Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель (ДУ) – это классическая транзисторная схема, предназначенная для усиления разности двух входных сигналов. ДУ является основой операционных усилителей, применяется в устройствах автоматического регулирования для сравнения входного сигнала с эталонным напряжением, используется для уменьшения уровня шумов.

Если на входах ДУ сигналы изменяются одновременно и одинаково, то такое изменение называется синфазным. Если сигналы на первом и втором входах изменяются по-разному, то такое изменение называется дифференциальным, а сигнал на выходе – разностным или дифференциальным.

Полезным является дифференциальный сигнал, поэтому хороший ДУ характеризуется высоким коэффициентом усиления дифференциального сигнала, а коэффициент усиления синфазного сигнала должен быть, наоборот, низким.

Рис. 7.2. Схема ДУ

ДУ часто характеризуют коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС): . Для хорошего ДУ КОСС должен быть большим.

Рассмотрим работу ДУ, используя модель Эберса – Молла. При этом применяются следующие условные обозначения: «↕» – изменение, «↑» – увеличение, «↓» – уменьшение, «→» – следовательно.

1. Пусть сигналы на входах изменяются одинаково. Тогда

↕U_ВХ1 = U_ВХ2→↨U_Э1 = U_Э2→U_БЭ1 = U_БЭ2 = const→I_К1 = I_К2 = const→U_ВЫХ = const.

2. Пусть сигнал меняется на вх. 1 относительно постоянного уровня на вх. 2. Тогда

↑U_ВХ1→↑U_Э1→↑U_Э2→↓U_БЭ2 при U_ВХ2 = const→↓I_К2→↓U_RK→↑U_ВЫХ = U_К2,

и, наоборот,

↓U_ВХ1→↓U_Э1→↓U_Э2→↑U_БЭ2 при U_ВХ2 = const→↑I_К2→↑U_RK→↓U_ВЫХ = U_К2.

3. Пусть сигнал меняется на вх. 2 относительно постоянного уровня на вх. 1. Тогда

↑U_ВХ2 при U_ВХ1 = const= U_Э1 = U_Э2→↑U_БЭ2→↑I_К2→↑U_RK→↓U_ВЫХ = U_К2,

и, наоборот,

↓U_ВХ2 при U_ВХ1 = const= U_Э1 = U_Э2→↓U_БЭ2→↓I_К2→↓U_RK→↑U_ВЫХ = U_К2.

Таким образом, в зависимости от взаимного изменения уровня напряжения на входах выходной сигнал ДУ оказывается либо положительной, либо отрицательной полярности, поэтому принято называть вх. 1 неинвертирующим, а вх. 2 – инвертирующим.

Коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется отношением выходного сопротивления R_К к суммарному сопротивлению эмиттерной цепи Т₂ относительно входа 1: .

Коэффициент усиления синфазного сигнала определяется отношением выходного сопротивления R_К к суммарному сопротивлению эмиттерной цепи Т₂ относительно земли: . Значение 2R берется из-за удвоенного тока 2I_Э, протекающего через этот резистор по отношению к r_Э и R_Э.

. Он определяется отношением при больших значениях R.

Из данных выражений следует, что К_ДИФФ↑ при ↑R_К, ↓R_Э и ↓r_Э. В этом случае ↓К_СИНФ (и, соответственно, ↑КОСС) возможно лишь при существенном ↑R. При этом необходимо иметь в виду, что ↓R_Э и r_Э приводит к ↓R_ВХ схемы, так как

7.2.1. Использование источника тока
в эмиттерной цепи ДУ

В данной схеме все транзисторы находятся в активном режиме, так как напряжения на базах более положительные, чем в их эмиттерах, а напряжения в коллекторах более положительные, чем на базах.

Рис. 7.3. Схема ДУ с источником тока в цепи эмиттера

Таким образом, падение напряжения на R_Э = 1 к в ½U_ЭЭ – U_Э½= 2 В задает в эмиттерной цепи ток 2 мА. Резисторами R создают смещение в базах транзисторов Т₁ и Т₂, примерно равное 0 В, в результате чего U_Э1 = U_Э = U_К3 = –0,6 В. Для данной схемы R = 2,5 кОм выбрано с учетом при r_Э ≈ 25 Ом. Ток 1 мА, текущий через Т₁ и Т₂, определяет напряжение U_К2 = 7,5 В, что удовлетворяет условию симметричности выходного сигнала, снимаемого относительно земли. Транзисторы Т₁ и Т₂ образуют дифференциальную пару, а на Т₃ выполнен источник тока, включенный в цепь эмиттера ДУ. Делитель R₁ и R₂ задает для Т₃ смещение –12,4 В, что создает в его эмиттере потенциал U_Э =
= U_Б = –0,6 В = –13 В.

Источник тока обладает очень большим сопротивлением за счет закрытого коллекторного перехода (сотни кОм), что существенно уменьшает синфазное усиление сигнала. Если оценивать выходное сопротивление источника тока как R ≈ 750 к, то порядок КОСС ≈ 100.

В качестве источника тока в цепи эмиттера ДУ может выступать токовое зеркало. При этом ток в эмиттере задается потенциометром R_УПР.

Рис. 7.4. ДУ с токовым зеркалом в цепи эмиттера