Схема дифференциального каскада

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Лекция 10. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ И ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Схема дифференциального каскада

Дифференциальный усилитель представляет собой симметричный усилитель постоянного тока с двумя входами и двумя выходами, в общую цепь которого включен генератор тока. Основная схема дифференциального усилителя представлена на рис.3.1.

Рис.3.1. Основная схема дифференциального усилителя

Для того, чтобы характеристики дифференциального усилителя в наиболее полной мере отвечали теоретически достижимым значениям, необходимо добиться высокой идентичности параметров элементов, включенных в оба его плеча. Если это так, то при одинаковых напряжениях на входах токи в коллекторах равны I_к1 = I_к2. Сумма эмиттерных токов должна быть равна току генератора тока I₀. Генератор тока задает токи в обоих плечах усилителя, так как

I_э1 + I_э2 = I₀ .

Пренебрегая малым базовым током, можно считать, что в силу полной симметрии I_к1 = I_к2 = I₀/2. Тогда равны и потенциалы коллекторов обоих транзисторов равны

.

Очевидно, что в этом случае разностное напряжение U_вых, снимаемое с выходов равно нулю. Одновременное изменение U_вх1 и U_вх2 на одну и ту же величину при неизменном значении тока I₀ не изменит состояние усилителя. При несимметричном изменении напряжения на входах на выходе будет напряжение U_вых ¹ 0. Сумма коллекторных токов останется неизменной только в том случае, когда приращения коллекторных токов равны по величине и противоположны по знаку. Исходя из сказанного, работу дифференциального усилителя можно рассматривать в двух независимых режимах: в режиме синфазного сигнала и в режиме дифференциального (разностного) сигнала.

Синфазный сигнал – это одновременное изменение на одну и ту же величину входных напряжений в обоих плечах усилителя. Режим синфазного сигнала соответствует подключению обоих входов к источнику синфазного сигнала (рис.3.2,а), равного

.

а) б)

Рис.3.2. Дифференциальный усилитель в режиме синфазного (а)

и разностного (б) сигналов

Изменение напряжения U_бэ под воздействием температуры можно рассматривать как синфазный сигнал. Синфазный сигнал не меняет режима работы идеального дифференциального усилителя и разностное напряжение на выходе при синфазном сигнале равно нулю. Так в практических схемах невозможно добиться идеальной симметрии плеч и генератор тока в цепи эмиттеров по своим характеристикам лишь приближается к идеальному генератору тока, то в реальных схемах принимают меры к подавлению синфазного сигнала до определенного значения.

Дифференциальный сигнал – это одновременное изменение входных напряжений на одну и ту же величину, но разных знаков:

.

В режиме дифференциального сигнала усилитель подключен к двум различным источникам напряжения, равным по величине, но противоположным по знаку (рис.3.2,б).

Произвольные сигналы на входах дифференциального усилителя можно представить комбинацией синфазного и разностного сигналов

U_вх1 = U_сф + U_р ; U_вх2 = U_сф – U_р .

В реальных условиях при произвольных значениях входных напряжений на входах усилителя возникает синфазная и разностная составляющие. Усиление разностного и синфазного сигналов различно.

Положим U_сф = 0 и U_вх1 = - U_вх2 = U_p. В этом случае приращение коллекторных токов произойдет на одну и ту же величину, но с разными знаками. Поэтому падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока r_i не изменится и, следовательно, не изменится потенциал общей точки Э (рис.3.3). Таким образом, оба плеча дифференциального усилителя независимы друг от друга и коэффициент усиления разностного сигнала K_р по соответствующим плечам будет равен коэффициенту усиления усилителя с общим эмиттером

;

,

где S – крутизна усилительной характеристики каждого транзистора.

Рис.3.3. Принцип усиления разностного сигнала

При наличии на входах U_р = 0 и U_вх1 = U_вх2 = U_сф изменение коллекторных токов обоих транзисторов произойдет на одну и ту же величину как по значению, так и по знаку. Поэтому возникает падение на r_i, и меняется потенциал точки Э. Из симметрии схемы следует, что в цепи эмиттера каждого усилителя включено сопротивление 2r_i (рис.3.4.). Таким образом, коэффициент усиления синфазного сигнала будет равен

.

Рис.3.4. Принцип усиления синфазного сигнала

Выходное напряжение U_вых усилителя при произвольных напряжениях на входах будет равно

где K_оос = K_р/K_сф – коэффициент ослабления синфазного сигнала.

Качество дифференциального усилителя оценивается значением K_оос. Типичным значением этого коэффициента является K_оос = 10⁵ или 100 дБ.