Дифференциальный каскад. В электронной технике часто требуются усилители сигналов, скорость изменения которых очень низка, например с датчиков медленно изменяющихся сигналов

В электронной технике часто требуются усилители сигналов, скорость изменения которых очень низка, например с датчиков медленно изменяющихся сигналов, таких как термопара. Такие усилители называют усилителями постоянного тока. Наиболее распространенной схемой, на базе которой они создаются, является дифференциальный каскад (рис. 2.8, а).

В дифференциальной схеме два входа, два выхода и два источника питания. Предположим, что параметры левого и правого плеч схемы одинаковы. Положительный потенциал источника питания Е_см, поступающий через корпус и цепи входных сигналов на базы обоих транзисторов, открывает их в равной степени. Рабочие точки p на рис. 2.8, б транзисторов VT1и VT2 совпадают. Поэтому при отсутствии входных сигналов под действием источника питания Е_K по резисторам R₁ и R₂ протекают одинаковые коллекторные токи I₁ = I₂ = I_Kр. Так как R₁ = R₂, то эти токи создают на них одинаковые падения напряжения, а значит, потенциалы точек a и b одинаковы. Если нагрузочное сопротивление включить между точками a и b, то выходное напряжение на нем равно нулю. Так можно выполнить требования усилителей постоянного тока о равенстве нулю U_вых при отсутствии сигнала U_вх. Такое состояние схемы называют режимом покоя.

Если пренебречь базовыми токами, то по резистору R₃ протекает сумма токов I₁ + I₂, создающая на нем падение напряжения. Напряжение, задающее исходные рабочие точки транзисторов, будет определяться разностью Е_см и напряжения на R₃:

U_БЭр = Е_см – (I₁ + I₂)R₃.

Такое включение R₃ создает последовательную отрицательную обратную связь по току, стабилизируя исходные рабочие точки транзисторов. Любые одновременные изменения (например, увеличение) токов I₁ и I₂, возникающие под действием изменений напряжения источника питания, температуры и т. д., вызовут увеличение падения напряжения на R₃ и, следовательно, такое уменьшение U_БЭ, которое стремится вернуть (снизить) коллекторные токи к исходному значению, т. е. стабилизировать их суммарное значение:

I₁ + I₂ ≈ const.

Таким же образом дифференциальный каскад реагирует на синфазные сигнал и помеху, т.е. входные сигналы, которые одновременно (без сдвига фаз) и одинаково (U_вх1= U_вх2) действуют на оба входа, стремясь одновременно изменить I₁ и I₂. Обратная связь тем выше, чем больше R₃.

Рис. 2.8. Дифференциальный усилительный каскад (а) и передаточная динамическая характеристика транзисторов (б)

Совершенно по-иному реагирует дифференциальный каскад, если сигналы на входах каскада противофазные (например, U_вх1 = +U_вх, а U_вх2 = –U_вх). В этом случае (рис. 2.8, б) ток I₁ возрастет на ΔI, а I₂ уменьшится на ΔI, но их сумма останется неизменной.

Поэтому обратная связь не стремится уменьшить изменения токов и каждое плечо ведет себя как обычная схема ОЭ, т. е. потенциал точки а и U_вых1 понизятся, а потенциал точки b и U_вых2 повысятся. Каскад реагирует только на разность входных сигналов, почему и называется дифференциальным.

Рассмотрим еще один случай, когда напряжение U_вх действует только на один из входов, например U_вх1 > 0, а U_вх2= 0. В первый момент ток I₁ возрастает, допустим, на +ΔI, а I₂ остается неизменным, при этом возрастет и сумма токов (I₁ + ΔI)+ I₂, но вступившая в действие обратная связь приведет к тому, что ток первого транзистора станет равным I₁ + ΔI/2, а ток второго — I₂ – ΔI/2. И в этом случае потенциал точки а понизится, а точки b повысится, но изменения U_вых будут в 2 раза меньше, чем в предыдущем случае.

Обычно усилители постоянного тока имеют несколько каскадов, причем дифференциальный каскад является первым и у него используется только один выход. Если принять, что используется выход 2, то подача положительного сигнала на вход 1 приводит к увеличению выходного сигнала, а подача положительного сигнала на вход 2 — к уменьшению. Поэтому вход 1 называют прямым, или неинвертирующим, а вход 2 — обратным, или инвертирующим.