Дифференциальные усилители постоянного тока

 

Самое широкое распространение получили УПТ с непосредственными связями, построенными по мостовой автобалансной схеме. Они называются дифференциальными усилителями постоянного тока (рисунок 6.2,a).

В схеме дифференциального усилителя можно выделить две ветви: правую и левую ,VT₁ . Эти ветви должны быть совершенно одинаковы по своим свойствам. Резистор должен быть с высокой точностью равным резистору , а также они должны иметь одинаковый температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Транзистор по усилительным и температурным свойствам должен быть идентичным транзистору . Только при полной симметрии каскада удается значительно уменьшить дрейф усилителя. Достаточно полную симметрию удалось получить, используя интегральную технологию, когда все элементы схемы создаются одновременно в одном технологическом процессе. Транзисторные структуры и резисторы, созданные на кристалле, находятся в непосредственной близости, что и объясняет одинаковость их свойств. В основе схемы лежит четырехплечий мост. Резисторы , и транзисторы , образуют плечи моста. В диагональ питания включены источники и , а в измерительную - диагональ сопротивление нагрузки .

 

Рисунок 6.2 - Схема дифференциального каскада (а), подключение синфазного сигнала (b), подключение дифференциального сигнала (с)

 

Усилитель имеет два симметричных входа. В зависимости от способа подачи сигнала различают дифференциальное напряжение – это разность напряжений между входами, синфазное напряжение – это одинаковые напряжения, поданные на оба входа. В общем случае сигнал может содержать как дифференциальную, так и синфазную составляющие.

Рассмотрим первый случай. Пусть входные напряжения равны нулю , т.е. входы 1 и 2 соединены с землей (рисунок 6.2,a). Сопротивление резистора и эдс источника подбираются так, что напряжение база – эмиттер транзисторов устанавливается порядка 0.4 В. Под действием этого напряжения в цепях баз возникают токи покоя и , которые задают режим покоя транзисторов , и определяют значение токов , . Напряжения на коллекторах транзисторов ибудут равны

 

, (6.1)

 

, (6.2)

 

а напряжение на нагрузке . Причем равенство нулю будет сохраняться при одинаковом изменении токов базы, усилительных свойств транзисторов, напряжений питания, сопротивлений резисторов. Дрейф усилителя сводится к нулю. Этот эффект возможен только при полной симметрии схемы.

Рассмотрим второй случай. На оба входа усилителя поданы одинаковые напряжения (рисунок 6.2,b), тогда токи баз увеличатся на одинаковую величину . При полной симметрии на одинаковую величину увеличатся и, а напряжение на нагрузке вновь будет равно нулю. Отсюда следует очень важный вывод – дифференциальный каскад не усиливает синфазное напряжение.

Каскад имеет очень большое входное сопротивление для синфазного сигнала, т.к. изменение тока эмиттера за счет падения напряжения на резисторе создает последовательную отрицательную обратную связь, которая еще дополнительно способствует уменьшению влияния синфазного напряжения.

Рассмотрим третий случай. Напряжения ине одинаковы. Между входами образуется дифференциальное напряжение (рисунок 6.2,с).

Ток базы транзистора увеличится на , а ток базы транзистора уменьшится на . Соответственно, изменятся токи коллекторов транзисторов: ток увеличится на , а ток уменьшится на . Напряжения на коллекторах транзисторов также изменятся, напряжение уменьшится на , а напряжение увеличится на . Следовательно, на нагрузке при условии симметрии () появится разность напряжений . Приращение тока в цепи базы под воздействием дифференциального напряжения определяется выражением

 

, (6.3)

 

тогда коэффициент усиления по напряжению для дифференциального сигнала

 

. (6.4)

 

Отрицательная обратная связь в этой схеме отсутствует, т.к. изменения токов коллекторов транзисторов противоположны по знаку, то изменение тока в эмиттере . Входное сопротивление каскада для дифференциального сигнала будет меньше, чем для синфазного сигнала.

Сделаем важный вывод - дифференциальный усилитель усиливает только дифференциальное напряжение.

Это замечательное свойство выполняется только при полной симметрии, которую при всем старании достичь не удается, поэтому частично синфазный сигнал проявляется на выходе усилителя . Его влияние оценивается коэффициентом усиления синфазного напряжения

 

. (6.5)

 

Степень несимметрии, эффективность подавления синфазного сигнала определяется коэффициентом ослабления синфазного сигнала

 

, (6.6)

 

он показывает во сколько раз дифференциальный сигнал усиливается больше, чем синфазный.

Для нормальной работы дифференциального каскада сопротивления постоянному току в цепи базовых токов должно быть конечным. Токи покоя баз создаются питающими напряжениями, они всегда присутствуют в усилителе и определяют положение рабочей точки усилителя, поэтому их называют входными токами смещения . Если схема симметрична, то входные токи смещения одинаковы, при несимметричности возникает некоторая разность входных токов смещения .