Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель (ДУ) – это классическая транзисторная схема, предназначенная для усиления разности двух входных сигналов. ДУ является основой операционных усилителей, применяется в устройствах автоматического регулирования для сравнения входного сигнала с эталонным напряжением, используется для уменьшения уровня шумов.

Если на входах ДУ сигналы изменяются одновременно и одинаково, то такое изменение называется синфазным. Если сигналы на первом и втором входах изменяются по-разному, то такое изменение называется дифференциальным, а сигнал на выходе – разностным или дифференциальным.

Полезным является дифференциальный сигнал, поэтому хороший ДУ характеризуется высоким коэффициентом усиления дифференциального сигнала, а коэффициент усиления синфазного сигнала должен быть, наоборот, низким.

Рис. 7.2. Схема ДУ

ДУ часто характеризуют коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС): . Для хорошего ДУ КОСС должен быть большим.

Рассмотрим работу ДУ, используя модель Эберса – Молла. При этом применяются следующие условные обозначения: «↕» – изменение, «↑» – увеличение, «↓» – уменьшение, «→» – следовательно.

1. Пусть сигналы на входах изменяются одинаково. Тогда

↕ U _ВХ1 = U _ВХ2→↨ U _Э1 = U _Э2→ U _БЭ1 = U _БЭ2 = const→ I _К1 = I _К2 = const→ U _ВЫХ = const.

2. Пусть сигнал меняется на вх. 1 относительно постоянного уровня на вх. 2. Тогда

↑ U _ВХ1→↑ U _Э1→↑ U _Э2→↓ U _БЭ2 при U _ВХ2 = const→↓ I _К2→↓ U_{R K}→↑ U _ВЫХ = U _К2,

и, наоборот,

↓ U _ВХ1→↓ U _Э1→↓ U _Э2→↑ U _БЭ2 при U _ВХ2 = const→↑ I _К2→↑ U_{R K}→↓ U _ВЫХ = U _К2.

3. Пусть сигнал меняется на вх. 2 относительно постоянного уровня на вх. 1. Тогда

↑ U _ВХ2 при U _ВХ1 = const= U _Э1 = U _Э2→↑ U _БЭ2→↑ I _К2→↑ U_{R K}→↓ U _ВЫХ = U _К2,

и, наоборот,

↓ U _ВХ2 при U _ВХ1 = const= U _Э1 = U _Э2→↓ U _БЭ2→↓ I _К2→↓ U_{R K}→↑ U _ВЫХ = U _К2.

Таким образом, в зависимости от взаимного изменения уровня напряжения на входах выходной сигнал ДУ оказывается либо положительной, либо отрицательной полярности, поэтому принято называть вх. 1 неинвертирующим, а вх. 2 – инвертирующим.

Коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется отношением выходного сопротивления R _К к суммарному сопротивлению эмиттерной цепи Т ₂ относительно входа 1: .

Коэффициент усиления синфазного сигнала определяется отношением выходного сопротивления R _К к суммарному сопротивлению эмиттерной цепи Т ₂ относительно земли: . Значение 2 R берется из-за удвоенного тока 2 I _Э, протекающего через этот резистор по отношению к r _Э и R _Э.

. Он определяется отношением при больших значениях R.

Из данных выражений следует, что К _ДИФФ↑ при ↑ R _К, ↓ R _Э и ↓ r _Э. В этом случае ↓ К _СИНФ (и, соответственно, ↑КОСС) возможно лишь при существенном ↑ R. При этом необходимо иметь в виду, что ↓ R _Э и r _Э приводит к ↓ R _ВХ схемы, так как

7.2.1. Использование источника тока
в эмиттерной цепи ДУ

В данной схеме все транзисторы находятся в активном режиме, так как напряжения на базах более положительные, чем в их эмиттерах, а напряжения в коллекторах более положительные, чем на базах.

Рис. 7.3. Схема ДУ с источником тока в цепи эмиттера

Таким образом, падение напряжения на R _Э = 1 к в ½ U _ЭЭ – U _Э½= 2 В задает в эмиттерной цепи ток 2 мА. Резисторами R создают смещение в базах транзисторов Т ₁ и Т ₂, примерно равное 0 В, в результате чего U _Э1 = U _Э = U _К3 = –0,6 В. Для данной схемы R = 2,5 кОм выбрано с учетом при r _Э ≈ 25 Ом. Ток 1 мА, текущий через Т ₁ и Т ₂, определяет напряжение U _К2 = 7,5 В, что удовлетворяет условию симметричности выходного сигнала, снимаемого относительно земли. Транзисторы Т ₁ и Т ₂ образуют дифференциальную пару, а на Т ₃ выполнен источник тока, включенный в цепь эмиттера ДУ. Делитель R ₁ и R ₂ задает для Т ₃ смещение –12,4 В, что создает в его эмиттере потенциал U _Э =
= U _Б = –0,6 В = –13 В.

Источник тока обладает очень большим сопротивлением за счет закрытого коллекторного перехода (сотни кОм), что существенно уменьшает синфазное усиление сигнала. Если оценивать выходное сопротивление источника тока как R ≈ 750 к, то порядок КОСС ≈ 100.

В качестве источника тока в цепи эмиттера ДУ может выступать токовое зеркало. При этом ток в эмиттере задается потенциометром R _УПР.

Рис. 7.4. ДУ с токовым зеркалом в цепи эмиттера

Поиск по сайту: