Анализ дифференциального усилителя.

Дифференциальные цепи позволяют реализовать УПТ с ничтожно малым дрейфом нуля. Рассмотрим важнейшие свойства дифференциальной цепи, в которой нагрузочное устройство, подключая ют к внутренней диагонали моста (точкам а и 6), как показано на рис. 11.12, а.

Балансировка (равновесие) моста по постоянному току обеспечивается выполнением условия

(11.3)

Тогда для потенциалов точек а и б диагонали моста имеем

φ_a= φ_b

Рис. 11.12. Мостовая дифференциальная схема (а) и ее транзисторный аналог (б)

В результате ток через нагрузочное устройство при балансе моста

Особенности дифференциальных цепей состоят в следующем: изменение параметров источника питания не нарушает условия балансировки (19.3); при пропорциональном изменении параметров резисторов смежных плеч R₁ и R₂ или R₃ и R₄ балансировка также не нарушается. Все это позволяет значительно улучшить характеристики УПТ.

При анализе дифференциальных цепей пользуются понятиями синфазного и противофазного (несинфазного, парафазного) сигналов. Синфазными называют сигналы равной амплитуды и одного знака (фазы), воздействующие на взаимно симметричные участки дифференциальной цепи; противофазными — сигналы равной амплитуды, но противоположного знака, воздействующие на те же симметричные участки цепи. Нетрудно заметить, что особенности дифференциальных цепей обусловливают их стойкость к синфазным воздействиям.

Простейший дифференциальный усилитель может быть получен из рассмотренной дифференциальной цепи (рис. 11.12, а) заменой в ней резисторов R₃ и R₄ транзисторами VT₁ и VT₂, как показано на рис. 11.12, б. В микроэлектронном исполнении УПТ транзисторы VT₁ и VT₂ выполняются в едином кристалле полупроводника и потому сохраняют одинаковые параметры в широком температурном диапазоне. В этом случае несложно обеспечить идентичность параметров и для резисторов R₁ и R₂.

Для возможности как синфазного, так и противофазного управления каскадом необходимо питать его от сдвоенного источника питания с заземленной средней точкой.

Рассмотрим работу дифференциального усилителя (см. рис. 11.12,6) при различных видах воздействия на его входы, один из которых u_вх1 назовем прямым, а другой u_вх2 — инвертирующим (инвертирует входной сигнал по фазе).

При воздействии сигнала на прямой (неинвертирующий) вход 1 (u_вх1>0, u_вх2=0) транзистор VT₁ открывается и его коллекторный ток i_к1 возрастает, вызывая снижение потенциала φ_a (за счет увеличения падения напряжения на резисторе R₁). Поскольку потенциал φ_б остается неизменным, через резистор R_н будет протекать ток i_н, создавая на нем выходное напряжение u_н, совпадающее по фазе с напряжением u_вх1.

При воздействии сигнала на инвертирующий вход 2 (u_вх1=0, u_вх2>0) открывается транзистор VT₂, а следовательно, происходит рост тока i_к2, что вызывает изменение направления тока нагрузки i_н. Выходное напряжение u_н меняет фазу на противоположную.

Рис. 11.13. Представление управляющего воздействия на входы ОУ в виде суммы двух сигналов.

В случае противофазного воздействия на входы сигналом u₁₂ (показано на рис. 11.12, б пунктиром) этот сигнал можно выразить в виде разности частных воздействий на транзисторы VT1 и VT2, т. е.

В результате такого дифференциального воздействия (отсюда и название — дифференциальный усилитель) транзистор VT₁ открывается, а VT₂ закрывается. Соответственно потенциал φ_a понижается (из-за сигнала uвх1), а потенциал φ_б повышается (из-за сигнала u_вх2). Поэтому имеет место более существенное увеличение выходного напряжения u_н чем при воздействии только сигнала uвх1 или u_вх2.

Рассматривая дифференциальный усилитель в классе усиления А и учитывая его схемную симметрию, можно полагать, что входное воздействие u₁₂ распределяется поровну между входами транзисторов VT₁ и VT₂. Это обусловливает одинаковые изменения их коллекторных токов, а потому выходное напряжение схемы

где ∆u_к1 и ∆u_к2 — изменения коллекторных потенциалов точек а и 6 соответственно.

Любую комбинацию входных сигналов дифференциального усилителя можно представить в виде алгебраической суммы синфазного и противофазного сигналов (рис. 11.13), т. е.

Рис. 11.14. Передаточные характеристики дифференциального усилителя при отсутствии (а) и наличии (б) дрейфа нуля: 1 —неинвертирующий вход усилителя; 2 — инвертирующий вход

Отсюда синфазная и противофазная составляющие входного сигнала

Аналогичный подход справедлив и для выходного напряжения u_н, которое можно также представить в виде синфазной u_н с_ф и противофазной u_{н пф} составляющих.

Передаточная характеристика дифференциального усилителя инвертирующего и неинвертирующего входов при выполнении условия (11.3) имеет вид, приведенный на рис. 11.14, а. Одной из важнейших особенностей дифференциального усилителя является возможность получения на нагрузочном устройстве разнополярного напряжения, что значительно расширяет возможности усилителя.

В заключение следует отметить, что возможности современной технологии не позволяют обеспечить в дифференциальных усилителях точного выполнения условия балансировки (11.3), что приводит к смещению передаточных характеристик на величину напряжения смещения (U_см) и конечному значению дрейфа нуля (рис. 11.14, б).