5. Дифференциальный усилительный каскад

5.1. Типовая схема дифференциального каскада

Дифференциальные усилительные каскады (рис. 5.1) широко распространены в аналоговых радиоэлектронных устройствах и являются основой схемотехники усилителей с непосредственными связями между каскадами.

Рис. 5.1 — Дифференциальный каскад

Дифференциальный усилитель имеет два входа, на которые могут подаваться два напряжения u_вх1(t) и u_вх2(t), и один выход.

Напряжение на выходе идеального дифференциального каскада линейно зависит от разности входных напряжений

u_вых(t) = К_диф[u_вх1(t) – u_вх2(t)] = К_диф u_диф(t) ,

где u_диф(t) = u_вх1(t) – u_вх2(t) .

Название «дифференциальный» объясняется тем, что выходное напряжение каскада пропорционально разности входных напряжений. В дифференциальном каскаде любой сигнал, общий для обоих входов (такой сигнал называется синфазным), подавляется в результате вычитания и не влияет на выходное напряжение.

Однако этот идеальный случай не может быть достигнут на практике, так как в реальных схемах транзисторы VT1 и VT2 не являются полностью идентичными. Вследствие этого напряжение на выходе реального усилителя всегда будет в некоторой степени зависеть от синфазного напряжения на входе каскада и входного дифференциального напряжения в соответствии с выражением

u_вых(t) = К_диф u_диф(t) + К_синф u_синф(t) ,

где К_синф << 1 — коэффициент передачи синфазного напряжения;

u_синф(t) = (u_вх1(t) + u_вх2(t)) / 2 — среднее значение двух входных сигналов.

Качество дифференциального каскада характеризуют коэффициентом подавления

.

Коэффициент подавления К_п показывает способность каскада различать малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного напряжения. Как правило, его оценивают в логарифмических единицах.

К_п(дБ) = 20lgК_п .

Очевидно, чем больше К_п, тем ближе реальный дифференциальный каскад к идеальному случаю, при котором К_синф = 0 . В современных дифференциальных каскадах величина К_п может составлять от 60 до 100 дБ.

Распространенным типом синфазного сигнала являются различные помехи и наводки, действующие одновременно на оба входа дифференциального усилителя. Поэтому вопрос увеличения К_п есть одновременно вопрос повышения помехоустойчивости дифференциального каскада.

Схема, показанная на рис. 5.1, является наиболее распространенной. По этой схеме построены каскады, выпускаемые в виде отдельных микросхем (например, 118УД1, 122УД1). Она также используется во входных каскадах многих интегральных операционных усилителях.

Дифференциальный каскад содержит два параллельно включенных однотактных усилительных каскада на транзисторах VT1 и VT2, в общую эмиттерную цепь которых включен источник неизменного тока на транзисторе VT3. Дифференциальный каскад симметричен. Симметрия обеспечивается использование одинаковых транзисторов VT1, VT2 и резисторов R_к1 = R_к2. Если симметрия нарушается вследствие разброса параметров элементов схемы, то с помощью переменного резистора R восстанавливают симметрию (балансируют схему).