Схема дифференциального каскада и ее работа при подаче дифференциального и синфазного входных сигналов

В настоящее время наибольшее распространение получили диф­ференциальные (параллельно-балансные или разностные) усилители. Такие усилители просто реализуются в виде монолитных ИС и широко выпускаются отечественной промышленностью (К118УД, КР198УТ1 и др.). Их отличает высокая стабильность работы, малый дрейф нуля, большой коэффициент усиления дифференциального сигнала и большой коэффициент подавления синфазных помех.

На рис. 2.4 приведена принципиальная схема простейшего варианта дифференциального усилителя (ДУ). Любой ДУ выпол­няется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами R_к1 и R_к2, а два других – транзисторами Т₁ и Т₂. Сопротивление нагрузки включается между коллекторами транзисторов, т.е.  в диагональ моста. Сразу отметим, что резисторы R₀₁ и R₀₂ имеют небольшие значения, а часто и вообще отсутствуют. Можно считать, что резистор R_Э подключен к эмиттерам транзисторов. Питание ДУ осуществляется от двух источников, напряжения которых равны (по модулю) друг другу. Таким образом, суммарное напряжение питания ДУ равно 2Е.

Использование второго источника (-Е) позволяет снизить потенциалы эмиттеров транзисторов Т₁ и Т₂ до потенциала общей шины. Это обстоятельство дает возможность подавать сигналы на входы ДУ без введения дополнительных компенсирующих напряжений. При анализе работы ДУ принято выделять в нем два общих плеча, одно из которых состоит из транзистора Т₁ и резистора R_к1 (и R₀₁), второе – из транзистора Т₂ и резистора R_к2 (и R₀₂). Каждое общее плечо ДУ является каскадом ОЭ. Таким образом, можно заключить, что ДУ состоит из двух каскадов ОЭ. В общую цепь эмиттеров транзисторов включен резистор R_Э, которым и задается их общий ток.

Для того чтобы ДУ мог качественно и надежно выполнять свои функции, а также в процессе длительной работы сохранять свои параметры и уникальные свойства, в реальных усилителях требуется выполнить два основных требования. Рассмотрим эти требования последовательно.

Первое требование состоит в симметрии обоих плеч ДУ. По этому требованию необходимо обеспечить идентичность параметров каскадов ОЭ, образующих ДУ. При этом должны быть одинаковы параметры транзисторов Т₁ и Т₂, а также выполнялось условие: R_к1 = R_к2 (и R₀₁ = R₀₂). Если первое требование выполнено полностью, то больше ничего и не требуется для получения идеального ДУ. Действительно, при U_вх1 = U_вх2 = 0 достигается полный баланс моста, т.е.  потенциалы коллекторов транзисторов Т₁ и Т₂ одинаковы, следовательно, напряжение на нагрузке равно нулю. При одинаковом дрейфе нуля в обоих каскадах с общим эмиттером (плечах ДУ) потенциалы коллекторов будут изменяться всегда одинаково, поэтому на выходе ДУ дрейф нуля будет от­сутствовать.

За счет симметрии общих плеч ДУ будет обес­печиваться высокая стабильность при изменении напряжения питания, температуры, радиационного воздействия и т.д. Но как обеспечить симметрию общих плеч в ДУ? На первый взгляд, может показаться, что решить этот вопрос довольно просто. Действительно, всегда можно подобрать пары транзисторов и резисторов с весьма близкими параметрами. Если собрать ДУ на таких дискретных элементах, т, может быть, и будет получен желаемый результат, но только в относительно небольшой промежуток времени.

С течением времени параметры транзисто­ров и резисторов будут изменяться различным образом в соот­ветствии с законами своей собственной структуры, естественно, что на них различным образом будут влиять и внешние факторы, а следовательно, нарушится симметрия плеч со всеми вытека­ющими отсюда последствиями. В конечном счете, можно за­ключить, что на дискретных элементах (изготовленных в разное время и в разных условиях) осуществить выполнение первого требования для ДУ практически невозможно. Это объясняет тот факт, что прекрасные свойства ДУ не нашли должного использования в дискретной электронике.

Приблизиться к выполнению первого основного требования для ДУ позволила микроэлектроника. Ясно, что симметрию общих плеч ДУ могут обеспечить лишь идентичные элементы, в которых все одинаково и которые были изготовлены в аб­солютно одинаковых условиях. Так, в монолитной ИС близко расположенные элементы действительно имеют почти одинаковые параметры. Следовательно, в монолитных ИС первое требование к ДУ почти выполнено.

Второе основное требование состоит в обеспечении глубокой ООС для синфазного сигнала. Синфазными называются одинаковые сигналы, т.е.  сигналы, имеющие равные амплитуды, формы и фазы. Если на входах ДУ (см. рис. 7.4) присутствуют
U_вх1 = U_вх2, причем с совпадающими фазами, то можно говорить о поступлении на вход ДУ синфазного сигнала. Синфазные сигналы обычно обусловлены наличием помех, наводок и т.д.  Часто они имеют большие амплитуды (значительно превышающие полезный сигнал) и являют­ся крайне нежелательными, вредными для работы любого усилителя.

Выполнить второе основное требование позволяет введение в ДУ резистора R_э. Если на вход ДУ поступает сигнал синфазной помехи, например, положительной полярности, то транзисторы Т₁ и Т₂ приотк­роются, и токи их эмиттеров возрастут. В результате, по резистору R_э будет протекать суммарное приращение этих токов, об­разующее на нем сигнал ООС. Нетрудно показать, что R_э образует в ДУ последовательную ООС по току. При этом будет наблюдаться уменьшение коэффициента усиления по на­пряжению для синфазного сигнала каскадов ОЭ (K_исф1 и К_исф2), образующих общие плечи ДУ. Поскольку коэффициент усиления ДУ для синфазного сигнала равен:

К_исф = К_исф1 – К_исф2,

за счет выполнения первого основного требования

К_исф1 ≈ К_исф2

удается получить весьма малое значение К_исф, т.е.  значительно подавить синфазную помеху.

Так как в монолитном ДУ с достаточным приближением можно выполнить оба основных требования, удается не только подавить синфазную внешнюю помеху, но и снизить влияние внутренних факторов, проявляющихся через изменения парамет­ров элементов схемы. Конечно, параметры составляющих каска­дов будут изменяться, но по весьма близким зависимостям, влияние которых будет дополнительно ослабляться наличием ООС.

Теперь рассмотрим работу ДУ для основного рабочего входно­го сигнала – дифференциального. Дифференциальными (противо­фазными) принято называть сигналы, имеющие равные амплиту­ды, но противоположные фазы. Будем считать, что входное напряжение подано между входами ДУ, т.е.  на каждый вход поступает половина амплитудного значения входного сигнала, причем в противоположных фазах. Если U_вх1 в рассматриваемый момент представляется положительной полуволной, то U_{вх2  –} отрицательной.

За счет действия U_вх1 (см. рис. 2.4) транзистор Т₁ приоткрывается, и ток его эмиттера получает положительное приращение ∆I_э1, а за счет действия U_вх2 транзистор Т₂ призакрывается, и ток его эмиттера получает отрицательное приращение (-∆I_э2) В ре­зультате, приращение тока в цепи резистора R_эравно:

∆I_Rэ = ∆I_э1 – ∆I_э1.

Если общие плечи ДУ идеально симметричны, то ∆I_Rэ = 0 и, следовательно, ООС для дифференциального сигнала отсутствует. Это обстоятельство позволяет получать от каждого каскада ОЭ в рассматриваемом усилителе, а следовательно, и от всего ДУ большое усиление. Отсюда происходит и название усилителя – дифференциальный. Так как для дифференциального входного сигнала в любой момент напряжения на коллекторах транзисто­ров Т₁ и Т₂ будут находиться в противофазе, то на нагрузке происходит выделение удвоенного выходного сигнала. Итак, резистор R_э образует ООС только для синфазного сигнала.

Поскольку в реальных ДУ идеальную симметрию плеч осущест­вить нельзя, то R_э все же будет и для дифференциального сигнала создавать ООС, но незначительной глубины, причем чем лучше симметрия плеч, тем меньше ООС. Небольшую последовательную ООС по току задают в каскадах ДУ с по­мощью резисторов R₀₁ и R₀₂. Как отмечалось ранее, эти резисторы имеют небольшие номиналы, поэтому создаваемая ими ООС невелика и существенно не влияет на усилительные свойства ДУ.

Таким образом, при выполнении в ДУ двух основных требова­ний он обеспечивает стабильную работу с малым дрейфом нуля, с хорошим усилением дифференциального сигнала и со значитель­ным подавлением синфазной помехи. В зависимости от того, как подключены в ДУ источник входного сигнала и сопротивление нагрузки, следует различать схемы его включения.