§ 5.3. Дифференциальные усилители

Дифференциальный усилитель (ДУ) имеет две входные и две выходные шины. Он предназначен для усиления переменного и постоянного сигнала на фоне большого уровня помех.

Различают симметричный выход ДУ, когда выходное напряжение снимают между выходными шинами (рис. 5.9, а), и несимметричный выход, когда выходное напряжение снимают между одной из выходных шин и «землей» (рис. 5.9, б).

Рис. 5.9.

Рис. 5.10.

При подаче на входы усилителя напряжений и выходное напряжение в общем случае определяется выражением , где — дифференциальная составляющая входного сигнала, определяемая как разность потенциалов между входами усилителя; — синфазная составляющая входного, определяемая как полусумма входных напряжений; — коэффициент усиления дифференциального сигнала, определяемый при . Для обеспечения этого условия на входы усилителя одаются одинаковые по величине, но разные по полярности наряжения; — коэффициент усиления синфазного сигнала, определяемый при .

Для этого на входы усилителя подаются одинаковые по величине и полярности напряжения.

Синфазный сигнал представляет собой различные помехи и наводки, действующие одновременно на обоих входах усилителя Поэтому при построении усилителя необходимо обеспечить условие

Простейший дифференциальный усилитель с симметричным выходом на биполярных транзисторах изображен на рис. 5.10 и состоит из двух типовых каскадов ОЭ, эмиттеры которых взаимосвязаны и имеют общий резистор . Входные напряжения подаются на базы транзисторов, а выходное снимается с их коллекторов.

Рис. 5.11.

Если схема полностью симметрична, т. е. , а параметры транзисторов идентичны, то при транзисторы работают в одинаковом режиме. Их коллекторные токи и напряжения равны. Так как выходное напряжение определяется разностью коллекторных напряжений транзисторов, то их равенство означает, что

Изменения питающего напряжения или температуры окружающей среды, вызывающие дрейф выходного напряжения в обычном каскаде усилителя постоянного тока (см. рис. 5.7), для симметричного каскада (рис. 5.11, а) можно представить как заземленные ЭДС, действующие синфазно на каждом выходе 1 к 2 каскадов ОЭ.

Действие синфазных ЭДС приводит к одинаковому изменению коллекторных токов и напряжений транзисторов в одну и ту же сторону, т. е.

Равенства (5.21) и (5.22) показывают, что базы, а также коллекторы транзисторов усилителя можно объединить, не нарушая при этом работы схемы, и представить усилитель как параллельное соединение транзисторов , включенных по схеме ОЭ с отрицательной обратной связью по току, создаваемой резистором .

Эквивалентная схема для переменного сигнала, соответствующая принципиальной схеме рис. 5.11, а, изображена на рис. . Из эквивалентной схемы найдем коэффициент передачи синфазного сигнала на один из выходов усилителя, характеризующий изменение коллекторного напряжения при действии входного синфазного сигнала

Входное сопротивление схемы для синфазных сигналов

Полагая, что , будем иметь

Подставляя выражение (5.24) в (5.23), запишем

откуда найдем изменение коллекторного напряжения каждого транзистора при действии синфазного входного сигнала

В полностью симметричном дифференциальном усилителе не влияет на дрейф выходного напряжения, так как с учетом равенства (5.22)

Следовательно, .

В реальной схеме дифференциального усилителя (рис. 5.11, а) невозможно обеспечить полную симметрию, поэтому приращения будут неодинаковыми. В результате на выходе схемы появляется разностный дрейф, зависящий от . При разностный дрейф минимален. Как следует из выражения (5.26), для получения малых приращений коллекторного напряжения необходимо увеличить резистор обратной связи , что возможно только до некоторого предела, определяемого минимальным током транзисторов .

Поэтому в эмиттерную цепь дифференциального усилителя (см. 5.11, а) Целесообразно включить нелинейный элемент, обладающий большим сопротивлением по переменному току (для создания глубокой отрицательной обратной связи) и малым по постоянному току (для обеспечения номинального режима транзисторов ).

Таким нелинейным элементом является транзистор , работающий как источник стабильного тока, т. е. сохраняю, постоянство коллекторного тока при различных изменениях коллекторного напряжения. Схема дифференциального усилителя с источником стабильного тока в эмиттерной цепи представлена на рис. 5.12 (см. § 4.9).

Рис. 5.12.

Если нагрузка дифференциального усилителя должна быть заземленной, то используют схему с несимметричным выходом (рис. 5.13, а). Нулевое выходное напряжение при заземленных входах ( обеспечивается с помощью делителя напряжения . Однако такой способ имеет недостатки: делитель шунтирует выход дифференциального усилителя и уменьшает его коэффициент усиления . Для устранения первого недостатка выбирают , а если это затруднительно, то используют эмиттерный повторитель на транзисторе , вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя, а выходное напряжение снимается с делителя (рис. 5.23, б).

Чтобы предотвратить уменьшение коэффициента усиления за счет деления напряжения на резисторах в схеме рис. 5.13, б, вместо резистора включают транзистор по схеме с общей базой, работающий в режиме источника постоянного тока (рис. 5.13, в). Сопротивление транзистора по переменному току велико и равно сопротивлению коллекторного перехода , а по постоянному — мало. В результате в отсутствие входного сигнала дифференциального усилителя напряжения на выходе схемы рис. 5.13, в равно нулю, а переменный сигнал даже самой низкой частоты практически без изменения проходит в нагрузку.

Коэффициент усиления синфазного сигнала в схеме с несимметричным выходом определяется формулой (5.25), так как . При использовании источника стабильного тока (транзистор ) можно записать

Рассмотрим теперь процесс усиления дифференциального полезного сигнала. Пусть на входах дифференциального усилителя (рис. 5.13, а) действуют напряжения разного уровня т. е. на входы усилителя подан дифференциальный сигнал

Учитывая нечувствительность схемы к синфазному сигналу, т. е. Кис можно считать, что сигнал на входе 2 отсутствует (вход 2 заземлен), а на вход 1 подается сигнал, равный дифференциальному сигналу

Полагая, что выходной сигнал снимается с коллектора транзистора (делитель не учитывается), процесс прохождения сигнала через дифференциальный усилитель можно описать следующим образом. Сигнал проходит через эмиттерный повторитель на транзисторе с коэффициентом передачи и поступает на вход каскада с общей базой, выполненного на транзисторе , усиливается в раз и создает приращение коллекторного напряжения , где - коэффициент усиления усилителя по входу 1 (сигнал на входе 2 отсутствует). Фаза выходного сигнала совпадает с фазой входного, т. е. вход 1 является неинвертирующим.

Рис. 5.13.

Если на входы усилителя (рис. 5.13) подается дифференциальный сигнал т. е. уровень сигнала на входе 2 ольще, чем на входе 1, то удобно считать, что вход 1 заземлен, а а входе 2 действует сигнал, равный дифференциальному сигналу .

Тогда приращение коллекторного напряжения определяется коэффициентом усиления каскада с общим эмиттером на транзисторе , в эмиттерную цепь которого включено сопротивление равное выходному сопротивлению эмиттерного повторителя на транзисторе :

Так как параметры транзисторов идентичны, форму, применима и к транзистору .

Коэффициент усиления можно найти из эквивалентной схемы обычного каскада с общим эмиттером (см. рис. 4.1, б), в которой вместо параметра подставляют сумму . Из эквивалентной схемы следует

Учитывая, что входное сопротивление каскада на транзисторе определяется формулой — формулой (5.28), после несложных преобразований получим

где — коэффициент усиления обычного каскада с общим эмиттером.

Знак минус в формуле (5.29) показывает, что при положительном значении фаза выходного сигнала изменяется на противоположную, т. е. вход 2 является инвертирующим.

Запишем — коэффициент усиления дифференциального усилителя по входу 2, когда сигнал на входе 1 отсутствует (без учета делителя ).

Так как оба рассмотренных случая определения отражают один общий случай поступления на оба входа усилителя дифференциального сигнала (рис. 5.13, а), то можно считать, что по абсолютной величине при

т. е. коэффициент усиления дифференциального сигнала в схеме усилителя с несимметричным заземленным выходом (рис. 5.13, а) по абсолютной величине равен половине коэффициента усиления обычного каскада с общим эмиттером без обратной связи (без учета делителя напряжения ).

Так как структура схемы усилителя симметрична, то коэффициент усиления дифференциального сигнала не изменится, если выходное напряжение снимать с коллектора транзистора , однако вход 1 в этом случае является инвертирующим, а вход 2 — неинвертирующим.

Для случая симметричного выхода, когда выходное напряжение снимают с коллекторов обоих транзисторов (рис. 5.10), имеем

Приращения и можно найти, как и раньше, приведя одному из входов, например, , дифференциальное напряжение При действии на входе 1 приведенного сигнала , равного дифференциальному сигналу, на обоих входах, в полностью симметричной схеме получим

Знак минус в последней формуле показывает, что приращения направлены в разные стороны.

Следовательно,

Таким образом, коэффициент усиления дифференциального усилителя с симметричным выходом (см. рис. 5.10) равен коэффициенту усиления обычного каскада с общим эмиттером и превышает в два раза коэффициент усиления дифференциального сигнала не усилителя с несимметричным выходом.

При включении нагрузки в схему с симметричным выходом (см. рис. 5.10) средняя точка резистора всегда будет иметь нулевой потенциал, так как потенциалы симметричных точек при воздействии дифференциального сигнала изменяются на одно и то же значение, но в противоположных направлениях.

Следовательно, каждый из транзисторов усилителя нагружен на резистор и коэффициент усиления дифференциального сигнала с учетом нагрузки определяется выражением

Одним из основных применений ДУ является усиление малых сигналов на фоне больших синфазных помех различного происхождения. Поэтому качество ДУ оценивают с помощью коэффициента подавления синфазного сигнала, определяемого как отношение усиления дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного, т. е. .

Для сравнения коэффициентов подавления в схемах ДУ с несимметричным и симметричным выходами предположим, что в эмиттерные цепи транзисторов обеих схем включен резистор . Разброс параметров транзисторов усилителя мало сказывается а изменении выходного напряжения усилителя с несимметричным выходом.

Тогда коэффициент подавления в схеме с несимметричным выходом найдем, воспользовавшись формулами (5.30) и (5.25) для . Разделив (5.30) на (5.25), получим

В схеме с симметричным выходом определяется разностью изменений коллекторных напряжений схемы, возникшей за счет разброса параметров транзисторов. Для определения коэффициента подавления схемы рис. 5.10 можно пользоваться формулой

учитывает относительные разбросы отдельных параметров транзисторов. Из формул (5.33) и (5.34) следует, что коэффициент подавления синфазного сигнала в схеме с симметричным выходом в раз больше коэффициента подавления в схеме с несимметричным выходом, так как .

При работе ДУ от источника с большим внутренним сопротивлением часто возникает проблема повышения входного сопротивления усилителя.

Рис. 5.14.

Входное сопротивление усилителя по каждому входу равно

Раскрывая и полагая , получаем

Входное сопротивление, измеренное между входами 1 и 2 усилителя,

так как в данном случае каждый транзистор схемы работает как в обычном каскаде ОЭ. Если в формулах (5.35) и (5.36) положить Ом (при ); то получим .

Для повышения входного сопротивления дифференциального каскада в эмиттерные цепи транзисторов включают резисторы (рис. 5.14), позволяющие искусственно увеличить сопротивления так как в этом случае

Кроме того, это улучшает симметрию дифференциального каскада, так как при устраняется влияние разброса параметров .

Включение резисторов расширяет также диапазон входных сигналов. В отсутствие максимальный входной сигнал , который можно подать на один из входов каскада при заземленном другом входе, составляет примерно 1 В. При наличии напряжение увеличивается на падение напряжения . Повысить входное сопротивление дифференциального каскада можно, используя составной транзистор (см. § 4.9).

Входное сопротивление дифференциального каскада с составными транзисторами и резисторами связки определяется выражением

Полагая , получим .

Однако в дифференциальном каскаде с составными транзисторами увеличивается асимметрия схемы, так как сказывается разброс параметров уже не двух, а четырех транзисторов и, как следствие, возрастает дрейф выходного напряжения в усилителях с симметричным выходом.

Рис. 5.15.

Так как разброс параметров мало сказывается на дрейфе выходного напряжения усилителя с несимметричным выходом, то составные транзисторы целесообразно использовать именно в такой схеме. При использовании составных 2 транзисторов существенно повышается коэффициент усиления дифференциального сигнала усилителя. Для схемы с несимметричным выходом

или с учетом резисторов

Для схемы с симметричным выходом

или с учетом того, что ,

Как следует из формул (5.39), (5.40), коэффициент усиления , в схемах дифференциальных усилителей на составных транзисторах практически не зависит от параметров транзисторов и определяется отношением резисторов и .

В настоящее время в схеме ДУ все чаще используются полевые транзисторы. Такие схемы на полевых транзисторах построены аналогично схемам на биполярных транзисторах. Основным их достоинством является высокое входное сопротивление (сотни килоом). Однако схемы на полевых транзисторах имеют меньшие коэффициенты усиления и подавления по сравнению со схемами на биполярных транзисторах.

Рис. 5.16.

Для повышения коэффициента усиления дифференциального сигнала . вместо стоковых резисторов зключают другие полевые транзисторы, внутреннее сопротивление которых в этом случае является нагрузкой основных транзисторов (рис. 5.15).

Рис. 5.17.