8.4. Диференційні підсилювачі

У мікроелектроніці диференційні підсилювачі є одним з універсальних елементів інтегральних мікросхем. їх використовують з метою значного зменшення дрейфу точки спокою (дрейфу нуля) у підсилювачах постійного струму шляхом використання мостової балансної схеми. Принцип роботи балансної схеми можна пояснити на прикладі чотириплечевого моста, показаного на рис. 8.9. Якщо виконується умова , то міст збалансований і струм у навантажувальному резисторі дорівнює нулю. Цей баланс збережеться, якщо будуть мінятися напруга джерела живлення Е, або опори резисторів, що утворюють плечі моста, але при умові, що мінятися ці опори будуть однаково. Наприклад, якщо опори та зміняться однаково, струм у резисторі залишиться рівним нулю.

Доведемо, що при струм у діагоналі моста з резистором 6уде рівним нулю. При відсутності струму в резисторі кола на рис. 8.9 через резистори та протікатиме однаковий струм , а через резистори та - струм Рівняння за другим законом Кірхгофа для контурів, утворених резисторами , , та резисторами , , мають вигляд: Звідси а Поділивши перше рівняння на друге, отримаємо: що й відповідає умові рівноваги моста.

Рис. 8.9 Чотирьохплечовий міст

Найпростіша схема диференційного каска­ду наведена на рис. 8.10. Транзистори VT1, VT2 та резистори та утворюють міст, до однієї діагоналі якого вмикають джерела живлення та а до іншої діагоналі - опір навантаження . Високі показники каскаду можна досягнути тільки при високій симетрії (балансуванні) моста. У симетричному каскаді = = а параметри транзисторів мають бути ідентичними. Останнього можна досягнути тільки при виготовленні транзисторів на одному кристалі за однією технологією, тому диференційні каскади використовують тільки у складі інтегральних мікросхем.

Розглянемо режим спокою у каскаді на рис. 8.10, коли вхідні напруги Згідно з схемою (рис. 8.10) напруги зміщення на обох транзисторах (тобто напруги між базою та емітером) однакові і дорівнюють Згідно з другим законом Кірхгофа:

(8.8)

отже, й На базах транзисторів наявні однакові додатні напруги зміщення, тому через транзистори течуть у режимі спокою рівні струми Колекторні струми створюють падіння напруги на резисторах та , тому напруги:

Отже напруга на виході каскаду

У такому каскаді здійснюється стабілізація режиму спокою. Якщо внаслідок нагріву транзисторів зростуть струми та то зросте і падіння напруги ( Згідно (8.8) це приведе до зменшення напруг емітерні переходи транзисторів пропускатимуть менший струм, внаслідок чого струми та будуть стабілізовані.

Якщо внаслідок нестабільності джерела живлення ЕРС збільшилась, то відповідно збільшуються і напруги При цьому тобто дрейф нуля відсутній.

Будь-які симетричні зміни у схемі диференційного каскаду не викликають дрейфу нуля. У реальних каскадах симетрія елементів неповна, але у порівнянні з підсилювальними каскадами із схемою, показаними на рис. 8.6 та 8.8 дрейф зменшується на декілька порядків, що дозволяє подавати на вхід диференційного підсилювача дуже малі напруги, котрі все ж будуть значно більшими від сигналу дрейфу.

Диференційний каскад дозволяє підключати джерела вхідного сигналу різними способами.

1. Джерело сигналу під'єднано між базами транзисторів, як це показано штриховою лінією на рис. 8.10. Тоді до входу VT1 прикладено Нехай e>0. Тоді під впливом додатної напруги на базі з'являються додатні прирости струмів та Це призводить до збільшення струму що протікає через і зменшення напруги тобто приріст напруги Одночасно до входу VТ2 прикладено напругу що призводить до зменшення струму бази на і зменшення струму колектора VТ2 на Напруга збільшується, Напруга на навантаженні При прирощення струмів внаслідок чого тобто сигнал зворотного зв'язку і падіння напруги на у рівнянні (8.8) не змінюється і не впливає на коефіцієнт підсилення каскаду. Таким чином, у диференційному каскаді усунено протиріччя між необхідністю стабілізації режиму спокою і зменшенням коефіцієнта підсилення.

Рис. 8.10 Диференційний підсилювальний каскад

2. Джерело вхідного сигналу під'єднано тільки до входу VТ1, вхід другого транзистора закорочено на спільний провід (на "землю"), тобто Під дією вхідного сигналу змінюється струм бази, його приріст при зростає струм збільшується падіння напруги на а приріст напруги на колекторі від'ємний, Із збільшенням зростає Як вже було вказано вище, наявність від'ємного зворотного зв'язку по сумі струмів на резисторі стабілізує струм, що протікає по цьому резистору. Дійсно, згідно з другим законом Кірхгофа для кола на рис. 8.10 При зростанні струму напруга зменшується, що веде до зменшення колекторного та емітерного струмів транзистора VТ2, внаслідок чого сума струмів як це спостерігалось й у режимі спокою. На навантаженні Таким чином, подача вхідного сигналу на один з входів підсилювача викликає зміну струмів та напруг в обох транзисторах завдяки стабілізації струму При поступленні сигналу тільки на вхід VТ2 та напруга на виході Отже при подачі сигналу на вхід VТ1 полярність вихідного сигналу співпадає з полярністю вхідного (вхід VТ1 називають прямим входом), при подачі сигналу на вхід VТ2 полярності вихідного та вхідного сигналів протилежні (вхід VТ2 називають інвертуючим входом). Схема диференційного каскаду є симетричною, тому знак вихідної напруги залежить від того, який її напрям прийнято за додатний.

3. До обох входів диференційного каскаду можна підключити незалежні джерела сигналів та Тоді в режимі лінійного підсилення (клас А) вихідна напруга може бути знайдена методом суперпозиції від дії кожного з сигналів.