Основные параметры

Дифференциальный усилитель (ДУ) приведен на рисунке 3.6..2. Он

имеет два входа и в общем случае два выхода и служит для усиления разности напряжений, подаваемых на его входы:

ДУ усиливает сигнал, как правило, с постоянной составляющей, т, е. является усилителем постоянного тока (УПТ).

Параметры плеч ДУ одинаковы (R_К1 = R_К2 = R_К), транзисторы Т1 и Т2 идентичны. Общей эмиттерной нагрузкой транзисторов Т1 и Т2 является резистор R_Э. Совместно с источником Е_Эонобразует генератор тока I₀. Нагрузка может подключаться к одному из выходов (несимметричный выход) или между коллекторами транзисторов (симметричный выход). При симметричном выходе плечи ДУ (резисторы R_К1 , R_К2 и транзисторы Т1 ,и Т2) образуют сбалансированный мост, в диагональ которого включается нагрузка.

Получение хорошей симметрии плеч ДУ при выполнении его на дискретных элементах затруднено, особенно в широком диапазоне температур. Поэтому транзисторные ДУ не получили широкого распространения. С переходом к интегральной технологии высокая симметрия плеч ДУ в широком диапазоне температур достигается согласованием параметров транзисторов и резисторов технологическим путем. Благодаря этому ДУ получили широкое распространение в АИС.

Рассмотрим принцип работы и получим основные усилительные параметры ДУ. Для этого представим входные сигналы в виде синфазных и дифференциальных (разностных) составляющих:

(3.6.3)

(3.6.4)

Полусумма

(3.6.5)

называется синфазным входным напряжением (е_СФ, U_ВХ.СФ), а полуразность

(3.6.6)

дифференциальным входным напряжением (е_Д, U_ВХ.Д).

С учетом принятых определений входные сигналы можно представить следующим образом:

(3.6.7)

(3.6.8)

Как видно из выражений (3.6.7), (3.6.8), синфазные входные напряжения имеют одинаковую величину и полярность, а дифференциальные - одинаковую величину и разную полярность.

Пример1. Пусть е_Г1 = 0,6В и е_Г2 = 0,3В. Тогда е_СФ = 0,45В и е_Д=0,15В. Если е_Г1 = 0,4В и е_Г2 = 0,1В. Тогда е_СФ = 0,25В и е_Д=0,15В.

В этих примерах дифференциальные сигналы одинаковы, а синфазные - разные. Синфазное входное напряжение е_СФ - это уровень на входах, относительно которого подаются дифференциальные сигналы на первый вход (U_ВХ.Д1= U_ВХ.Д ) и на второй вход (U_ВХ.Д2= -U_ВХ.Д).

Представим, таким образом, выходные напряжения через синфазные и дифференциальные составляющие. При этом будем учитывать, что выходные напряжения содержат постоянную составляющую U_ВЫХ.01= U_ВЫХ.02= U_ВЫХ.0, которая имеет место при е_Г1 = е_Г2 = 0. С учетом этого переменные составляющие выходных напряжений принимают вид:

(3.6.9)

(3.6.10)

Полные значения выходных напряжений с учетом постоянной составляющей U_ВЫХ.0 определяются соотношениями:

Введем понятия коэффициентов усиления (передачи): коэффициент передачи синфазного напряжения

или

коэффициентусиления дифференциального напряжения

или

Оцределим основные параметры ДУ. Для этого рассмотрим три случая.

1. Входные напряжения равны нулю, е_Г1 = е_Г2 = 0(рис. 3.6.3-а). В этом случае е_СФ = 0В и е_Д=0Ви, следовательно, U_ВЫХ.СФ = 0 и U_ВЫХ.Д = 0, а U_ВЫХ.1 = U_ВЫХ.2 = U_ВЫХ.0. Можно определитьU_ВЫХ.0.Прие_Г1 = е_Г2 = 0оба транзистора открыты и общий эмиттерный ток I₀ делится поровну между ними:

Тогда коллекторные токи будут

Зная коллекторные токи, можно определить

Тогда

(3.6.11)

2. На входы поданы только синфазные сигналы (рис. 3.6.3-б)Пусть , е_Г1 = е_Г2 =е_СФ > 0, а е_СФ=0Тогда эмиттерные токи транзисторов Т1 и Т2(под действием сигнала е_СФ >0 получают приращения

Последнее соотношение позволяет представить ДУ в виде одного каскада ОЭ с эмиттерной нагрузкой 2R_Э (рисунок 3.2.6). Коэффициент усиления такого каскада по аналогии с каскадом ОЭ определяется соотношениями:

(3.6.12)

(3.6.13)

Выражения (3.6.12), (3.6.13) справедливы при R_Н >> R_К Если сопротивление нагрузки R_Н сравнимо с R_К, то вместо R_К надо учитывать эквивалентное сопротивление нагрузки

Из выражений (3.6.12), (3.6.13) видно, что с увеличением R_Э коэффициент передачи синфазного сигнала К_еСФ, К_СФ уменьшается. Это объясняется действием отрицательной обратной связи, создаваемой резистором R_Э.

Синфазное выходное напряжение U_ВЫХ.СФ(рис. 3.6.3,-б) определяется соотношением

3. На входы поданы, только дифференциальные сигналы (рис. 3.6.3 - в). Пусть е_Г1 = - е_Г2 . И пусть е_Г1>0. Тогда е_СФ= 0, а е_Д1 = е_Г1>0, е_Д2 = е_Г2< 0. Ток I_Э1 возрастет на ∆I_Э1 а ток I_Э2 уменьшится на ∆I_Э2. Приращение общего эмиттерного тока ∆I₀ составит ∆I₀= ∆I_Э1 -∆I_Э2 и при симметрии плеч ДУ

∆I_Э1 = ∆I_Э2 и ∆I₀ = 0.

Падение напряжения на резисторе R_Э от дифференциального сигнала ∆U_ЭД = ∆I₀R_Э= 0. Это означает, что резистор R_Э не создает отрицательной обратной связи для дифференциального сигнала и позволяет представить каждое из плеч ДУ в виде каскада ОЭ (рис. 3.2.4). Тогда коэффициент усиления дифференциального сигнала

(3.6.14)

(3.6.15)

Из выражений (3.6.14), (3.6.15) видно, что коэффициент усиления дифференциального сигнала не зависит от R_Э и три большом сопротивлении R_Э К_е.Д>>К_е.СФ(К_е.Д>>К_е.СФ). Другими словами, ДУ усиливает дифференциальное входное напряжение и ослабляет синфазное.

Зная коэффициенты усиления К_еСФ (или К_СФ), К_е.Д (или К_Д) и постоянную составляющую выходного напряжения U_ВЫХ.0 можно определить полные выходные напряжения ДУ:

Выходные напряжения, кроме дифференциальной составляющей К_е.Де_Д,являющейся полезным сигналом, содержат синфазную составляющую, которая является ошибкой.

Для уменьшения синфазного сигнала применяют симметричный выход. При этом выходное напряжение

(3.6.16)

где индексами «1» и «2» обозначены коэффициенты усиления и постоянные составляющие выходных напряжений левого и правого плеч ДУ соответственно. При симметрии плеч выходное напряжение содержит только разностный сигнал

Реальный усилитель всегда имеет асимметрию плеч. Поэтому даже при симметричном выходе выходное напряжение содержит синфазный сигнал и разность постоянных составляющих, которые являются ошибками, а при несимметричном выходе синфазный сигнал на каждом из выходов будет значительно больше. Для уменьшения погрешностей надо ослаблять (подавлять) синфазный сигнал и стабилизировать уровни выходных напряжений U_ВЫХ01 и U_ВЫХ02 . Ослабление синфазного сигнала количественно оценивают коэффициентом ослабления «синфазных входных напряжений

или

Из соотношений (3.128), (3.129), (ЗЛЗО) и (3.131) получаем

(3.6.17)

а при R_Г=0

(3.6.18)

Из выражений (3.6.17), (3.6.18) видно, что с увеличением сопротивления резистора R_Э возрастает коэффициент ослабления. Для получения большого коэффициента ослабления вместо резистора R_Э включают стабилизатор тока на транзисторах ТЗ, Т4 (рисунок 3.6.4). При низкоомном делителе R4, R5, когда R4R5/ (R4+R5)<<(b₀+1)R3, транзистор Т3 включен по схеме, близкой к ОБ, и динамическое сопротивление стабилизатора определяется сопротивлением коллекторного перехода транзистора ТЗ, т. е. R_СТ=r_K. Подставляя в выражения (3.6.17), (3.6.18) вместо R_Э сопротивление r_К, можно записать

(3.6.19)

а при R_Г =0

(3.6.20)

Пример. Пусть R_Г = 200 Ом, r_Б = 300 Ом, R_Э = 1 кОм, r_Э =10 Ом, α₀ = 0,98, r_К =1 МОм. Тогда для ДУ без стабилизатора тока из выражения (3.6.18)

или К_ОСЛ(дБ) = 40 дБ