Схемы включения дифференциального усилителя

Можно выделить четыре схемы включения ДУ:

1) симметричный вход и выход;

2) симметричный вход и несимметричный выход;

3) несимметричный вход и симметричный выход;

4) несимметричный вход и выход.

Рассмотрим их последовательно при воздействии рабочего входного сигнала.

1. При симметричном входе источник входного сигнала (см. рис. 2.4) подключа­ется между входами ДУ (между базами транзисторов Т₁ и Т₂). При симметричном выходе сопротивление нагрузки подключается между выходами ДУ (между коллекторами транзисторов Т₁ и Т₂). Такое включение ДУ и было рассмотрено в разделе 7.2. Теперь остановимся на определении параметров сим­метричного включения ДУ.

Проанализируем работу одного плеча, т.е.  одного каскада ОЭ, входящего в ДУ. Для этого представим плечо ДУ в виде, изображенном на рис. 2.5. Здесь отсутствует резистор R_э, поскольку, он не участвует в работе на дифференциальном сигнале. Для входного сопротивления плеча ДУ (R_{вх пл}), можно записать:

R_вх.пл = r_б + r_э(β + 1) + R₀(β + 1) = h_11э + βR₀.                         (2.1)

Здесь опущены индексы для номеров резисторов, так как плечи ДУ практически симметричны. Слагаемое βR₀ вносится за счет последовательной ООС. При R₀ = 0 уравнение (2.1) для нашего случая можно упростить до следующего вида:

R_вх.пл = β r_э                                                  (7.2)

Меньшую погрешность при расчете R_вх.пл формула (2.2) обеспечи­вает для ДУ, работающего на малых токах. Поскольку при симметричном входе источник входного сигнала включается между входами ДУ, то общее входное сопротивление ДУ будет равно 2R_вх.пл.

K_{u пл} = (U_вх.пл / 2)(2 / E_г) = (U_вх.пл / E_г) = К_{u диф}

т.е. коэффициент усиления по напряжению всего ДУ равен K_{u пл}. В нашем случае для K_{u пл} можно переписать в несколько измененном виде:

.             (2.3)

Здесь учтено, что к выходу одного плеча подключается только половина R_H. Действительно, средняя точка резистора R_H для рассматриваемого режима ДУ всегда будет иметь нулевой потенциал (потенциал общей шины).

Если R_к < (R_н / 2), R_вх.пл > R_г и β велико, то формулу (2.3) можно переписать в следующем приближенном виде:

К_{u диф} = R_к /r_э.                                                (2.4)

Учитывая изложенное ранее, коэффициент усиления ДУ по току можно представить в виде выражения (2.4), заменив R_к на R_н /2. Нетрудно показать, что значение выходного сопротивления ДУ для рассматриваемой схемы его включения равно удвоенному значению выходного сопротивления плеча (R_{вых пл}), которое для каскада ОЭ можно считать равным R_к.

2. Теперь остановимся на схеме включения ДУ с симметричным входом и несимметричным выходом. В этом случае источник входного сигнала подключается между входами ДУ; сопротивле­ние нагрузки подключается одним концом к коллектору одного из транзисторов, а другим — к общей шине. При этом в кол­лекторной цепи второго транзистора может отсутствовать ре­зистор R_к. Поскольку способ подачи входного сигнала здесь совпадает с ранее рассмотренным случаем (см. пункт 1), то входное сопротив­ление также можно определить с помощью формулы (2.1) или (2.2). Однако выходной сигнал снимается лишь с одного выхода ДУ, следовательно, выходное сопротивление ДУ равно: R_выхпл = R_к. По той же причине К_{u диф} оказывается в 2 раза меньше, чем при симметричном выходе.

3. Интересна схема включения ДУ с несимметричным входом и симметричным выходом. Для удобства восприятия специфики этого включения ДУ (рис. 2.6) приведена его принципиальная схема. Здесь R_о = 0, а входной сигнал подается на базу транзисто­ра Т₁. Плечо, образованное транзистором Т₁, является каскадом ОЭ с ООС, образуемой резистором R_э. Коэффициент усиления К_{u пл} для него может быть рассчитан по формуле (2.3), а коэффициент R_выхпл - формуле (2.1), где R₀ следует заменить на R_э. У этого плеча ДУ есть и выход с эмиттера, где коэффициент усиления по напряжению для эмиттерного выхода К_{u к} < К_{u пл}.

С эмиттерного выхода плеча ДУ будет сниматься неинвертирован­ный сигнал с
К_{u к ,} который можно представить в следующем виде:

,                                    (2.5)

где R_вхб - входное сопротивление каскада ОБ, который является плечом ДУ, образованным транзистором Т₂. Для эмиттерного выхода первого плеча R_вхб является сопротивлением нагрузки. Формула (2.5) справедлива при R_э > R_вхб. Для каскада ОБ, образованного транзистором Т₂, коэффициент усиления по напряжению равен:

.                                      (2.6)

Формула (2.6) записана для условия R_вхб > R_выхк, где R_выхк выходное сопротивление по цепи эмиттера каскада на транзисторе Т₁. При получении значения К_{u пл} для выхода с коллектора Т₂ следует перемножить выражения (2.5) и (2.6). После проведения преобразова­ний нетрудно записать и для этого плеча ДУ формулу (3). Таким образом, несмотря на то, что входной сигнал подается лишь на один вход ДУ, его усиливают оба плеча, причем плечо, на базу транзистора которого подан входной сигнал, инвертирует, а другое плечо не инвертирует сигнал. В данном случае: K_{u диф} = 2K_{u пл}.

4. При несимметричном входе и выходе работа ДУ происходит аналогично работе предыдущей схемы включения ДУ (пункт 3). Если входной сигнал подан на вход того же плеча, с выхода которого снимается выходной сигнал ДУ, то в этом случае работает на усиление сигнала лишь одно плечо. Здесь на выходе будет инвертированный сигнал с коэффициентом усиления К_{u пл.} Если входной сигнал подан на вход одного плеча ДУ, а выходной сигнал снимается с выхода другого плеча, то на выходе появится неинвертированный сигнал с тем же коэффициентом усиления К_{u пл}, что и в первом случае. Если снимать выходной сигнал всегда с одного заданного выхода ДУ, то входам усилителя можно присвоить названия «инвертирующий» и «неинвертирующий».

Все изложенное показывает, что усилительные параметры ДУ для рабочего сигнала зависят от схемы его включения, которая выбирается в зависимости от конкретных технических требований.