Схема и принцип дифференциального усилителя

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.

Усиливаемый сигнал обозначим Uвх (разность потенциалов между Бтр1 и Бтр2), то на одном из входов относительно общего провода будет действовать напряжение +Uвх/2, второй вход будет –Uвх/2. (/2, потому что 2 транзистора)

Это приведёт к тому, что ток эмиттера T1 увеличится на величину ∆Iэ1, а ток эмиттера T2 уменьшится на величину ∆Iэ2.

Однако сумма токов, протекающих через сопротивление Rэ не изменится, а значит не изменится и потенциал эмиттера.

На рисунке представлена схема простейшего дифференциального

каскада. Считать,что R1 = Rk1, R2 = Rk2.

Сопротивления резисторов Rк1 и Rk2 выбирают равными, а транзисторы Т1 и Т2 с идентичными характеристиками. В этом случае схема симметрична.

В отсутствие сигнала напряжение на выходе равно нулю, т.к. 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.

На вход ДУ поданы синфазные сигналы. Потенциалы баз транзисторов Т1и Т2 изменятся на ΔUб1 = ΔUб2 = Uвx1 = Uвх2. 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 (Uвьх12 = 0). Таким образом, идеально симметричный ДУ не пропускает на выход синфазный сигнал.

На вход ДУ поданы дифференциальные сигналы. Входное напряжение между точками 1 и 2 будет равно разности этих сигналов Uвх12=Uвх1 – Uвх2. Поскольку схема симметрична, часть напряжения равная Uвх12/2, приложится к эмиттерному переходу одного транзистора (со знаком плюс), а другая часть – к эмиттерному переходу другого транзистора (со знаком минус). Потенциал

эмиттера транзистора увеличится, а другого уменьшится на Uвх12/2

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 будет равно:

Uвых12 = Uвых1 - Uвых2. (4.18)

Таким образом, дифференциальный сигнал, поданный на вход ДУ,

вызывает появление усиленного сигнала на выходе. Поскольку paссмотренный 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.

Для снижения усиления синфазн сигнала Rэ>Rк