Дифференциальный усилительный каскад

Усилители постоянного тока, при их последовательном включении, усиливают паразитный дрейф режима покоя первых каскадов. При больших коэффициентах усиления это полностью нарушает работу УПТ. Дифференциальные усилительные каскады (ДУ) радикально уменьшают дрейф за счет параллельно-балансного построения, рисунок 1.11.

Построение каскада – это параллельно-балансная мостовая схема, состоящая из двух плеч, содержащих сопротивления нагрузки R_К1,2, и двух других плеч, содержащих транзисторы VT_1,2. По вертикали мост запитан от двух отдельных источников питания. Принцип работы ДУ – принцип сбалансированного моста: при равных между собой входных сигналах u_ВХ1,2 и идеальной электрической осевой электрической симметрии падения на сопротивлениях коллекторных нагрузок одинаковы и Du_ВЫХ = 0.

При неравных входных напряжениях токи в вертикальных плечах не равны между собой (мост разбалансируетя) и Du_ВЫХ ¹ 0. То есть ДУ усиливает разность входных сигналов. Одинаковые сигналы, присутствующие одновременно на обоих входах (синфазные сигналы), никак не проявляются на выходе при идеальной симметрии плеч усилителя.

Высокая стабильность схемы при изменении напряжения питания и температуры наблюдается за счет того, что при одинаковом дрейфе по обоим усилительным плечам каскада, напряжение на коллекторах изменяются в одну и ту же сторону и дрейф на выходе каскада отсутствует.

Рисунок 1.11 – Функциональное содержание ДУ

Сигнал, снимаемый с обоих коллекторов, называется дифференциальным (Du_ВЫХ, U_ВЫХ). Для дифференциального сигнала коэффициент усиления каскада определяется по формуле:

, (1.8)

где е_Г и R_Г – ЭДС и внутреннее сопротивление источника сигнала; r_{ВХ ТРАНЗ} – входное сопротивление транзистора.

Или с учетом сопротивления внешней нагрузки R_Н:

, (1.9)

где r_{ВХ ТРАНЗ} = r_Б + (1 + b)r_Э .

Дифференциальный каскад допускает подачу на оба входа входных сигналов одновременно. Если U_ВХ1 и U_ВХ2 неодинаковой полярности, то

U_ВХ = U_ВХ1 + U_ВХ2; U_ВЫХ = K_UД(U_ВХ + U_ВХ2). (1.10)

Если на входы поступают сигналы одинаковой полярности, то есть совпадающие по фазе (синфазные), то U_ВЫХ = K_UД(U_ВХ1 – U_ВХ2). Если U_ВХ1 = U_ВХ2­, это ведёт к тому, что U_ВЫХ = 0, то есть синфазная помеха не присутствует на выходе дифференциального каскада. Это в идеальном случае. Реально влияние синфазной помехи оценивают коэффициентом синфазной передачи:

K_СИНФ = DU_БАЛ/Е_СИНФ, (1.11)

где DU_БАЛ – изменение U_K1 (или U_K2) под воздействием синфазной помехи; Е_СИНФ – напряжение синфазной помехи (то есть приложенное одновременно к обоим входам). Качество дифференциального каскада оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала: K_ОСС = 20lg(K_СИНФ/K_UД) » минус(60 ¸100) дБ.