10.15. Дифференциальный усилительный каскад постоянного тока

Наиболее распространена схема дифференциального усилительного каскада на основе моста постоянного тока (рис. 10.57), плечи которого образованы резисторами R_К1=R_К2 и биполярными транзисторами VT1 и VT2 одного типа с объединенными эмиттерами.

Для лучшей балансировки моста транзисторы изготовляются по единой технологии на одном кристалле, так что их параметры отличаются на 1—5 %. Два источника сигналов включаются в цепи баз транзисторов, называемые несимметричными входами, а приемник с сопротивлением нагрузки R_н — между коллекторами транзисторов (симметричный выход).

Режим покоя каскада при напряжениях u_вх1=u_вх2=0, или коротком замыкании входов, определяет напряжение

U_{БЭ п}=E_Э—R_Э(I_{Э1 п}+ I_{Э2 п})>0 (10.24)

одинаковое для обоих транзисторов. Поэтому их режимы работы различают мало. В таком каскаде осуществляется стабилизация режима покоя. Если под действием дестабилизирующих факторов, например нагрева, возрастут токи коллекторов I_{К1 п}, I_{К2 п} и эмиттеров I_{Э1 п}, I_{Э2 п}, то напряжение U_{БЭ п} уменьшится и эмиттерные переходы станут пропускать меньшие токи. В результате токи коллекторов I_{К1 п}, I_{К2 п} и напряжение покоя на выходе каскада

U_{вых п}=R_К1I_{К1 п}—R_К2I_{К2 п} (10.25)

будут стабилизированы. Стабилизация режима покоя будет тем значительнее, чем больше сопротивление цепи эмиттеров R_Э. Для этой цели в цепь эмиттеров иногда включают источник постоянного тока J_Э=I_{Э1 п}+I_{Э2 п}.

Из (10.25) видно, что любые одинаковые изменения в одноименных плечах каскада не вызывают изменения напряжения U_{вых п}, т.е. дрейфа нуля. В реальных каскадах нет полной симметрии элементов, однако дрейф напряжения U_{вых п} в дифференциальном усилительном каскаде по сравнению с усилительными каскадами на биполярных (см. рис. 10.46) и полевых (см. рис. 10.54) транзисторах снижается на несколько порядков.

Дифференциальный усилительный каскад работает в различных режимах.

Усиление сигнала одного источника. Источник сигнала подключается симметрично (рис. 10.58, а) или несимметрично (рис. 10.58, б и в). Заметим, что в схеме на рис. 10.58, б фазы напряжений на выходе u_вых=u_н и входе u_вх усилительного каскада совпадают, а в схеме на рис. 10.58, в — противоположны. Соответствующие входы усилителя называются неинвертирующий и инвертирующий и обозначаются на схеме знаками плюс и минус.

Режим малого сигнала рассчитывается по схеме замещения усилительного каскада при подключении источника сигнала к неинвертирующему входу (рис. 10.59). Исключая из схемы резистивные элементы 1/h₂₂ и R_Э с большими относительно других резистивных элементов сопротивлениями и полагая разомкнутой цепь нагрузки R_н=∞, получаем основные параметры дифференциального усилительного каскада:

R_н=2h₁₁

— входное сопротивление;

R_вых=2R_К (10.26)

— выходное сопротивление;

,

— коэффициент усиления напряжения, равный отношению значений напряжений и_н.х=2R_Кh₂₁i_Б и и_вх=2h₁₁i_Б.

При подключении усилительного каскада к цепи нагрузки пользуются коэффициентом усиления напряжения источника сигнала

,

зависящим от сопротивлений цепей источника сигнала R_вт и нагрузки R_н.

Подключение независимых источников сигналов на оба входа. Различают противофазное и синфазное включение двух источников сигналов, т.е. с противоположными и одинаковыми полярностями относительно общего узла цепи.

При противофазном включении и_с1>0 и и_с2<0 на рис. 10.57 (или наоборот) токи базы и коллектора транзистора VT1 возрастают, а транзистора VT2 уменьшаются (или наоборот) на такие же значения. Одновременно на соответствующих транзисторах уменьшаются и увеличиваются (или наоборот) электрические потенциалы коллекторов, разность которых определяет напряжение на выходе усилительного каскада.

Действие синфазных сигналов равного значения и_с1=и_с2 соответствует одинаковому изменению режимов работы транзисторов. При этом изменения напряжения на выходе усилительного каскада с идеальной симметрией плеч по (10.25) не будет. Это особенно важно, так как синфазные сигналы представляют собой обычно различного рода помехи (атмосферные, сетевые и т.д.).

Обобщенная схема замещения дифференциального усилительного каскада в режиме малого сигнала показана на рис. 10.60 внутри сплошной линии, которую можно получить из схемы на рис. 10.59, воспользовавшись эквивалентностью двух схем замещения источника электрической энергии по рис. 1.8. Разделение входной и выходной цепей каскада отражает наличие источников тока в схеме замещения на рис. 10.59, внутреннее сопротивление которых R_вт=∞ (1.6).

Способность усиливать разность потенциалов между неинвертирующим и инвертирующим входами

и_н.х=К_{u х}(и_вх.ни-и_вх.и)=К_{u х}(ν_ни-ν_и)

определяет название усилительного каскада «дифференциальный».

Вместо биполярных транзисторов в дифференциальном усилительном каскаде могут применяться полевые транзисторы.

Значения основных параметров дифференциальных усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах того же порядка, что и у каскадов с ОЭ и ОИ.

Основные достоинства дифференциальных усилительных каскадов — устойчивость к синфазным помехам и малый дрейф нуля—до 1 — 10 мкВ/°С, что в 20—100 раз меньше дрейфа нуля в небалансных усилителях постоянного тока. По этой причине дифференциальные усилительные каскады применяются в качестве входных каскадов операционных усилителей.