавлены самой схемой.

Способность усилителя выделять малые дифференциальные сигналы на фоне больших синфазных помех является одной из важнейших характеристик ДУ.

Резистор Rэ создает в каждом транзисторе отрицательную обратную связь, уменьшающую усиление синфазных сигналов и дрейф нуля на выходе каскада при воздействии различных дестабилизирующих факторов.

Эффективность его действия увеличивается с ростом номинала сопротивле­ния. Однако прямой путь увеличения сопротивления резистора Rэ неприемлем, так как с конструктивной точки зрения при его увеличении возрастают падения напряжения на эмиттерах транзисторов VT_{ и VT₂ ^и мощность, рассеиваемая на резисторе Rэ. Следовательно, будет уменьшаться амплитуда выходного напря­жения всего каскада.

Практическим решением этого противоречия является использование элек­тронного резистора вместо резистора Rэ, у которого сопротивление по перемен­ному току намного больше сопротивления постоянному току. Схема одного из вариантов такого «резистора» называется генератором стабильного тока (ГСТ) и изображена в составе ДУ на рисунке 6.21.

Рисунок 6.21 – Принципиальная схема дифференциального каскада с СГТ

Сопротивление ГСТ по постояному и переменному токам различно. Это легко можно видеть по выходным характеристикам транзистора. Пред­ставим формулы для сопротивлений ГСТ по постоянному и переменному токам: ГСТ выполнен на транзисторе VT3. Резисторы Rh R2 и транзистор VT4, вклю­ченный как диод, служат для задания и стабилизации режима покоя транзисто­ра VT3. Современные ДУ выполняются по различным схемам, но в них всегда исполь­зуется ГСТ. Для таких ДУ коэффициент ослабления сигнала (Косс) обычно ле­жит в пределах 60-100 дБ.

Таким образом, для того чтобы ДУ качественно и надежно выполнял свои функции, а также мог в процессе длительной работы сохранять свои параметры и свойства, в реальных усилителях требуется выполнить два основных требо­вания:

1. Должна быть обеспечена симметрия обоих плеч ДУ. Необходимо обеспечить идентичность параметров каскадов с общим эмиттером, образующих ДУ. Если это требование выполнено полностью, то больше ничего и не требуется для получения идеального ДУ.

Действительно, при U_BX.1 = U_{BX 2} = 0 достигается полный баланс моста, то есть потенциалы коллекторов обоих транзисторов одинаковы, следова­тельно, напряжение на нагрузке равно нулю.

При одинаковом дрейфе нуля в обоих каскадах (плечах ДУ) потенциалы коллекторов транзисторов будут изменяться всегда одинаково, поэтому на вы­ходе дифференциального усилителя дрейф нуля будет отсутствовать.

За счет симметрии плеч ДУ обеспечивается высокая стабильность при из­менении напряжения источника питания, температуры, радиационного воз­действия и т. д.

2. Второе требование состоит в обеспечении глубокой ООС для синфазного сигнала (одинаковые по амплитуде, фазе и форме сигналы).

Если на входах ДУ присутствуют напряжения U_{BX i} = U_{BX 2}, причем с совпа­дающими фазами, то можно говорить о поступлении на вход ДУ синфазного сигнала. Синфазные сигналы обычно обусловлены наличием помех, наводок и т. д. Часто они имеют большие амплитуды (значительно превышающие по­лезный сигнал) и являются крайне нежелательными для любого усилителя.

Выполнить второе требование позволяет введение в ДУ резистора Rэ (или его электронного эквивалента — ГСТ).

Если на вход ДУ поступает синфазная помеха, например положительной полярности, то транзисторы VT_i и VT₂ приоткроются и токи их эмиттеров воз­растут. В результате через резистор Rэ будет протекать суммарное прираще­ние этих токов, образующее на нем сигнал ООС. Нетрудно показать, что R₃ образует в ДУ последовательную ООС по току (во входной цепи вычитаются напряжения U_BX и U_oc). При этом будет наблюдаться уменьшение коэффици­ента усиления по напряжению для синфазного сигнала каскадов с общим эмиттером, образующих общие плечи ДУ.

Для коэффициента усиления ДУ в случае синфазного сигнала можно за­писать: К_Uсф = . Чем лучше симметрия плеч ДУ, тем меньше R_K.

Поскольку идеальная симметрия невозможна даже в монолитной ИМС, то чаще всего Rк 0. При заданном R_K уменьшить K_Uсф удается за счет увеличения глубины ООС, то есть увеличения резистора Rэ. В результате удается зна­чительно подавить синфазную помеху.

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

К основным показателям ДУ относят: коэффициент усиления К₀, коэффициент ослабления синфазных сигналов (помех) Коос, входное и выходное сопротивле­ния, частотный диапазон.

Коэффициент усиления можно определить следующим образом. Если к вход­ным зажимам приложено напряжение сигнала Uвх, то к участку база-эмиттер каж­дого транзистора ( VT₁, VT₂) будет приложено напряжение и на коллекторах появятся потенциалы, равные по величине g_21э но противоположные по знаку. Разность этих потенциалов будет равна g_21эUвхRк, откуда К_о = g_21эRк.

При подключении к зажимам 2-2' сопротивления нагрузки Rн коэффициент усиления будет равен:

К₀ = g_21эR₂,

где R₂ = то есть это значение равно коэффициенту усиления схемы с общим эмиттером.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала оценивается соотношением

где К_с — коэффициент усиления синфазного сигнала. Величина К_с тем меньше, чем меньше дрейф нуля, то есть чем качественнее симметрия схемы и чем боль­ше величина динамического сопротивления ГСТ. Реально несложно получить К_осс = 10^-4 — 10^-5, что в большинстве случаев является вполне приемлемым.

Входное сопротивление ДУ для парафазного сигнала равно сумме входных сопротивлений транзисторов, то есть R_{BX ду} = 2h_11Э и составляет единицы-десят­ки килоом.

Выходное сопротивление ДУ R_{oux ду}  2R_K по величине составляет также еди­ницы-десятки килоом.

АЧХ ДУ в областях низких и средних частот не имеет искажений, а в области высоких частот наблюдается спад коэффициента усиления, обусловленный на­личием емкости нагрузки.

Следует иметь в виду, что существует множество схемных решений, позво­ляющих улучшить вышеперечисленные показатели. Так, для увеличения коэф­фициента усиления может использоваться динамическая нагрузка (вместо R_K включаются транзисторы); для увеличения R_{BX ду} — полевые и составные бипо­лярные транзисторы и др.).

ДУ широко используются как основной схемотехнический элемент для схем с повышенной интеграцией. В частности, ДУ является составной частью опера­ционных усилителей.

ОСНОВНЫЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПОСТРОЕНИЯ

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Недостатком ДУ является отсутствие общей точки между источниками сигнала и нагрузкой. Этого недостатка лишен несимметричный дифференциальный кас­кад, у которого сигнал снимается с коллектора VT₂ (рисунок 6.22).

Рисунок 6.22 – Принципиальная схема нексимметричного дифференциального усилителя	Эта схема также обладает стабилизацией точки покоя, поскольку IЭ1 + IЭ2 = = const, при этом в ней нет обратной связи по переменной составляющей тока. В многокаскадных усилителях первые (первый) каскады выполняются в виде симметричного ДУ и обеспечивают предварительное усиление сигнала практи­чески без дрейфа; дополнительное усиление может быть осуществлено в несим­метричном ДУ. Таким образом, на практике ДУ может использоваться как с симметричны­ми, так и с несимметричными входами и выходами.
Рисунок 6.23 – Принципиальная схема дифференциального усилителя с несимметричным входом и выходом	Схема с несимметричными выходами применяется, как правило, для согласования ДУ с каскадами, выпол­ненными на одиночных транзисторах. При этом резистор в коллекторной цепи транзистора, не связанного с выходом усилителя, в общем случае может отсутст­вовать. Если к ДУ необходимо подключить каскад с несимметричным входом, напря­жение неиспользуемого входа, как правило, фиксируют на неизменном уровне. Для этой цели может быть использован дополнительный делитель напряжения. Пример каскада с несимметричным входом и выходом приведен на рисунке 6.23. Следует отметить, что отсутствие второго коллекторного резистора RK приво­дит к уменьшению суммарного коэффициента усиления каскада, а использова­ние несимметричных входов и выходов усилителя — к возрастанию величины его дрейфа.
Рисунок 6.24 – Дифференциальный каскад на полевых транзисторах с управляющим рn – переходом и каналом n – типа	Входное сопротивление ДУ может быть существенно увеличено при исполь­зовании в каскаде полевых транзисторов. При построении таких схем предпоч­тение отдается полевым транзисторам с управлющим рn - переходом. Это обусловлено следующими причинами: более высокой стабильностью их характеристик; большой электрической прочностью затвора (меньше боится про­боя статическим электричеством); большей допустимой разностью входных на­пряжений (до 20-30 В). Типовая схема ДУ на полевых транзисторах с управляющим ри-переходом и каналом n -типа приведена на рисунке 6.24. Особенностью этой схемы является ис­пользование в качестве истокового токозадающего элемента источника тока на полевом транзисторе VT3 и резисторе RH.
Рисунок 6.25 – Дифференциальный каскад на составных транзисторах	Резисторы Rсм1 и Rcm2 предназначены для задания начального смещения на затворах транзисторов VТ1 и VT2. Входное сопротивление ДУ, выполненного на биполярных транзисторах, тоже может быть значительно увеличено благодаря использованию в каскаде состав- ных транзисторов. Следствием этого является уменьшение входного тока усили­теля, что крайне важно при его использовании в виде интегральной схемы. Схема ДУ на составных транзисторах приведена на рисунке 6.25. Применение со­ставных транзисторов кроме увеличения Rвх.ДУ позволяет значительно повысить усиление каскада.

Иногда для увеличения R_вх.ДУ в дифференциальном усилителе используют комбинированные составные транзистолры.

Таким образом, выше рассмотрены основные типовые схемотехнические решения по построению дифференциальных каскадов усилителей, наиболее часто используемые в аппаратуре связи.

ВЫВОДЫ:

1. Диффиеренциальные каскады предназначены для усиленя сколь угодно медленно изменяющихся во времени сигналов, частотный диапазон которых начинается от 0 Гц.

2. ДУ имеет следующие достоинства: малый дрейф нуля; возможность непосредственного соединения с соседнтими каскадами; высокая степень подавления синфазных помех; относительно высокие коэффициенты усиления и выходное сопротивление; возможность микроминиатюризации.

3. Недостатки ДУ: требует двухполярного источника питания; необходима очень высокая симметрия схемы.

4. Для увеличения коэффициента усиления может использоваться динамическая нагрузка (вместо резисторов Rк влючаются транзисторы).

5. С целью повышения входного сопротивления в цепях ДУ применяются полевые и составные транзисторы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Что такое дифференциальный усилитель?

2. Поясните принцип балансировки моста.

3. Какие напряжения называют синфазными?

4. За счет чего возникает дрейф нуля и как он устраняется в дифференциаль­ных каскадах?

5. Почему коэффициент усиления ДУ при заданной стабильности тока покоя всегда больше коэффициента усиления на одиночном транзисторе?

6. Докажите, что при использовании схемы генератора тока в эмиттерной цепи транзисторов дифференциального каскада коэффициент усиления синфазных составляющих снижается.

7. Какие имеются возможности изменения параметров в дифференциальных кас­кадах?