Дифференциальные усилители

Усилитель постоянного тока - это усилитель, способный усиливать сколь угодно медленные электрические колебания. Коэффициент усиления такого усилителя в области нижних частот поддерживается постоянным и равным коэффициенту усиления в области средних частот вплоть до частоты ω =0(рис.1). Для построения усилителя постоянного тока (УПТ) в принципе можно использовать изученные ранее схемы усилителей с исключением из них разделительных конденсаторов, т.е. связь между каскадами усилителя должна быть гальванической (посредством проводников, резисторов, диодов, стабилитронов).

Стабилизация начальной рабочей точки в режиме покоя в простейших транзисторных УПТ может осуществляться рассмотренными ранее методами, а ликвидация начального тока через нагрузку достигается использованием мостовых балансных цепей, а также двухполярного питания.

Однако добиться высоких качественных показателей от УПТ, построенных на основе простейших схем транзисторных усилителей не представляется возможным из-за неизбежного изменения режима каскадов, которое вследствие гальванических связей изменяет выходное напряжение или ток УПТ - так называемый дрейф. Причинами дрейфа являются дестабилизирующие факторы:

1. Изменение температуры окружающей среды.

2. Изменение давления и влажности окружающей среды.

3. Колебания напряжения источников питания.

4. Старение УЭ и других компонентов усилителя.

Для сравнения различных усилителей по дрейфу используют его уровень, приведенный к входу усилителя.

Уровень дрейфа - это эквивалентная ЭДС в цепи источника сигнала, создающая такое же напряжение на выходе усилителя, какое в действительности вызывает воздействие дестабилизирующих факторов. Указанную ЭДС обычно находят, поделив напряжение дрейфа на выходе усилителя на соответствующий коэффициент усиления.

Для одиночных каскадов с ОЭ дрейф по напряжению примерно равен 2-8 мВ/град для кремниевых биполярных транзисторов, 20-30 мВ/град для германиевых. В каскадах на полевых транзисторах с общим истоком дрейф также может достигнуть 3-4 мВ/град.

Такие величины дрейфа неприемлемы для УПТ, поэтому необходимо применять специальные меры по уменьшению дрейфа. Перечислим некоторые из них:

1. Уменьшение пределов изменения дестабилизирующих величин.

2. Применение схем термокомпенсации дрейфа.

3. Применение общей ООС.

4. Использование в УПТ балансных (или мостовых схем).

В этом случае уменьшаются уровни дрейфа, обусловленные и изменением напряжения питания, и температуры окружающей среды, а также старением элементов усилителя. Меньший дрейф обеспечивают симметричные балансные схемы, которые образуют два плеча моста. Симметричные балансные усилители можно построить как с последовательным, так и с параллельным включением УЭ по отношению к источнику питания. Наибольшее распространение получил параллельный балансный усилитель, который часто называют дифференциальным (разностным). Рассмотрим основные особенности схемы и принцип работы простейшего дифференциального усилителя (рис.2).

Схема состоит из двух одинаковых (симметричных) плеч, каждое из которых содержит транзистор и резистор. В общую эмиттерную цепь включается источник тока, либо резистор Rэ (элемент ООС).

Выходным напряжением является разность коллекторных потенциалов, а входным - разность базовых потенциалов. В основе дифференциального усилителя лежит идеальная симметрия обеих плеч, т.е. идентичность параметров VT1 и VT2, и равенство сопротивлений R_к1 и R_к2. Только в этом случае U_вых = 0 при воздействии синфазной помехи, а также исключается температурный дрейф НРТ, что обеспечивает возможность усиления постоянного и медленно изменяющегося напряжения и тока.

Создание таких усилителей стало возможным с развитием микроэлектроники. Только в ИС, где элементы располагаются друг от друга на расстоянии единиц микрон, можно обеспечить идентичность параметров, температурных коэффициентов и т.п.

Схема предназначена для увеличения амплитуды напряжения сигнала в диапазоне частот 0 до ω_в (десятки мегагерц), обеспечения высокой стабильности режима покоя (малого уровня дрейфа) и подавления синфазной помехи.

При отсутствии входного сигнала и заданных одинаковых режимах во входных цепях в схеме будут протекать постоянные токи I_бп1, I_бп2, I_кп1, I_кп2. Последние два создают на резисторах R_к1 и R_к2 падение напряжения U_к1=I_кп1 ´ R_к1 и U_к2=I_к2´R_к2 . Величины этих напряжений равны, равны и потенциалы в точках а и б схемы, т.е. выходное напряжение равно нулю.

С целью обеспечения малого дрейфа нуля и надежного подавления синфазной помехи (что будет показано ниже) в схеме создана глубокая ООС, которая не уменьшает коэффициент усиления дифференциального сигнала.

При подаче на входы усилителя одинаковых по величине и фазе колебаний (помеха) входные токи транзисторов, а следовательно и токи коллекторов будут одновременно увеличиваться или уменьшаться. Поскольку коэффициенты усиления каждого плеча одинаковы, то потенциалы коллекторов изменяются одинаково, а выходное напряжение при полной симметрии схемы равно нулю.

Таким образом, дифференциальный усилитель при строгой симметрии схемы не усиливает, а подавляет синфазный сигнал, причем эффект "подавления" будет тем больше, чем больше величина R_э, обеспечивающая ООС по току для обоих синфазных сигналов, причем эффект "подавления" будет тем больше, чем больше величина R_э, обеспечивающая ООС по току для обоих синфазных сигналов.

При воздействии на входы схемы двух одинаковых по величине, но противоположных по фазе колебаний, коллекторные токи транзисторов VT1 и VT2 изменяются в противоположных направлениях. Это вызывает противоположное изменение потенциалов коллекторов и напряжение на выходе оказывается пропорциональным входному дифференциальному сигналу.

U_вых =K_д (U_вх1 –U_вх2 )=K_д U_{вх д}

где: К_д - коэффициент усиления дифференциального сигнала. Поскольку на транзисторы VT1 и VT2 действуют противофазные напряжения, то токи эмиттеров этих транзисторов также будут меняться в противофазе. Приращение одного тока будет компенсироваться в симметричной схеме противоположным приращением другого тока. Значит через резистор Rэ переменный ток не протекает и переменное напряжение на нем будет отсутствовать, а следовательно отсутствует и ООС, которая имела место для синфазной помехи и режима покоя.

Для обеспечения необходимого (как правило, очень большого) коэффициента усиления дифференциального сигнала усилитель собирают на супербета транзисторах (b = 3 - 5 тыс.), что в свою очередь увеличивает входное сопротивление усилителя и составляет десятки килоом. Еще большая величина входного сопротивления может быть обеспечена при использовании составных транзисторов, у которых b равно десятки тысяч или МДП-транзисторов.

Выходное сопротивление единицы килоом, т.к.

Напряжение на нагрузке создается током двух транзисторов, одинаковых по величине, но изменяющихся противофазно, поэтому амплитуда напряжения увеличивается вдвое, а амплитуда тока остается той же.

Часто на вход дифференциального усилителя может действовать слабый полезный противофазный сигнал и сильная синфазная помеха. Для оценки способности дифференциального усилителя выделить слабый противофазный сигнал на фоне сильной синфазной помехи используют коэффициент ослабления синфазного сигнала.

где: r _э - внутреннее сопротивление эмиттерной области транзистора.

Дифференциальные усилители могут использоваться в УПТ с различными схемами включения:

- с симметричным входом и несимметричным выходом. Bыходное напряжение в этом случае снимается с одного коллектора транзистора относительно общей точки;

с симметричным входом и выходом. Источник входного сигнала включается между входами, выходное напряжение снимается между коллекторами;

- с несимметричным входом и симметричным выходом. При этом способе источник входного сигнала подключается к одному из входов, а второй вход соединяется с общей точкой;

- с несимметричным входом и выходом. В этом случае используется один из входов усилителя для подключения источника сигнала, а выходное напряжение снимается с одного из коллекторов транзистора.

Дифференциальный усилитель, являясь составной частью многокаскадных УПТ, может использоваться в виде самостоятельной схемы. Примером служит микросхема К122УД1, используемая в современных радиоприемных устройствах.