fon1

Дифференциальный усилитель: виды и работа.

Схема дифференциального усилителя (ДУ) известна еще с 30-х годов прошлого столетия. Такое название усилитель получил от латинского слова "differentia" - "разность".
Принцип работы дифференциального усилителя (рис.1) состоит в том, что усилитель, имея два входа, усиливает разность напряжений приложенных к ним. В транзисторных схемах он используется в качестве первого каскада в некоторых специальных усилителях.
Это симметричная (мостовая, балансная) схема состоящая из внутренних сопротивлений двух идентичных усиливающих транзисторов R(VT1),R (VT2) и коллекторных резисторов Rк1, Rк2 (рис.1б). Условием баланса моста, при котором выходное напряжение на нагрузке Rн равняется нулю, является сохранение следующего равенства отношений:
R(VT1)/Rк2 = R(VT2)/Rк1
diff usilitel1 По сравнению с обычными усилителями дифференциальный усилитель имеет ряд преимуществ: два входа, два выхода и симметричный выход; у него очень хорошая температурная стабильность, значительный коэффициент усиления и способность усиления малых сигналов при наличии больших помех.
Но эти замечательные свойства ДУ возможны только при отличной симметрии обоих плеч усилителя. Сложность заключается в том, что симметрия должна быть не только при данной температуре (что делается довольно таки легко), а в диапазоне температур - например, от -20°С до +50°С. Это означает что основные параметры двух транзисторов должны быть одинаково зависимыми в этих границах температур. При использовании дискретных (отдельных) транзисторов такую симметрию получить практически невозможно. Поэтому в дискретной схемотехнике использование ДУ ограничен.
При развитии интегральных микросхем (ИС) решился вопрос о симметрии двух транзисторов. В микросхемах они одновременно производятся на одном и том же кристалле или пленке по одинаковой технологии. Даже при неправильном размещении фотошаблона транзисторы наносятся одинаково как два смежных элемента. Кроме того, они расположены рядом друг с другом, что обеспечивает одинаковый температурный режим. Следовательно, их температурные изменения в относительно широких интервалах таким же образом влияют и на их параметры.

На рис.2 изображен дифференциальный усилитель с дискретными транзисторами, которые запитываются от одного источника тока Е, где базовые резисторы R1' - R2' и R1" - R2", а также и Rэ обеспечивают необходимые напряжения на VТ1, VТ2. Сопротивление Rн равен сопротивлению нагрузки следующего каскада после ДУ.
Благодаря разделительным конденсаторам С1 и С2 постоянное напряжение от источников сигналов не попадает на вход ДУ. Но т.к. конденсаторы имеют значительную емкость, а в интегральном исполнении они не выполняются, поэтому должны быть удалены из схемы дифференциального усилителя в ИС. Однако в такой схеме, без конденсаторов на входах, постоянное напряжение смещения на базах будет влиять на режим транзисторов источников сигнала, что неприемлемо.
Выход из этой ситуации есть - питать дифференциальный усилитель от симметричного источника тока с общей средней точкой. Тогда убираются базовые делители и на двух базах будут нулевые потенциалы относительно заземленной средней точки (рис.2).
diff usilitel2 В идеальном ДУ мост, образованный из плеч VТ1, Rк1 и VТ2, Rк2, будет сбалансирован, если эти транзисторы полностью идентичны и их температурные параметры будут одинаково зависить от температуры, а коллекторные резисторы удовлетворять условию:
Rк1 = Rк2 = Rк.
Тогда коллекторные токи покоя будут одинаковы:
Iкп1 = Iкп2 = Iкп.
Величину Iкп выбирают в зависимости от предназначения ДУ. Обычно этот ток составляет 1-2 мА, а при необходимости, для создания большого входного сопротивления и низкого уровня шумов, его уменьшают до 50-100 мкА.
Нулевой потенциал на базах достигается путем выбора Iкп, величин Rк и Rэ, а также напряжений Е1 и Е2 (обычно Е1 = Е2). При режиме покоя величина Е2 слагается из двух напряжений:
Е2 = Uбэп + 2IэпRэ.
Через Е1 протекает ток 2Iкп, а через Е2 - 2Iэп, который будет немного больше на величину тока базы:
2Iэп = 2Iкп + 2Iбп.
Для большого входного сопротивления ДУ выбирают транзисторы с большим коэффициентом усиления β и малым Iбп = 1 ÷ 10 мкА.

Симметричный и несимметричный входы.

Понятия о симметричных и несимметричных входах и выходах связаны с переменной составляющей сигналов.
diff usilitel3 Когда выводы сигнала генератора подключены на две базы, и ни один из выводов по переменному току не заземлен, тогда вход у ДУ - симметричный. В этом случае можно мысленно провести ось симметрии в дифференциальном усилителе и середине генератора, которая имеет нулевой потенциал по переменному току (рис.3а). В качестве примера на рис.3б показан симметричный индуктивный ввод.
Когда генератор включен на одну из баз и шасси, а вторая база заземлена, вход является несимметричным (рис.3в,г,д,е.). В таком случае на одну базу будет подано переменное напряжение сигнала, а на вторую базу - постоянный нулевой потенциал.

Симметричный и несимметричный выходы.

diff usilitel4

При одновременной подаче выходных сигналов с двух коллекторов на нагрузку - это симметричный выход (рис.4а). Когда на нагрузку подается выходной сигнал с любого коллектора с одной стороны, и нулевой потенциал средней точки с другой стороны, тогда выход дифференциального усилителя считается несимметричным (рис.4б,в).

Дифференциальный входной сигнал.

В ДУ возможно подача двух видов входных сигналов: дифференциальный и синфазный.
Дифференциальный - это такой входной сигнал Uдиф , при котором его половина Uдиф/2 подаётся относительно общей точки схемы на один вход, а другая половина подаётся в противофазе на второй вход (рис.2) и равен разнице между напряжениями сигналов по отношению к корпусу:
Uдиф = Uвх1 - Uвх2.
Для дальнейшего удобства предполагаем, что дифференциальный сигнал подается от генератора.
diff usilitel5 При симметричных входах (рис.5а) синусоидальный сигнал в противофазах подается на две базы, который попеременно открывает и закрывает транзисторы: когда один открывается - другой закрывается, и наоборот.
На несимметричные входы сигнал также подается на базы, только одна из баз заземлена (рис.5б). При этом сигнал генератора попеременно открывает VT1 и, одновременно паявившееся падение напряжение на Rэ, закрывает VT2.
Этот процесс можно представить в виде, как на рис.5в, где транзисторы заменены двумя спаренными переменными резисторами на одной оси, которые при вращении оси меняют сопротивления в противоположных направлениях. При этом выходные напряжения резисторов (транзисторов) будут меняться, но сумма этих напряжений Uвых на нагрузочном резисторе будет постоянным.

Синфазный входной сигнал.

Синфазными называются такие сигналы, которые, имеющие одинаковую амплитуду и фазу, одновременно присутствуют на обоих входах дифференциального усилителя (рис.6а). Этот сигнал будет равен полусумме сигналов, действующих на обоих входах ДУ (рис.6б):
Uсф = (Uвх1 + Uвх2)/2
diff usilitel6 Здесь тоже предположим, что генератор включается между связанными базами и шасси. Тогда синфазный сигнал одновременно или открывает, или закрывает транзисторы.
Эквивалентная схема (рис.6в) будет похожа, как при дифференциальном входном сигнале, только здесь переменные резисторы одновременно одинаково меняют сопротивления. Вследствие этому после резисторов (транзисторов), при идеальной симметрии схемы ДУ, на коллекторах будут одинаковые потенциалы относительно средней точки и, значит, разность потенциалов Uвых будет равно нулю.
На практике, в отличии от полезного дифференциального сигнала, который поступает на входы ДУ в противофазе, могут действовать синфазные помехи (шумы), совпадающие по фазе. Появление этих помех обусловленно, например, температурными шумами транзисторов,наводками внешних электромагнитных полей и др. Поэтому дифференциальный усилитель должен эти помехи полностью подавлять, т.е. как можно больше усиливать дифференциальный сигнал и как можно меньше - синфазный.
Рассмотрим особенности дифференциальных усилителей в комбинациях с различными видами входных сигналов и выходов усилителей.

Свойства дифференциального усилителя с симметричным выходом.

1.С дифференциальным входным сигналом.

На рис.7а,б приведены схемы ДУ с дифференциальным входным сигналом, где в разные полупериоды входного сигнала показаны пути прохождения переменного тока с указанием их направлений (голубые стрелки).
Как видно на рис.7а,что когда на вход VT1 подается сигнал от генератора, то в первом полупериоде положительная его фаза открывает Т1, а отрицательная - закрывает Т2. В результате, в этот момент, коллекторное напряжение на T 1 будет отрицательным, а на T2 - положительным (обозначение полярности напряжения в кружочке).
diff usilitel7 При втором полупериоде (рис.7б) происходит все в точности наоборот: Т1 закрывается, Т2 открывается, а коллекторные напряжения на Т1 положительное, на Т2 - отрицательное. Нагрузкой коллекторных токов являются сопротивления Rн и 2Rк = Rк1 + Rк2, включенных параллельно. Тогда их общее сопротивление равно:
Rт сим = 2RкRн/(2Rк + Rн).
В этом случае дифференциальный усилитель ведет себя как генератор переменного тока с внешним возбуждением и параллельной нагрузкой.
На рисунках видно, что в каждый полупериод переменные токи противофазны (красные стрелки) и, при полной симметрии, компенсируют друг друга. Поэтому через резистор Rэ и источники тока Е1, Е2 переменный ток не течет.
На рис. 7а,б показываются только входные и выходные цепи переменного тока. Переменное выходное напряжение на обоих концах нагрузки равно разнице между напряжения на обоих выходов:
Uвых диф сим = Uвых1 - Uвых2
Когда общее сопротивление коллекторных токов Rт сим < 10 кОм анализ показывает, что коэффициент усиления по напряжению при симметричном выходе. равно:
Ku диф.сим ≈ h21эRт/h11э = h21эRкRн/h11э(2Rк + Rн) = 0,5SRт сим,
где h21э - коэффициент передачи тока транзистора с ОЭ;
h11э - входное сопротивление;
S = h21э/h11э - крутизна ВАХ транзистора в рабочей точке.
При отключенной нагрузке, когда Rн = ∞, получаем Ku диф.сим = SRк, а эта формула аналогична выражению для определения коэффициента усиления усилителя по схеме с ОЭ. Из формул видно, что резистор Rэ в них не фигурирует и не влияет на усиление ДУ.
В усилителе с симметричным входом входной сигнал проходит в течении периода через два транзистора, включенных с ОЭ. Поэтому входное сопротивление по переменному току равно:
Rвх диф сим = 2Rвх тр оэ = 2h11э,
а выходное сопротивление
Rвых диф сим = 2Rк.

2.С синфазным входным сигналом.

Схема такого ДУ показана на рис.8. Здесь входные цепи обеих транзисторов включены параллельно генератору. diff usilitel8 При подаче положительной полуволны входного напряжения на базы транзисторов идеально симметричного дифференциального усилителя они открываются и на коллекторах появляются одинаковые напряжения Uвых1 и Uвых2, и, поэтому, на выходе синфазное напряжение будет равно:
Uсф вых = Uвых1 - Uвых2 = 0.
А если нет выходного напряжения, значить ДУ не усиливает синфазное входное напряжение и поэтому:
Ku сф = 0.
При отрицательной полуволне входного напряжения транзисторы закрываются и на коллекторах нет напряжений.

3.Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС).

Как уже упоминалось, хороший ДУ должен как можно больше усиливать дифференциальный сигнал и, как можно меньше - синфазный. Для определения качества работы дифференциального усилителя применяется коэффициент ослабления синфазного сигнала , который равен отношению коэффициентов усиления:
КОСС = Кu диф/Кu сф - в безразмерной величине и
КОСС = 20 lg(Кu диф/Кu сф) дб - в дицебелах.
В идеальном случае Ku сф = 0 и поэтому КОСС будет бесконечно большим. Но в реальности КОСС = 103 ÷ 106.

Дифференциальный усилитель с несимметричным выходом.

Схема с несимметричным выходом применяется, как правило, для согласования дифференциального усилителя с каскадами, выполненными на одиночных транзисторах. При этом резистор в цепи транзистора, не связанного с выходом усилителя, в общем случае может отсутствовать. Если к дифференциальному усилителю необходимо подключить каскад с несимметричным выходом, напряжение неиспользуемого входа, как правило, фиксирует на неизменном уровне. Для этой цели может быть использован дополнительный делитель напряжения.

1.С дифференциальным входным сигналом.

diff usilitel9

Такая схема приведена на рис.9, где выходной сигнал берется с коллектора VT1. В коллекторе VT2 резистора R2 может и не быть. Тогда входное сопротивление VT1 равно:
Rт нес = RкRн/(Rк + Rн).
При Rн ≤ 10 кОм основные зависимости будут следующие:
Кu диф нес ≈ 0,5h21к·Rк·Rн/h11э(Rк + Rн) = 0,5SRт нес,
Rвх диф нес = 2h11э,
Rвых диф нес = Rк.

2.С синфазным входным сигналом.

diff usilitel10

Для такого вида включения показана схема на рис.10. В этом случае входное сопротивление VT1 такое же, как и при дифференциальном входе:
Rт нес = RкRн/(Rк + Rн).
При Rн ≤ 10 кОм выполняются следующие основные зависимости:
Ku сф нес = SRн/(1 + 2SRэ) ≈ Rн/2Rэ,
Rвх сф нес = 0,5h11э(1 + 2SRэ),
Rвых сф нес = Rк,
КОСС ≈ 1 + 2SRэ.

Теперь, зная, как работает дифференциальный усилитель, рассмотрим случай , когда на ДУ подается полезный и синфазный (помеха) сигналы (рис.11).
diff usilitel11 В этом примере входной импульс имеет только положительную амплитуду. Чтобы подавить помеху, необходимо однофазный входной сигнал преобразовать в дифференциальный. Для этого его инвертируют и подают вместе с не измененным входным сигналом на диффенциальные входы ДУ. Одновременно на вход будет действовать наведенный через входные цепи синфазный сигнал помехи, который складывается с полезным сигналом. ДУ вычитает уже разнофазные импульсы помехи, а полезный сигнал снимается с положительного несимметричного выхода.

<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet