По структуре дифференциальные усилители (ДУ) являются усилителями постоянного тока. В микроэлектронике они являются одним из универсальных элементов линейных интегральных микросхем. Другое название их – параллельно-балансные каскады. Их используют с целью обеспечения значительного снижения дрейфа нуля в усилителях постоянного тока.

Принцип работы балансной схемы можно пояснить на примере четырехплечевого моста, показанного на рис. 2.24. Если выполняется условие , т.е. мост сбалансирован, то в нагрузочном сопротивлении RH ток равен нулю. Баланс не нарушится и в том случае, если будут изменяться напряжение E и сопротивления резисторов плеч моста, но при условии, что соотношение между сопротивлениями резисторов сохраняется.

Рис. 2.24. Четырехплечевой мост

На рис. 2.25 представлена схема простейшего дифференциального каскада. Нетрудно убедиться, что она аналогична схеме рис. 2.24, если резисторы R2, R3 заменить транзисторами Т1 и Т2, и считать, что R1 = RK1, R2 = RK2. Сопротивления резисторов RK1 и RK2 выбирают равными, а транзисторы Т1 и Т2 – с идентичными характеристиками. В этом случае схема симметрична.

Рис. 2.25. Схема дифференциального каскада

Как и в случае четырехплечевого моста (см. рис. 2.24), в отсутствие сигнала напряжение на выходе равно нулю, так как токи и потенциалы коллекторов транзисторов Т1 и Т2 равны. Поскольку схема симметрична, всякое изменение характеристик транзисторов (за счет изменения температуры или из-за старения) вызовет одинаковое изменение токов в обоих плечах, поэтому разбаланса схемы не произойдет и дрейф выходного напряжения будет практически равен нулю.

Рассмотрим, как изменится состояние цепи при подаче на входы 1 и 2 сигналов: равных по значению и однофазных (синфазных); равных по значению, но с противоположными фазами (дифференциальных).

1. На вход ДУ поданы синфазные сигналы. Потенциалы баз транзисторов T1 и T2 изменятся на . На это же значение изменятся потенциалы эмиттеров. Ток через резистор RЭ поровну распределится между плечами ДУ, и потенциалы коллекторов изменятся на одно и то же значение. Напряжение на выходе будет равно нулю (UBЫX12= 0). Таким образом, идеально симметричный ДУ не пропускает на выход синфазный сигнал.

2. На вход ДУ поданы дифференциальные сигналы. Входное напряжение между точками 1 и 2 будет равно разности этих сигналов UBX12 = UBX1 - UBX2. Поскольку схема симметрична, часть напряжения, равная , приложится к эмиттерному переходу одного транзистора (со знаком плюс), а другая часть – к эмиттерному переходу другого транзистора (со знаком минус). Потенциал эмиттера одного транзистора увеличится, а другого уменьшится на , соответственно, приращения токов в плечах схемы будут одинаковы, но будут иметь разные знаки. Потенциал коллектора одного транзистора увеличится, а другого уменьшится на одно и то же значение. На выходе схемы между точками а и б появится разность потенциалов, а следовательно, выходное напряжение .

Таким образом, дифференциальный сигнал, поданный на вход ДУ, вызывает появление усиленного сигнала на выходе. Поскольку рассмотренный тип усилителей реагирует только на дифференциальный сигнал, его называют дифференциальным усилителем.

В идеальных ДУ за счет подавления синфазного сигнала дрейфа нуля не существует, так как напряжение дрейфа обоих плеч является синфазным сигналом для симметричных цепей ДУ. Помехи и наводки, действующие одновременно на оба входа, часто являются синфазными составляющими входного сигнала, но, поскольку абсолютная симметрия плеч ДУ практически невозможна, полностью подавить синфазную составляющую входного сигнала не удается; в реальных ДУ дрейф нуля существует, но он очень незначителен по сравнению с дифференциальным (полезным) сигналом.

Коэффициент усиления дифференциального сигнала при идеальной симметрии схемы, когда отсутствует синфазная составляющая входного сигнала,

, (2.30)

где выходное напряжение .

В реальном ДУ в присутствии синфазной составляющей сигнала

, (2.31)

где KC– коэффициент усиления синфазного сигнала, когда дифференциальный сигнал отсутствует.

Качество дифференциального усилителя оценивают коэффициентом подавления синфазного сигнала

. (2.32)

ДУ считается хорошим, если или 80-100 дБ.

Отметим, что, поскольку в основе работы ДУ лежит идеальная симметричность его плеч, а выполнить это практически возможно только при микроэлектронном исполнении, наиболее широко ДУ используются в интегральных микросхемах. В ИМС элементы расположены близко (на расстоянии нескольких десятков микрометров), что обеспечивает идентичность параметров элементов схемы.

• Назад
• Вперёд