Дифференциальный усилитель. Схема дифференциального усилителя представлена на рис

Схема дифференциального усилителя представлена на рис. 2. При анализе дифференциального усилителя широ­ко используют дифференциальное входное напряжение u _вх._диф и синфазное входное напряжение и_вх.сшф. Эти понятия при обращении к операционному усилителю ис­пользуют потому, что в качестве его входного каскада при­меняется дифференциальный усилитель. Дифференциаль­ное входное напряжение определяется выражением

Пусть и_вх.диф = 0, тогда u_{вх.синф} = u_вх1 = u_вх2. Напря­жение и_{вых.диф} называют выходным дифференциальным сигналом, причем и_вых. _диф = u_{вх1 -} u_вх2.

Основная идея, реализованная в дифференциальном каскаде, как это было показано выше, состоит в исполь­зовании в одном целом двух совершенно одинаковых по­ловин. Эта идея достаточно часто применяется в электро­нике.

Рис. 2

Использование двух одинаковых половин приводит к тому, что выходное напряжение и_вых._диф очень слабо за­висит от входного синфазного напряжения и практически определяется только напряжением и_вх.диф. Усилитель на­зывают дифференциальным потому, что и_вых._диф пропор­ционально напряжению и_вх._диф (пропорционально разно­сти напряжений u_вх1 и u_вх2). Другие дестабилизирующие факторы, кроме синфазного напряжения, также оказыва­ют слабое влияние на величину и_вых._диф.

Если увеличилась температура и возросли тепловые токи I`<sub>ко1</sub> и I`_ко2 соответственно транзисторов Т₁ и Т₂, то из-за изменения напряжений и_М1 и u_RK2 на резисторах R_Kl и R_к2 изменяются напряжения и_К[ и и_К2. Если сопротив­ления R_K] и R_K2 равны, а изменения токов I`<sub>ко1</sub> и I`_ко2 оди­наковы, то напряжение и_вых._диф не изменится.

Допустим, что ток I₀ является неизменным, а схема полностью симметрична и и_диф=0, тогда i_к1 = i_к2 = , так как ток коллектора каждого транзистора примерно равен току эмиттера. В случае изменения входного синфазного сигнала токи i_K1 и i_K2 не изменяются и поэтому не изме­няются напряжения и_к1 и и_к2, не говоря уже о напряжении и_вых._диф. В соответствии с этим в реальных усилителях вместо резистора R₃ и источника напряжения Е_э часто для ослабления влияния синфазного сигнала используют ту или иную схему на транзисторах, которая выполняет функцию источника тока. Эту схему при анализе обычно заменяют источником тока (на рис 2 пунктир).

В интегральных схемах области полупроводника, соот­ветствующие транзисторам, располагают очень близко друг от друга. Поэтому параметры транзисторов оказыва­ются очень близкими, что обеспечивает симметрию диф­ференциального усилителя.

Рассмотрим кратко процессы, происходящие в усили­теле при поступлении на его вход положительного сигна­ла и_вх.диф. При увеличении этого сигнала, во-первых, уве­личиваются ток базы и ток коллектора транзистора Т₂. Это приводит к увеличению напряжения u_RK2 и уменьшению напряжения и_к2. Во-вторых, уменьшаются ток базы и ток коллектора транзистора Т₁. Это приводит к уменьшению напряжения u_RK1 и увеличению напряжения и_к1. В ре­зультате напряжение и_вых._диф увеличивается. Если напря­жение и_вх._диф чрезмерно велико, то транзистор Т₂ может войти в режим насыщения, а транзистор Т\ — в режим отсечки. При отрицательном напряжении и_вх._диф транзисторы меняются ролями.

На практике широко используются также дифференци­альные усилители на полевых транзисторах.

Проведем количественный анализ рассмотренного выше усилителя (рис. 2). Пусть и_дцф = 0 и установлен фиксированный ток i₀. Обозначим через β_ст1, β_ст2 статические коэффициенты передачи тока базы, а через β₁, β₂ динамические коэффициенты соответственно для транзи­сторов Т₁ и Т₂. Если β_ст1 = β_ст2 = β_ст , β₁ = β₂ = β тогда в начальном режиме

Допустим, R_Kl = R_K2 = R_K, тогда

В частности,если

Такой начальный режим работы обеспечивает макси­мально возможный диапазон изменения напряжений

Определим коэффициент усиления по напряжению для дифференциального сигнала К_диф. Пусть под воздействи­ем входного дифференциального напряжения u_вх._диф токи I_б1 и I_б2 получили приращения, модуль которых обозна­чим через |ΔI_б|. Если и_вх._диф > 0, то приращение тока i_б2 будет положительным, а тока i_б1 — отрицательным. Если в эквивалентной схеме транзистора учитывать сопротив­ление г_э и не учитывать сопротивление r_б , то

Нетрудно заметить, что

С учетом выражений для и_вх.диф и и_{вых.диф} получим

Как известно, при увеличении начального тока в цепи эмиттера величина r_э уменьшается, а при уменьшении увеличивается. Поэтому при увеличении тока i₀ коэффициент К_диф увеличивается. Это позволяет изменять коэф­фициент усиления, изменяя начальный режим работы усилителя.