Дифференциальные усилители

Дифференциальные усилители (ДУ) на биполярных и полевых транзисторах отличаются от балансных усили­телей, доказанных на рис. 7.4, наличием двух несимметрич­ных входов (рис. 7.6).

При поступлении на входы ДУ парафазных напряже­ний и_вх1 = и_вх/2 и и_вх2 = –и_вх/2 работа ДУ не отличается от работы усилителя параллельного баланса. При этом резистор R_Эне является элементом ООС, и напряжения на несимметричных выходах оказываются равными:

,

Рис. 7.6. Схемы дифференциальных усилителей на биполярных (а) и полевых (б) транзисторах

а на симметричном выходе

.

При поступлении на входы ДУ синфазных сигналов и_вх1 = и_вх2 = и_вх изменения токов i₁ и i₂ равны и по значе­нию и по знаку, а изменение напряжения на резисторе R_Э

.

Таким образом, для синфазных входных напряжений ре­зистор R_Э является элементом ООС, и каждое плечо ДУ можно представить в виде, показанном на рис. 7.7.

Рис. 7.7. Эквивалентная схема одного'' плеча ДУ для синфязных сигналов

Коэффициент усиления каждого плеча можно определить по формуле

,

где К_и = SR — коэффициент усиления плеча без учета действия ООС; β = и_ос/и_вык — коэффициент передачи цепи ООС; R — эквивалентное сопротивление выходной цепи усилителя, определяемое выражением (7.4).

Подставив значения К_и и β в выражение для коэффи­циента усиления одного плеча, получим

. (7.5)

Обычно R_вых » R1 и R_вых » R2, поэтому можно считать, что R = R1 = R2 = R_К. Тогда выражение (7.5) примет вид

, (7.6)

где R_К и R_Э— сопротивления резисторов в коллекторных и эмиттерных цепях соответственно.

При входных синфазных сигналах потенциалы кол­лекторов изменяются одинаково, поэтому напряжение на симметричном выходе и_вых = 0.

Обычно синфазные сигналы представляют собой сигна­лы помехи, поэтому желательно иметь К_исф = 0. Уменьше­ние К_исфдостигается, как это видно из (7.6), увеличением сопротивления резистора R_Э.

В большинстве случаев входные сигналы не являются чисто синфазными или противофазными, а содержат оди­наковую (синфазную и_вх.сф) и отличающуюся (дифферен­циальную и_вх.диф = и_вх1 – и_вх2) части, как показано на рис. 7.8. В таком случае сигналы, действующие на входах

Рис. 7.8. Представление входных сигна­лов в виде дифференциальных и син­фазных составляющих

ДУ, можно представить математически в следующей фор­ме:

,

В каждом плече синфазная составляющая будет усили­ваться с коэффициентом К_исф = —R_K/2R_Э,адифферен­циальная — с коэффициентом К_и = — SR_K, так что

, (7.7)

, (7.8)

. (7.9)

Выражения (7.7), (7.8) и (7.9) показывают, что в ДУ с полностью симметричными плечами синфазный сигнал по симметричному выходу полностью подавляется, а вы­ходное напряжение пропорционально разности входных напряжений, т. е. их дифференциальной части.

Выходные напряжения по несимметричным выходам, кроме полезной дифференциальной составляющей, со­держат и синфазную составляющую.

Важным параметром ДУ является коэффициент ослаб­ления синфазного сигнала К_ос.сф. который определяется отношением

, (7.10)

Данное выражение показывает, что для увеличения К_ос.сф. необходимо увеличить R_Э. Однако повышение сопротив­ления резистора R_Эсопровождается увеличением падения напряжения на нем и требует увеличения напряжения источника питания. Поэтому вместо резистора R_Эчасто включают генератор стабильного тока (ГСТ), обладаю­щий большим динамическим и малым статическим сопро­тивлениями.