Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель (ДУ) предназначен для усиления разности двух сигналов и представляет собой балансную симметричную схему (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Схема дифференциального усилителя.

Если схема полностью симметрична, то U _вых= K _p(U _вх2 – U _вх1), где K _p= K ₁= K ₂ – коэффициент усиления ДУ, K ₁ и K ₂ - коэффициенты усиления усилителей, т.е. пропорциональна разности входных сигналов. Однако реальные транзисторы не могут быть полностью одинаковыми и усилители в дифференциальном каскаде не полностью идентичны. Поэтому выходной сигнал зависит не только от разности, но от суммы входных сигналов. Действительно, пусть K ₁= K ₂ + K _с, тогда U _вых= K ₁ U _вх1 – K ₂ U _вх2 = K _p(U _вх2 – U _вх1) + K _с(U _вх2 + U _вх1), где K _p= K ₁ – K _с/2 = K ₂ + K _с/2, K _с = K ₁ – K ₂ – коэффициент усиления синфазного сигнала.

ДУ характеризуется коэффициентом подавления синфазного сигнала h = K _p/ K _с, который должен быть большой (~10⁴¸10⁵), и это не может быть обеспечено только идентичностью транзисторов. Высокие значения h достигаются введением в схему большого общего эмиттерного сопротивления R _Э (рис.5.17).

Влияние R _Э на симметрию схемы может быть проанализировано следующим образом. По первому закону Кирхгофа сумма токов в цепях эмиттеров обоих транзисторов равны току через общее сопротивление R _Э (рис.5.17):

(5.18),

то есть для изменений этих токов, обусловленного подачей переменных входных сигналов на оба каскада, можно записать

(5.19).

Если общий ток I _Э меняется слабо, то D i _Э1 » -D i _Э2 и изменения тока одного каскада приведено к противоположному изменению тока другого, т.е. транзисторы работают одновременно, что реализует полную симметрию схемы. В идеале D I _Э = 0 при R _Э®¥, т.е. цепь эмиттера разомкнута, но коэффициент усиления обоих каскадов при этом будет равен нулю. Таким образом, увеличение R _Э делает схему ДУ более симметричной, но при этом падает коэффициент усиления.

Часто вместо сопротивления R _Э в схему ДУ включают транзистор с сопротивлением в цепи своего эмиттера и постоянным питанием базы (рис.5.18). Эта замена позволяет при той же допустимой величине постоянного тока получить на 1-2 порядка большое сопротивление по переменному току.

Рис. 5.18. Замена активного сопротивления эмиттера на транзистор с постоянным питанием базы.

В настоящее время ДУ изготавливают в виде общей интегральной микросхемы, что кроме габаритных преимуществ, дает возможность создавать транзисторы по одинаковой технологии, располагая их близко к друг другу, с близкими параметрами.