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 i ₁ и i ₂равны 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.