Дифференциальные усилители

RК 2

Дифференциальный усилитель – это балансный (мостовой) усилитель постоянного тока с параллельным включением транзисторов с одинаковыми характеристиками (рис. 11.4, а), в котором коллекторные сопротивления R_{К 1} и R_{К 2} и внутренние сопротивления транзисторов VT 1 и VT 2 образуют плечи моста. Резистор R_{К 0} служит для балансировки каскада (установки нуля). Цепи смещения транзисторов не показаны.

Рис. 11.4. Дифференциальный усилитель:

а – с симметричным входом и выходом; б – график сигналов ОУ;

в - с несимметричным входом и выходом.

Если левая и правая части усилителя с симметричным входом и выходом идентичны, то повышение (понижение) температуры или напряжения питания вызывает одинаковое изменение коллекторных токов в обоих транзисторах, потенциалы коллекторов u_{К 1} и u_{K 2} изменяются почти одинаково и, следовательно, выходное напряжение u_вых останется неизменным. При этом дрейф (медленное, самопроизвольное изменение исходного (нулевого) выходного напряжения) в усилителе составляет 30…100 мВ в диапазоне изменения температуры от 10 °С до 60 °С.

При использовании полевых транзисторов дрейф по напряжению может быть примерно 0,05…0.3 мВ/град при T < 100 °С.

Дрейф напряжения определяет чувствительность усилителя, т. е. минимальный сигнал на его входе, который будет различим на выходе. Следовательно, снижение дрейфа нуля сопровождается повышением чувствительности усилителя. Заметим, что дрейф нуля не отличим от усиленного полезного разностного сигнала и может вызвать срабатывание устройства, подключенного к выходу усилителя.

Для уменьшения дрейфа напряжения в общую эмиттерную цепь транзисторов включают резистор с большим сопротивлением R_Э >> h ₁₁, который служит для стабилизации эмиттерного тока I_Э = I_{Э 1} + I_{Э 2} транзисторов VT ₁ и VT ₂, или включают генератор стабильного тока с большим сопротивлением переменному току и малым - постоянному току. При изменении температуры потенциал точки а (см. рис. 11.4, а) изменяется незначительно, токи I_{К 1} и I_{К 2} практически не изменяются, как и напряжения u_{K 1} и u_{K 2}.

В общем случае на входы ОУ поступают соответственно напряжения u_{вх 1} и u_{вх 2}. Из них выделяют синфазный u_сф и дифференциальный (разностный) u_диф = u_{вх 1} - u_{вх 2} сигналы (рис. 11.4, б). Синфазный сигнал u_сф = (u_{вх 1} + u_{вх 2})/2 соответствует равным по значению и одинаковым по знаку напряжениям, приложенным к обоим входам. Синфазные входные сигналы могут составлять несколько вольт, вплоть до напряжений, близких к U_п, а дифференциальные - меньше U_п /2 K_u, где K_u – коэффициент усиления напряжения усилителя.

Пусть потенциал одного вывода относительно напряжения u_сф выше, а другого – ниже на Du. Тогда дифференциальный (разностный) сигнал u_диф = 2 Du = u_{вх 1} - u_{вх 2}. Например, если u_{вх 1} = 1,024 В, а u_{вх 2} = 1,02 В, то синфазный сигнал u_сф = (1,024 + 1,02)/2 = 1,022 В, а дифференциальный u_диф = = 1,024 - 1,02 = 0,004 В = 4 мВ.

Одинаковое по знаку и синфазное изменение токов плеч (синфазная помеха) не вызывает разбалансирование моста и выходное напряжение отсутствует, дифференциальный каскад усиливает только разностный сигнал u_диф, поскольку на базы транзисторов поступают напряжения разных знаков, приводящие к изменению токов эмиттеров. Отсюда название каскада – дифференциальный усилитель. Относительно изменения напряжения u_{вх 1} напряжение u_{K 2} изменяется в фазе (синхронно, не инвертируется), а напряжение u_{K 1} изменяется в противофазе, инвертируется.

Дифференциальные усилители с симметричным входом и выходом широко применяются в быстродействующих коммутаторах, кодерах и декодерах и в аналоговых вычислительных машинах.

Дифференциальный усилитель используется также, когда требуется усилить не разность напряжений между базами транзисторов, а только входное напряжение, например u_{вх 1}(рис. 11.4, в). При этом один из входов заземляют. Если используется напряжение u_{K 2}, то такую схему называют дифференциальным усилителем с несимметричным входом и выходом.