Дифференциальный усилитель

Дифференциальный (резисторный) усилитель (ДУ) – это устройство, которое усиливает разность двух входных сигналов, поэтому дифференциальный усилитель также называют разностным, что будет пояснено более подробно далее.

Схемы дифференциальных усилителей нашли применение в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне больших синфазных сигналов или постоянных уровней [4], в частности, в случаях съема сигналов с поверхности тела человека в медицинских целях (например, при электрокардиографии, электроэнцефалографии, электроокулографии и т.д.), так как при измерении электрических потенциалов информацию несёт не абсолютное значение напряжения в некоторой точке относительно уровня заземления, а разность напряжений между двумя точками. Схема дифференциального усилителя на ОУ представлена на рисунке 6 [7].

Рисунок 6. Схема дифференциального усилителя на базе одного ОУ.

Идеальным ДУ является усилитель, относительно двух входов которого коэффициента передачи равны по величине и противоположны по знаку. Один из входов ДУ называется неинвертирующим, и усиление сигнала, поступающего на него, происходит без изменения знака. Другой вход называется инвертирующим, а сигнал, на него поданный, усиливается с инверсией знака [5].

Выходной эффект ДУ определяется суперпозицией результатов усиления сигналов, воздействующих на оба входа:

(1)

где – коэффициенты передачи относительно неинвертирующего и инвертирующего входов. В идеальном ДУ они равны, поэтому выходной сигнал вне зависимости от уровней входных сигналов определяется только их различием. В связи с этом ДУ часто называют усилителем разности.

Во входном сигнале ДУ различают дифференциальную (разностную) U_Д и синфазную (парафазную) U_С составляющие:

(2) (3)

Дифференциальная составляющая характеризует различие (асимметрию) сигналов , а синфазная – степень их совпадения (симметрии).

Однако на практике всегда имеют дело с неидеальными ДУ, в которых коэффициенты передачи и могут различаться. В результате этого выходной сигнал зависит не только от дифференциальной составляющей сигналов и , но также от их синфазного значения (от синфазного сигнала), при этом:

(4)

где – коэффициент передачи дифференциальной составляющей сигналов, который характеризует усилительные свойства ДУ в среднем и определяется при , т.е. когда на входы усилителя подаются одинаковые по величине, но противоположные по полярности сигналы; - коэффициент передачи синфазной составляющей сигналов, который характеризует различие усилительных свойств по неинвертирующему и инвертирующему участкам тракта и определяется при , т.е. когда на входы усилителя подаются одинаковые по величине и полярности напряжения:

(5) (6)

Отношение называют коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС). Для идеального ДУ КОСС бесконечен. В ДУ высокого качества КОСС может достигать значений 10⁵...10⁶. Обычно значения КОСС приводятся в децибелах [5].

Простейшая схема дифференциального усилителя на биполярных транзисторах изображена на рисунке 7 на следующей странице [4].

Рисунок 7. Классическая схема дифференциального транзисторного каскада.

Выходное напряжение в этой схеме измеряется на одном из коллекторов относительно потенциала земли. Эта схема называется схемой с однополюсным (однофазным) выходом, и она наиболее распространена. Этот усилитель можно рассматривать как устройство, которое усиливает дифференциальный сигнал и преобразует его в несимметричный сигнал, с которым могут работать обычные схемы вроде повторителей напряжения, источников тока и т.п. Если же нужен дифференциальный сигнал, то его снимают между коллекторами с R_Н. Недостаток этой схемы заключается в том, что резистор R_Э определяет одновременно режим транзисторов по постоянному току и КОСС, поэтому получить большую величину коэффициента ослабления синфазного сигнала в таком усилителе невозможно. Повысить значение КОСС можно, если увеличивать сопротивление резистора R₁, но это вызовет уменьшение коллекторных токов и ухудшение усилительных свойств каскада.

Таким образом, усиление синфазного сигнала в дифференциальном усилителе можно значительно уменьшить, если резистор R_Э заменить источником тока (генератором стабильного тока), как показано на рисунке 8 [4]. При этом действующее значение сопротивления R₁ станет очень большим, а усиление синфазного сигнала будет ослаблено почти до нуля. Представим себе, что на входе действует синфазный сигнал; источник тока в эмиттерной цепи поддерживает полный эмиттерный ток постоянным, и он (в силу симметрии схемы) равномерно распределяется между двумя коллекторными цепями. Следовательно, сигнал на выходе схемы не изменяется.

Рисунок 8. Схема увеличения КОСС дифференциального усилителя с помощью источника стабильного тока.

Рассмотрим ещё одну схему с генератором стабильного тока (ГСТ) без использования транзистора [6].

Рисунок 9. Дифференциальный транзисторный усилитель: а – принципиальная схема; б – схема с простейшим ГСТ; в – эквивалентная схема включения ГСТ.

Номинал резистора R_Э должен быть неограниченно велик, чтобы обеспечить создание высококачественного ДУ (о некоторых ограничениях и методах их решениях далее). Совместно с источником питания этот резистор образует ГСТ, ток которого:

(7)

Этот ток I₀ практически не зависит от наличия сигналов на входах ДУ, т.к. внутренние сопротивления выходной части схемы много меньше номинала R_Э.

Оба транзистора ДУ должны иметь строго идентичные входные характеристики, одинаковые коэффициенты усиления по току, причем B>>1, а номиналы резисторов коллекторных нагрузок R_K₁ и R_K₂ должны быть равны. Если параметры источников сигнала, входов транзисторов и выходных нагрузок одинаковые, то усилитель является сбалансированным.

На рисунке 10 (на следующей странице) [6] покажем формирование сигналов на выходе ДУ для различных случаев. Случай «а» - без дифференциального входного сигнала.

Случай «б» - с дифференциальным сигналом. Предположим, что в схеме в момент появился открывающий входной сигнал на одном входе U_C₁>0 (U_C₂=0). Начиная с этого момента коллекторный ток I₁ увеличивается, поэтому U_ВЫХ1уменьшается. На выходе левого по схеме плеча (усилитель с ОЭ) появится усиленный импульс U_ВЫХ1 противоположной полярности. Импульс эмиттерного тока транзистора этого плеча даст на сопротивлении R_Э положительный импульс почти той же амплитуды, что и входной сигнал U_C₁. Правое плечо (усилитель с ОБ) не инвертирует эмиттерный сигнал, поэтому на выходе появляется сигнал положительной полярности, амплитуда которого U_ВЫХ2 U_ВЫХ1 (в этом плече ток I₂ уменьшается, поэтому выходное напряжение U_ВЫХ2увеличивается). Суммарный ток плеч фиксируется ГСТ на уровне I₀, и в момент , когда I₁=I₀, а I₂=0, нарастание выходных сигналов прекращается. Именно поэтому амплитуды выходных сигналов относительно напряжения баланса U_БАЛ равны.

Сигнал управления, прикладываемый между входами ДУ, называется дифференциальным.

Cлучай «в»,«г» - сигнал подан на один вход, второй вход заземлён, случай «д» - дифференциальное включение источника сигнала.

Рисунок 10. Формирование потенциалов на выходе ДУ.

Если оба входа ДУ соединены, как показано на рисунке 11 [6], и на них подан общий (синфазный сигнал) Е_СИНФ, то ДУ с идеальным ГСТ не должен иметь отклик на выходе. У реального ДУ уровень тока I₀ немного изменится, поэтому на выходе появляется небольшое напряжение, выражающееся в изменении уровня баланса U_БАЛ(Е_СИНФ). Синфазный сигнал может присутствовать автоматически в некоторых схемах подачи дифференциальных сигналов, в этом случае на выходах ДУ происходит суммирование полезного сигнала и синфазного сигнала ошибки.

Рисунок 11. Подключение ко входам ДУ источника синфазного напряжения: а – без источника дифференциального сигнала; б – совместно с источником дифференциального сигнала.

Иногда желательно, чтобы однокаскадный дифференциальный усилитель, как и простой усилитель с заземленным эмиттером, имел большой коэффициент усиления. Красивое решение дает использование токового зеркала в качестве активной нагрузки усилителя, как показано на рисунке 12. Транзисторы Т₁ и Т₂ образуют дифференциальную пару с источником тока в эмиттерной цепи. Транзисторы Т₃ и Т₄, образующие токовое зеркало, выступают в качестве коллекторной нагрузки. Тем самым обеспечивается высокое значение сопротивления коллекторной нагрузки, благодаря этому коэффициент усиления по напряжению достигает 5000 и выше при условии, что нагрузка на выходе усилителя отсутствует, и КОСС свыше 100 дБ.

Такой усилитель используют, как правило, только в схемах, охваченных петлей обратной связи, или в компараторах. Нагрузка для такого усилителя обязательно должна иметь большой импеданс, иначе усиление будет существенно ослаблено. Выходной ток такой схемы почти повторяет входной.

Рисунок 12. Дифференциальный усилитель с токовым зеркалом в качестве активной нагрузки.

При однофазном съеме сигнального напряжения в качестве выходного сигнала выступает потенциал одного из выходных зажимов УП, т.е. сигнал, наблюдаемый между этим выходным зажимом и точкой нулевого потенциала.

Часто работу схемы ДУ организовывают так, что в качестве выходного сигнала выступает разность потенциалов между его выходными зажимами а и б, как показано на рисунке 13. Такой способ выделения выходных сигналов называется дифференциальным. При таком способе выделения сигналов ДУ между коллекторами его транзисторов оказывается подключенным дополнительный двухполюсник R_H.

Рисунок 13. Дифференциальный способ выделения сигналов ДУ.

Дифференциальный и синфазный коэффициенты передачи схемы соответственно:

(8) (9)

Рассмотрим передаточные свойства схемы, приняв допущения: R_K₁=R_K₂=R_K, двухполюсник R_H представим состоящим из двух одинаковых частей, каждая из которых имеет сопротивление 0.5 R_H. При таком представлении усилительного каскада исходные значения потенциалов точек а и б одинаковы, разность потенциалов равна нулю и через нагрузку R_H ток i_H не протекает.

Воздействие синфазного сигнала на входы рассматриваемого ДУ не вызывает нарушения симметрии плеч, т.е. равновеликого распределения тока I₀ между эмиттерными цепями транзисторов VT1 и VT2. Потенциалы точек а и б в ответ на воздействие синфазного сигнала могут претерпевать изменения, но они оказываются одинаковыми, в результате чего разность потенциалов на нагрузке и протекающий через неё ток i_H по-прежнему сохраняют нулевые значения. Таким образом, синфазная составляющая сигналов и не оказывает влияния на значения выходного напряжения и тока i_H.

Появление на входе ДУ дифференциального сигнала U_Д вызывает асимметрию в распределении тока I₀между эмиттерными цепями транзисторов VT1 и VT2. Коллекторные потенциалы U_а и U_б претерпевают одинаковые, но непротивофазные изменения, а потенциалы в точках в и г остаются неизменными, в связи с этим, так как напряжение U_Д не вызывает появление сигнальных потенциалов, эти точки могут быть интерпретированы как точки нулевого сигнального потенциала.

Рассмотрим параметры ДУ, изображённого на рисунке 14.