Дифференциальные усилители

Дифференциальные усилители (ДУ) позволяют получить высокую стабильность, малый уровень внутренних шумов и напряжение дрейфа, широкую полосу пропускания и высокий коэффициент усиления. Принципиальная схема ДУ строится на основе балансного усилителя постоянного тока, рис.16.1.

Рис 16.1. Дифференциальный усилитель

Схема ДУ может быть использована в различных вариантах: с симметричным выходом и несимметричным входом, с симметричным входом и несимметричным выходом. Наилучшие показатели имеет схема ДУ с симметричным входом и выходом, приведенная на рис.16.1

Общее напряжение входа U_вх между 1-2 клеммами определяется U_вх= U_вх1- U_вх2, соответственно U_вых= U_вых1– U_вых2=K_д(U_вх1–U_вх2) будет наибольшим в том случае, когда на вход поступают равные по амплитуде и противоположные по фазе напряжения, поскольку при этом их абсолютные значения складываются. Такой входной сигнал называют дифференциальным. Если U_вх1 и U_вх2 имеют одинаковую фазу, то такой сигнал называют синфазным.

Дифференциальный каскад усиливает разность входных сигналов U_вх =U_вх1– U_вх2. Коэффициент усиления для дифференциального сигнала при симметричном выходе можно выразить:

(16.1)

Характерной чертой дифференциального каскада является его нечувствительность к синфазному сигналу. При равенстве U_вх1= U_вх2 разность входных сигналов U_вх=U_вx1-U_вх2 равна нулю. Поэтому выходное напряжение должно быть также равным нулю. Однако за счет некоторой асимметрии имеет место передача синфазного сигнала с коэффициентом передачи

(16.2)

Важным параметром ДУ является отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала

(16.3)

Этот параметр называется коэффициентом дискриминации или ослабления синфазных сигналов и для современных ДУ задается в пределах 60-120 дБ.

Особенность дифференциального каскада усиливать только дифференциальный сигнал и подавлять синфазный является очень важной, т.к. все виды помех, в т.ч. и дрейф нуля, являются синфазными. Подавление синфазных сигналов в ДУ объясняется тем, что для этих сигналов за счет падения напряжения на сопротивлении в цепи эмиттеров R_э в схеме возникает ООС по току, что уменьшает величину К_сф. Для дифференциального сигнала ООС в каскаде отсутствует, т.к. в этом случае текущий через R_э ток сигнала одного плеча компенсируется равным ему током сигнала другого плеча. Глубина ООС для синфазных сигналов равна 1+2У₂₁R_э. Для повышения глубины ООС, улучшающей свойства ДУ, следует увеличивать сопротивление R_э. Однако чрезмерное увеличение R_э невозможно по двум причинам. Во-первых, при этом возрастает падение напряжения на нем, т.к. через R_э протекают постоянные составляющие токов обоих транзисторов. Во-вторых, в интегральном исполнении получение больших сопротивлений связано с большими технологическими затруднениями. Таким образом, чрезмерное увеличение R_э потребовало бы увеличения питающего напряжения. По этим причинам в современных ДУ вместо активного сопротивления R_э используют стабилизаторы тока на транзисторе V3, рис. 16.2, у которого сопротивление переменной составляющей R_~ во много раз больше сопротивления по постоянному току R₌.

Рис 16.2. Дифференциальный усилитель с генератором стабильного тока.

Например, биполярный транзистор с I_к=I_мА и U_кэ=5B имеет R₌=5 к0м, R_~=50 кОм.

Введение в цепь эмиттера транзистора V3 сопротивления с небольшим номиналом R_э (порядка 1 к0м) позволяет за счет ООС по току повысить сопротивление R_~ до нескольких сотен кОм. Диод в цепи базы позволяет ввести температурную стабилизацию рабочей точки транзисторов.