2.6. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ КАСКАД

При рассмотрении каскада с ОЭ обнаружен ряд трудностей, возникающих при создании усилителей. Во-первых, при стабилизации режима покоя с помощью сопротивления происходит значительное снижение коэффициента усиления каскада в результате действия ООС. Во-вторых, при связи каскадов друг с другом коэффициент усиления уменьшается за счет потерь на резистивных элементах (см. рис. 2.9, б), для исключения этого снижения необходимо применять схемы со сложным источником питания. В-третьих, в усилителях имеется дрейф нуля. Эти серьезные недостатки частично или полностью исключены в дифференциальном каскаде, который поэтому находит чрезвычайно широкое применение.

Простейшая схема дифференциального каскада приведена на рис. 2.10. Транзисторы V1, V2 и резисторы образуют мост, в одну диагональ которого включаются источники питания и , а в другую — нагрузка. Дифференциальный каскад нередко называют также параллельно-балансным каскадом. Высокие показатели каскада могут быть достигнуты только при высокой симметрии (балансировке) моста. В симметричном каскаде , 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.

Рассмотрим режим покоя в каскаде рис. 2.10, когда . Напряжения смещения на обоих транзисторах одинаковы: где, как следует из рис. . За счет одинакового положительного смещения на базах через транзисторы протекают равные токи: . Коллекторные токи создают падение напряжения на . поэтому . На выходе каскада .

Рис. 2.10. Симметричный дифференциальный каскад

В таком каскаде осуществляется стабилизация режима покоя. Если при нагреве возрастут , увеличится ток , протекающий через , и напряжение возрастет: . Напряжение уменьшится, эмиттерные переходы транзисторов станут пропускать меньший ток, в результате токи коллектора будут стабилизированы. Напряжение — это сигнал ОС, стабилизирующей суммарный ток . В дифференциальном каскаде велико и стабилизация точки покоя весьма точная, поэтому можно считать, что , т. е. через резистор на схему каскада подается стабильный ток. Работа каскада не изменится, если заменить источником постоянного тока

Рассмотрим проблему дрейфа нуля. Предположим, что источник питания нестабилен и ЭДС увеличилась. Увеличиваются напряжение на коллекторах на значение . При этом , т. е. дрейф отсутствует. Другой вариант нестабильности: при нагреве увеличивается коллекторный ток , так как транзисторы идентичны. При этом и дрейф снова отсутствует. Любые симметричные изменения в схеме не вызывают дрейфа нуля. В реальных каскадах симметрия элементов неполная, но дрейф по сравнению с каскадами, рассмотренными в § снижается на несколько порядков, что позволяет подавать на вход каскадов весьма малые напряжения, которые все же будут существенно больше значений сигнала дрейфа, приведенного ко входу.

Рассмотрим усилительные свойства каскада. Прежде всего надо отметить, что каскад позволяет подключать источники входного сигнала различным образом:

1. Источник сигнала включается между базами транзисторов, как показано пунктиром на рис. 2.10. Ко входу V1 приложено . Пусть , тогда под воздействием положительного напряжения на базе появляется положительное приращение , увеличение тока протекающего через снижает напряжение Ко входу V2 приложено , вызывающее уменьшение тока базы — и уменьшение тока коллектора V2 назначение Напряжение увеличивается: . На нагрузке . Обращает на себя внимание, что при , поэтому , т. е. сигнал ОС и падение напряжения на не оказывает влияния на коэффициент усиления. Итак, в каскаде преодолено противоречие между необходимостью стабилизации режима покоя и снижением коэффициента усиления за счет ОС.

2. Источник входного сигнала подключается только ко входу V1: , вход второго транзистора закорачивается: . Под воздействием входного сигнала изменяется ток базы, его приращение , растет , увеличивается падение напряжения на на коллекторе При увеличении увеличивается Как указано выше, ООС по сумме токов стабилизирует указанный ток, протекающий через , поэтому Отсюда На нагрузке . Таким образом, подача входного сигнала на один из входов вызывает изменение токов и напряжений в обоих транзисторах благодаря стабилизации тока Аналогично можно рассмотреть подачу сигнала на вход V2: . При на нагрузке При подаче сигнала на вход V1 полярность выходного сигнала совпадает с полярностью входного (вход V1 называем прямым входом), при подаче на вход V2 полярности ивых и епротивоположны (вход V2 — инвертирующий).

При этом отмечаем, что схема дифференциального каскада симметрична и знак зависит только от того, какое направление принято положительным.

3. На оба входа дифференциального каскада можно подключить независимые источники сигналов , в режиме линейного усиления (класс А) выходное напряжение может быть найдено методом суперпозиции от воздействия каждого из сигналов.

Перейдем к количественной оценке усилительных параметров дифференциального каскада. Построим схему замещения каскада для переменных составляющих (приращений) по методике, изложенной в § 2.4. Для этого заменим транзисторы схемами замещения рис. 2.6 (пренебрегаем ), закорачиваем источники постоянных напряжений и разрываем цепь постоянного тока , т. е. резистор заменяем разрывом цепи, так как через протекает ток, в котором отсутствуют приращения: для них его сопротивление равно бесконечности. Схема замещения дифференциального каскада приведена нарис. 2.11. Поскольку , то , следовательно, . Приращения входного тока источника протекают через , через эмиттерную цепь втекают в V2 и замыкаются через источник сигнала , связанный с источником общим проводом (см. рис. 2.10).

Рис. 2.11. Схема замещения симметричного дифференциального каскада по переменной составляющей

На схеме замещения этот контур тока показан пунктиром. Закон Ома для этого контура дает соотношение

Отсюда

При отсюда

Мы вновь убеждаемся, что эмиттерная цепь, служащая для стабилизации режима покоя, в дифференциальном каскаде не влияет на коэффициент усиления: ОС по переменной составляющей токов в каскаде нет. Сравним формулу (2.1%) с (2.8): они совпадают, если в последней приравнять .

Найдем другие параметры, характеризующие усиление дифференциального каскада. Из (2.13)

где .

Сравнение с (2.7) показывает увеличение в 2 раза, что обусловлено протеканием тока источников сигнала через оба транзистора. Найдем , для этого приравняем . При нулевых входных сигналах и сопротивление каскада со стороны выхода

(2.17)

По сравнению с в (2.9) здесь оно возросло вдвое. Полученные значения и можно использовать для построения обобщенной схемы замещения дифференциального каскада (см. рис. ), ко входу которой приложена разность . Для расчета других усилительных параметров каскада воспользуемся выражениями (2.10) — (2.12).

Дифференциальный каскад усиливает разность сигналов, поэтому при подаче на оба входа дифференциального каскада одинаковых сигналов ивых — . При этом усилитель работает в режиме синфазных сигналов. За счет неполной симметрии каскада в реальных усилителях в режиме синфазных сигналов на выходе получается ненулевой сигнал: , где — коэффициент передачи для синфазного сигнала.

Качество ослабления синфазного сигнала характеризует коэффициент . В силу высокой симметрии каскадов, выполненных в виде ИМС, составляет дБ, т. е. .

На рис. 2.12, а приведена схема дифференциального каскада при его выполнении в виде полупроводниковой ИМС.

Рис. 2.12. Практические схемы симметричного (а) и несимметричного (б) дифференциальиых каскадов

Нежелательный при изготовлении ИМС элемент — высокоомный резистор — заменен источником тока , собранном на транзисторе V3. Для стабилизации тока транзистора в его эмиттерную цепь введено относительно небольшое сопротивление , обеспечивающее подачу на эмиттерный переход сигнала ООС: при нагреве увеличивается напряжение , под воздействием которого ток через эмиттерный переход уменьшается. Диод также служит для стабилизации тока: при увеличении температуры напряжение на нем и, следовательно, на базе падает, уменьшается ток через эмиттерный переход .

Недостатком дифференциального каскада является отсутствие общей точки между источниками сигнала и нагрузкой. Этого недостатка лишен несимметричный дифференциальный каскад на рис. 2.12, б, у которого сигнал снимается с коллектора .

Схема также обладает стабилизацией точки покоя, поскольку , при этом в ней нет ОС по переменной составляющей тока, так как и эмиттерная цепь не влияет на коэффициент усиления. В многокаскадных усилителях первые (первый) каскады выполняются в виде симметричного дифференциального каскада и обеспечивают предварительное усиление сигнала практически без дрейфа, дополнительное усиление может быть осуществлено в несимметричном дифференциальном каскаде.