4.7. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

4.7.1. ОСНОВНАЯ СХЕМА

Дифференциальный усилитель - это симметричный усилитель постоянного напряжения с двумя входами и двумя выходами. Основная схема его представлена на рис. 4.32. В общую эмиттерную цепь включен источник стабильного тока. Он обеспечивает постоянство суммы эмиттерных токов При отсутствии сигнала В этом случае ток вследствие симметрии равномерно распределяется между обоими транзисторами и Тогда получим

Пренебрегая базовым током, найдем

Эти соотношения не изменятся, если оба входных напряжения получат приращения на одну и ту же величину (синфазный сигнал). Так как в этом режиме коллекторные токи остаются равными друг другу,

Рис. 4.32. Основная схема дифференциального усилителя. Коэффициент усиления дифференциального сигнала Коэффициент усиления синфазного сигнала Коэффициент ослабления синфазного сигнала внутреннее сопротивление источника тока). Входное сопротивление для дифференциального сигнала Входное сопротивление для синфазного сигнала Выходное сопротивление Входной ток при отсутствии сигнала постоянна и разность выходных напряжений, т.е. коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю.

Если то изменяется распределение токов в дифференциальном усилителе: увеличивается, а уменьшается. Их сумма при этом остается равной Поэтому

Таким образом, разность входных напряжений в отличие от синфазного управления вызывает изменение выходного напряжения.

Изменение напряжения база эмиттер, происходящее под воздействием температуры, действует как синфазный сигнал и, следовательно, не влияет на работу схемы. Поэтому дифференциальный усилитель хорошо приспособлен к работе в качестве усилителя постоянного тока. Из-за малого дрейфа дифференциальный усилитель используют также, когда требуется усилить не разность напряжений, а только входное напряжение. В этом случае один из двух входов имеет нулевой потенциал. При этом или в зависимости от того, какой вход использован.

Для точного определения коэффициента усиления по напряжению разложим входные напряжения на две части - напряжение синфазного сигнала и дифференциальное напряжение

Отсюда

Рассмотрим сначала случай подачи дифференциального сигнала, т.е. выберем

При этом из соображений симметрии понятно, что эмиттерный потенциал останется постоянным и равным

Таким образом, оба транзистора как бы включены в схему с общим эмиттером и обеспечивают следующие коэффициенты усиления по напряжению:

Следовательно, приращения коллекторных напряжений равны, имеют противоположные знаки и по величине вдвое меньше, чем в схеме с общим эмиттером, так как входное напряжение равномерно распределяется между двумя транзисторами.

Чтобы определить коэффициент усиления синфазного сигнала, будем считать, что в эмиттерную цепь включен источник

тока с внутренним сопротивлением Если к обоим входам приложить одно и то же напряжение то ток равномерно распределится между обоими транзисторами. При этом они работают как два параллельно включенных эмиттерных повторителя с общим эмиттерным сопротивлением Поэтому эмиттерный потенциал изменяется на а приращение тока равно Приращения коллекторных токов в два раза меньше, причем каждое из них вызывает на своем коллекторе синфазное изменение выходного напряжения

Отсюда получим коэффициент усиления синфазного сигнала

Типовое значение коэффициента усиления дифференциального сигнала составляет , а синфазного .

Параметром качества дифференциального усилителя является отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала. Оно называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала

Из числового примера, приведенного в разд. 4.5.1, для источника тока величиной получим внутреннее сопротивление

Крутизна характеристики транзистора при составляет

При этом коэффициент ослабления синфазного сигнала примерно равен Практически в большинстве случаев получается более низкое значение и, кроме того, выходные напряжения изменяются не синфазно в отличие от результата, приведенного в формуле (4.38). Это можно объяснить тем, что параметры транзисторов лишь приближенно равны тем, которые приняты в расчете. Поэтому верхняя граница коэффициента ослабления синфазного сигнала определяется исходя из разброса параметров пары транзисторов. Для двух транзисторов дифференциальной пары эта величина достигает Вследствие наличия паразитных емкостей коллектор-база модуль коэффициента синфазного усиления увеличивается с ростом частоты и, следовательно, уменьшается коэффициент ослабления синфазного сигнала. Граничная частота ослабления синфазного сигнала намного ниже, чем для дифференциального усиления, так как частотнозависимым сопротивлением в первом случае является высокоомное сопротивление источника тока, а во втором - сравнительно низкоомное коллекторное сопротивление Типовая частотная характеристика, представленная на рис. 4.33, обеспечивает коллекторный ток, равный

Рис. 4.33. Частотная характеристика коэффициента дифференциального усиления и коэффициента ослабления синфазного сигнала

При меньших токах частотная характеристика располагается ниже.