Принцип работы дифференциального усилителя

Дифференциальные усилители могут определить и усиливать разницу между входными сигналами. Поскольку многие дифференциальные усилители способны определять очень маленькую по величине разницу, они очень часто используются в контрольно-измерительных устройствах.

Дифференциальный усилитель — операционный усилитель, являющийся сочетанием инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

Дифференциальные усилители могут определить и усиливать разницу между входными сигналами. Поскольку многие дифференциальные усилители способны определять очень маленькую по величине разницу, они очень часто используются в контрольно-измерительных устройствах.

Схема дифференциального усилителя

Дифференциальный усилитель состоит из одного операционного усилителя и нескольких резисторов. Отличие дифференциального усилителя от других усилителей состоит в том, что обычно напряжение подается на оба его входа. Именно это позволяет легко отличить дифференциальный усилитель на принципиальной схеме.

К недостатка дифференциальных усилителей можно отнести входное сопротивление усилителя, которое слишком низкое для его широкого использования. Также затруднительно регулировать коэффициент усиления усилителя так, чтобы это не влияло на его входное сопротивление, поскольку входному резистору и резистору цепи обратной связи должны соответствовать уравновешивающие их резисторы.

Но зачастую мы имеем дело с очень слабыми сигналами, так что не мешало бы, помимо вычитания, усилить полученную разницу. Для этого используем слегка измененную схему, которая отличается значениями резисторов:

Иногда возникает необходимость вычесть два сигнала. Классическим примером является измерение тока на резисторе, которое практикуется в различных источниках питания и инверторах, при чтении температуры с термопары или напряжения моста Уитстона.

Самый простой способ использовать схему вычитания так называемый дифференциальный усилитель (не путать с дифференциатором!). Если нам необходимо вычислить разницу между двумя сигналами, то достаточно будет одного операционного усилителя и четырех одинаковых резисторов:

Но зачастую мы имеем дело с очень слабыми сигналами, так что не мешало бы, помимо вычитания, усилить полученную разницу. Для этого используем слегка измененную схему, которая отличается значениями резисторов:

Ничто нам не мешает еще больше изменить значения резисторов, однако, мы не видели, чтобы кто-то использовал подобную схему, как показано ниже:

Несмотря на то, что третья схема уже довольно сильно запутана, это все еще также рабочая схема. Резисторы R3 и R4 образуют обычный делитель напряжения. Напряжение на неинвертирующем входе усилителя (+) такое же, как и на инвертирующем входе (-), поскольку работа операционного усилителя основана на 3 основных правилах:

Правило №1 — операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.

Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток

Правило №3 — напряжения на входах и выходе должны быть в диапазоне между положительным и отрицательным напряжением питания ОУ.

Если мы знаем, входное напряжение U1 и напряжение на инвертирующем входе (-), то значит, мы знаем и напряжение на резисторе R1. Далее, из закона Ома, вычислим, какой ток течет через него (R1), и этот же ток течет далее через резистор R2. Зная сопротивление R2, вычислим падение напряжения на этом резисторе, а это даст нам конечный результат.

Дифференциальный усилитель имеет, к сожалению, два серьезных недостатка, которые перечеркивают его во многих ситуациях:

Таким образом, дифференциальный усилитель является простой схемой, но его практическое применение довольно сильно ограничено. Лучше использовать чуть более сложную, но качественную схему измерительного усилителя.

Напомним, что в несимметричном усилителе с заземленным эмиттером при выходном напряжении покоя 0,5 U_кк максимальное усиление равно 20 U_кк, где U_кк выражено в вольтах. В дифференциальном усилителе максимальное дифференциальное усиление (при R_э = 0) вдвое меньше, т.е. численно равно двадцатикратному падению напряжения на коллекторном резисторе при аналогичном выборе рабочей точки. Соответствующий максимальный КОСС (при условии, что R_э = 0) также численно в 20 раз превышает падение напряжения на R₁.

Рис. 2.67. Классический транзисторный дифференциальный усилитель.

Чему равен коэффициент усиления этой схемы? Его нетрудно подсчитать: допустим, на вход подается дифференциальный сигнал, при этом напряжение на входе 1 увеличивается на величину u_вх (изменение напряжения для малого сигнала по отношению ко входу).

До тех пор пока оба транзистора находятся в активном режиме, потенциал точки А фиксирован. Коэффициент усиления можно определить как и в случае усилителя на одном транзисторе, если заметить, что входной сигнал оказывается дважды приложенным к переходу база-эмиттер любого транзистора: К_диф = R_к/2(r_э + R_э). Сопротивление резистора R_э обычно невелико (100 Ом и меньше), а иногда этот резистор вообще отсутствует. Дифференциальное напряжение обычно усиливается в несколько сотен раз.

Напомним, что в несимметричном усилителе с заземленным эмиттером при выходном напряжении покоя 0,5 U_кк максимальное усиление равно 20 U_кк, где U_кк выражено в вольтах. В дифференциальном усилителе максимальное дифференциальное усиление (при R_э = 0) вдвое меньше, т.е. численно равно двадцатикратному падению напряжения на коллекторном резисторе при аналогичном выборе рабочей точки. Соответствующий максимальный КОСС (при условии, что R_э = 0) также численно в 20 раз превышает падение напряжения на R₁.

Упражнение 2.13. Убедитесь, что приведенные соотношения правильны. Разработайте дифференциальыи усилитель по вашим собственным требованиям.

Дифференциальный усилитель можно образно назвать «длиннохвостой парой», так как, если длина резистора на условном обозначении пропорциональна величине его сопротивления, схему можно изобразить в таком виде, как показано на рис. 2.69. «Длинный хвост» определяет подавление синфазного сигнала, а небольшие сопротивления межэмиттерной связи (включающие собственные сопротивления эмиттеров) — усиление дифференциального сигнала.

Рис. 2.70. Увеличение КОСС дифференциального усилителя с помощью источника тока.

Рис. 2.71. Дифференциальный усилитель может работать как прецизионный усилитель постоянного тока с однополюсным выходом.

Рис. 2.72. Дифференциальный усилитель с токовым зеркалом в качестве активной нагрузки.

Учитывая, что на одном кристалле можно получить достаточно близкие значения коллекторных сопротивлений, а в качестве эмиттерного резистора R3 применить высокоомный генератор тока, то коэффициент подавления синфазной помехи получается настолько большим, что можно отказаться от применения разделительных конденсаторов между дифференциальными каскадами.

Тенденцией современной схемотехники является постоянное уменьшение напряжения питания. Это связано с уменьшением проектных норм на транзисторы в современной технике производства микросхем. При уменьшении питания возникают неизбежные проблемы с уменьшением помехоустойчивости и динамического диапазона усилителей. Улучшить помехоустойчивость линий связи между усилительными каскадами позволяет применение парафазных соединительных линий.

Дифференциальный усилитель позволяет усиливать парафазный сигнал, передаваемый по двум соединительным линиям. Кроме того, он позволяет переходить от несимметричного представления сигнала (относительно корпуса или земли) к симметричному (парафазному) и наоборот. Именно поэтому дифференциальные усилители получили широкое распространение в современных аналоговых интегральных микросхемах. Схема простейшего дифференциального усилителя приведена на рисунке 1

Рисунок 1 Схема простейшего дифференциального усилителя

Так как точка соединения эмиттеров транзисторов дифференциального усилителя эквивалентна нулевому потенциалу, то его коэффициент усиления равен коэффициенту усиления транзистора, включенному по схеме с общим эмиттером. Коэффициент усиления дифференциального усилителя по напряжению можно найти по формуле:

(1),

(2),

При равенстве сопротивлений в цепи эмиттера R3 и в цепи коллектора R2, коэффициент передачи синфазного сигнала будет равен 0,5. Коэффициент ослабления синфазного сигнала можно определить как:

(3),

При токе каскада 1 мА и сопротивлении ослабление составит 300 раз. Учитывая, что сигнал на выходе схемы, приведенной на рисунке 1, снимается между резисторами R2 и R4, то коэффициент ослабления синфазного сигнала возрастет на коэффициент, зависящий от точности изготовления резисторов и транзисторов. На высоких частотах этот коэффициент будет зависеть еще и от фазового сдвига, вносимого транзисторами. Схема дифференциального усилителя с генератором тока в качестве эмиттерного транзистора приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Схема дифференциального каскада с генератором тока в цепи эмиттера

Учитывая, что на одном кристалле можно получить достаточно близкие значения коллекторных сопротивлений, а в качестве эмиттерного резистора R3 применить высокоомный генератор тока, то коэффициент подавления синфазной помехи получается настолько большим, что можно отказаться от применения разделительных конденсаторов между дифференциальными каскадами.

Для того, чтобы дифференциальный усилитель усиливал несимметричный сигнал, достаточно соединить один из его входов с общей точкой или корпусом схемы. При этом, правда, следует иметь в виду, что его коэффициент усиления уменьшится вдвое, т.к. мы будем использовать напряжение только с одного из его выходов. Его схема включения для усиления несимметричного сигнала приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 Схема включения дифференциального усилителя для усиления несимметричного сигнала

Благодаря своим замечательным качествам дифференциальный усилитель получил широкое распространение в современных микросхемах. Использование парафазного сигнала на его входе и выходе позволяет уменьшить напряжение питания схемы. В качестве примера можно привести микросхему широкополосного дифференциального усилителя THS770006 фирмы Texas Instruments Incorporated, применяемого на входе высокоскоростных АЦП.

Широко применяются дифференциальные усилители в составе усилителей промежуточной частоты. Это отечественные микросхемы 174 серии, иностранные MC3361, SA616 и подобные им. Высококачественные усилители звуковой частоты тоже строятся на основе дифференциальных каскадов. И конечно же входные каскады операционных усилителей, где они вместе с двухтактным каскадом на выходе образуют универсальную микросхему, пригодную для реализации практически всех узлов радиоэлектронной аппаратуры.

Дата последнего обновления файла 24.04.2016

Рис. 31. Типовая схема дифференциального усилителя,

Дифференциальный усилитель на полевых транзисторах

Для многих областей применения необходим дифференциальный усилитель с высоким входным сопротивлением. Оно может быть существенно увеличено при использовании в каскадах полевых транзисторов.

Типовая схема дифференциального усилителя, выполненного на полевых транзисторах, представлена на рис. 31.

Рис. 31. Типовая схема дифференциального усилителя,

выполненного на полевых транзисторах

Следует отметить, что из-за более значительного технологического разброса параметров симметрия дифференциального усилителя, построенного на полевых транзисторах, несколько хуже, чем у аналогичной схемы, выполненной на биполярных транзисторах. Поэтому усилители на полевых транзисторах обладают примерно на порядок бóльшим значением дрейфа нуля по сравнению с усилителями на биполярных транзисторах.

Дифференциальные усилители широко используют при построении операционных усилителей, речь о которых пойдёт ниже. Они играют важную роль при разработке усилителей постоянного тока (которые усиливают частоты вплоть до постоянного тока, т. е. не используют для межкаскадной связи конденсаторы): их симметричная схема по сути своей приспособлена для компенсации температурного дрейфа, что позволяет таким усилителям стабильно работать в широком диапазоне температур.

Вот такие забавные превращения. На этом, пожалуй, всё, надеюсь кому-нибудь пригодится.

Итак, дифференциальный усилитель — это устройство, предназначенное для усиления разности подаваемых на его входы сигналов. Вот сейчас мы построением такого усилителя и займёмся.

Рассмотрим схему, построенную на базе операционного усилителя (ОУ), приведенную на рисунке справа.

Это наиболее общая схема усилителя на операционнике. По своей сути, любой усилитель на ОУ — вариант этой схемы (ниже я покажу несколько её превращений).

Прежде чем перейти к расчётам, давайте поговорим о том, что лежит в их основе. В основе расчётов всех схем с операционными усилителями лежат два положения, характеризующие идеальный операционный усилитель:

Фу, ну вот, теперь перейдём к расчётам нашего усилителя. Итак, при расчётах усилителя будем считать, что напряжение между входами операционника равно нулю, входной ток тоже равен нулю. На рисунке слева та же схема, что и выше, но с подписанными элементами, а также с подписанными токами и напряжениями (с учётом изложенных ранее положений).

По этой схеме составляем систему из четырёх уравнений, после чего из первых двух выражаем I₁, а из третьего и четвёртого выражаем I₂:

Далее из первого и третьего уравнений составляем новое уравнение:

Подставляем в него, найденные ранее, выражения для I₁, I₂ и преобразуем следующим образом:

Ну и, наконец, из последнего выражения находим формулу для определения выходного напряжения:

А вот теперь следите за руками. Преобразуем множитель перед U₂ следующим образом: R₁ перенесём из знаменателя в числитель, а оставшиеся в знаменателе скобки умножим и разделим на R₂. Получится следующее выражение:

Из этого выражения очевидно, что если в нашей схеме R_ОС/R₁=R₃/R₂, то множитель перед U₂ можно заменить просто на R₃/R₂ или на R_ос/R₁ (без разницы, мы ведь как раз рассматриваем случай, когда эти соотношения одинаковы). Тогда формулу (1) можно преобразовать к такому виду:

То есть в этом случае наша схема усиливает разницу напряжений на входах, — вот и получился дифференциальный усилитель.

Но это ещё не всё, — следите за руками дальше. Если в этой схеме вход U₁ подключить к общему проводу, резистор R₂ взять равным нулю (закоротить его просто), а резистор R₃ взять равным бесконечности (оторвать его нафиг от общего провода), то получится схема простейшего неинвертирующего усилителя, а формула (1) преобразуется к виду:

Далее. Если же вход U₂ подключить к общему проводу, резистор R₁ взять равным R₂, а резистор R₃ взять равным R_OC, то получится схема простейшего инвертирующего усилителя, а формула (1) преобразуется к виду:

При этом эквивалентное сопротивление параллельно включенных резисторов R₂, R₃ (которые, как мы договорились, равны R₁, R_OC) превратилось в условие баланса.

Вот такие забавные превращения. На этом, пожалуй, всё, надеюсь кому-нибудь пригодится.

Что такое напряжение смещения? Помните, мы при расчётах считали операционник идеальным и полагали, что схема стремится поддерживать напряжение между входами ОУ равным нулю? Так вот, в случае с реальным операционником схема стремится поддерживать между входами ОУ не ноль, а некоторое очень маленькое, но вполне конкретное напряжение. Именно это напряжение и называется напряжением смещения (или точнее напряжением смещения нуля).

На что оно влияет? В первую очередь оно влияет на точностные характеристики схем с ОУ. Чтобы понять, как это происходит, — давайте вернёмся к схеме, с которой мы начинали расчёт, только теперь будем считать, что напряжение на обоих входах не одинаковое, а отличается на величину U_см. На неинверирующем входе пусть так и останется U_в, а на инвертирующем пусть будет U_в-U_см. Тогда в нашей системе из четырёх уравнений, для первых двух придётся написать не «=U_в«, а «=U_в-U_см«, и решение этой системы примет вот такой вид:

При соблюдении условия R_ОС/R₁=R₃/R₂ формула, определяющая выходное напряжение дифференциального усилителя, превратится вот в такую:

Если источник сигнала и его получатель удалены друг от друга, то в проводах связи возникают посторонние сигналы. Тогда соединяем эти каскады, как показано на схеме. Наводки в проводах, проложенных близко друг к другу, (витая пара) основная часть наводок имеет синфазный характер, а дифференциальный усилитель хорошо умеет такие сигналы фильтровать. Обычно приемлемое качество получается даже если не экранировать провод, но в особых случаях применяется экранированная витая пара.

Применение дифференциального усилительного каскада

Дифференциальные усилители применяются в следующих случаях.

Защита от помех и наводок

Если источник сигнала и его получатель удалены друг от друга, то в проводах связи возникают посторонние сигналы. Тогда соединяем эти каскады, как показано на схеме. Наводки в проводах, проложенных близко друг к другу, (витая пара) основная часть наводок имеет синфазный характер, а дифференциальный усилитель хорошо умеет такие сигналы фильтровать. Обычно приемлемое качество получается даже если не экранировать провод, но в особых случаях применяется экранированная витая пара.

Усилитель ошибки, отклонения

Если необходимо поддерживать некоторый параметр вблизи заданного значения, например, температуру в помещении, освещенность, напряжение на выходе преобразователя, то потребуется усилитель, который усилит отклонение измеряемого параметра от эталонного значения. Далее полученная разность пойдет на исполнительное устройство и подкорректирует его работу. На схеме изображено устройство, регулирующее силу тока нагрева в зависимости от температуры нагревательного элемента.

В схеме Z — нагревательный элемент, совмещенный с терморезистором с отрицательным температурным коэффициентом (при нагреве его сопротивление снижается).

Операционный усилитель

У операционного усилителя должны быть два входа — инвертирующий и неинвертирующий. Так что на входе любого операционника стоит дифференциальный усилительный каскад.

Измерительные схемы

Дифференциальные каскады применяются, когда необходимо измерить разницу между двумя напряжениями или силами токов.

Усилители сигналов с отрицательной обратной связью

При проектировании усилителя для получения заданной линейности нередко применяется отрицательная обратная связь. То есть часть выходного сигнала подается на вход в противоположной входному вазе. Иногда для этого также используется дифференциальный усилитель. На один его вход подается входной сигнал, а на другой — сигнал обратной связи.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Интегральный аналог конденсатора большой емкости. Умножитель, имитатор.
Умножитель емкости. Имитатор большого конденсатора на интегральной микросхеме.

Преобразователь однофазного напряжения в трехфазное. Принцип действия.
Принцип действия, сборка и наладка преобразователя однофазного напряжения в трех.

Изготовление дросселя, катушки индуктивности своими руками, самому, са.
Расчет и изготовление катушки индуктивности, дросселя. Типовые электронные схемы.

Искровой запал, трансформатор розжига, поджига. Запальный блок. Источн.
Как сделать запальный блок с питанием от 12 вольт. Схема, принцип действия, инст.

Мощный полевой транзистор irfp2907. МОП, MOSFET. Свойства, параметры, .
Применение и параметры IRFP2907, мощного полевого транзистора, рассчитанного на .

Проверка дросселя, катушки индуктивности, трансформатора, обмотки, эле.
Как проверить дроссель, обмотки трансформатора, катушки индуктивности, электрома.

. При увеличении этого сигнала, во-первых, увеличиваются ток базы и ток коллектора транзистора Т₂. Это приводит к увеличению напряжения u

Схема дифференциального усилителя представлена на рис. 2.36.

Как и при анализе операционного усилителя, при рассмотрении дифференциального усилителя широко используют дифференциальное входное напряжение

и синфазное входное напряжение

. Эти понятия при обращении к операционному усилителю используют потому, что в качестве его входного каскада применяется дифференциальный усилитель. Дифференциальное входное напряжение определяется выражением:

называют выходным дифференциальным сигналом, причем

Основная идея, реализованная в дифференциальном каскаде, как это было показано выше, состоит в использовании в одном целом двух совершенно одинаковых половин. Эта идея достаточно часто применяется в электронике.

Использование двух одинаковых половин приводит к тому, что выходное напряжение

очень слабо зависит от входного синфазного напряжения и практически определяется только напряжением

. Усилитель называют дифференциальным потому, что

(пропорционально разности напряжений

) Другие дестабилизирующие факторы, кроме синфазного напряжения, также оказывают слабое влияние на величину

Если увеличилась температура и возросли тепловые токи Í_ко1 и Í_ко2 соответственно транзисторов T₁ и Т₂, то из-за изменения напряжений u_RK1 и u_RK2 на резисторах R_K1, и R_K2 изменяются напряжения

. Если сопротивления R_K1 и R_K2 равны, а изменения токов Í_ко1 и Í_ко2 одинаковы, то напряжение

Допустим, что ток i₀ является неизменным, а схема полностью симметрична и

i₀ / 2, так как ток коллектора каждого транзистора примерно равен току эмиттера. В случае изменения входного синфазного сигнала токи i_К1 и i_K2 не изменяются и поэтому не изменяются напряжения u_K1 и u_K2, не говоря уже о напряжении

. В соответствии с этим в реальных усилителях вместо резистора R_э и источника напряжения Е_э часто для ослабления влияния синфазного сигнала используют ту или иную схему на транзисторах, которая выполняет функцию источника тока. Эту схему при анализе обычно заменяют источником тока (на рис. 2.36 пунктир).

В интегральных схемах области полупроводника, соответствующие транзисторам, располагают очень близко друг от друга. Поэтому параметры транзисторов оказываются очень близкими, что обеспечивает симметрию дифференциального усилителя.

Рассмотрим кратко процессы, происходящие в усилителе при поступлении на его вход положительного сигнала

. При увеличении этого сигнала, во-первых, увеличиваются ток базы и ток коллектора транзистора Т₂. Это приводит к увеличению напряжения u

и уменьшению напряжения u_K2. Во-вторых, уменьшаются ток базы и ток коллектора транзистора Т₁. Это приводит к уменьшению напряжения u

чрезмерно велико, то транзистор Т₂ может войти в режим насыщения, а транзисторT₁ — в режим отсечки. При отрицательном напряжении

транзисторы меняются ролями.

На практике широко используются также дифференциальные усилители на полевых транзисторах.

Проведем количественный анализ рассмотренного выше усилителя (рис. 2.36). Пусть

= 0 и установлен фиксированный ток i₀. Обозначим через β_ст1, β_ст2 статические коэффициенты передачи тока базы, а через β₁, β₂ динамические коэффициенты соответственно для транзисторов Т₁ и Т₂.

Фишкой данного типа усилителей является то, что сигнал приходящий на оба входа одновременно не усиливается. Т.е. если к полезному сигналу примешаны синфазные помехи или постоянные уровни, то усилен будет только полезный сигнал. Помимо этого такие усилители обладают высоким коэффициентом усиления, высоким входным полным сопротивлением и большим Коэффициентом Ослабления Синфазного Сигнала (КОСС).

Классическая схема дифференциального усилителя на ОУ

Коэффициент усиления такой схемы равен К=R2/R1. Для обеспечения высокого значения КОСС необходимо обеспечить точное согласование резисторов. Для этого желательно применение резисторов точностью 0.01%.

Резисторы такой точности достаточно дороги, и не всегда их можно найти в продаже. Поэтому при первой возможности лучше закупить 100 кОм резисторы указанной точности для применения в подобных схемах.

Если все резисторы будут одного номинала, что вполне допустимо, то коэффициент усиления дифференциального усилителя будет равен 1. Дальнейшее усиление при необходимости можно произвести дополнительными каскадами, зато наличие синфазной помехи было уже устранено.

Динамический диапазон ДУ — характеризует отношение максимального и минимального напряжения входных сигналов, выраженное в децибелах. Минимальный сигнал ограничивается уровнем собственных шумов, а максимальный — нелинейными искажениями.

Используемое оборудование и средства: персональный компьютер, программа Electronics Workbench.

Методические указания: работа выполняется студентами за два часа аудиторных занятий.

Простейший дифференциальный усилитель (ДУ) состоит из двух одинаковых плеч, каждое из которых содержит транзистор и резистор нагрузки в цепях коллекторов. Эмиттеры соединены между собой и через резистор R подключены к общей шине. (ДУ) является одним из основных каскадов операционного усилителя и других устройств аналоговой электроники.

Рис. 1. Дифференциальный каскад с токозадающим резистором

Если на оба входа подать одинаковые по уровню, но разные по фазе сигналы, то в результате ток одного транзистора увеличится, а другого уменьшится на ту же величину. При этом через резистор в цепи эмиттеров будет течь неизменный ток.

Для устранения этого недостатка вместо резистора Re включают транзистор по схеме с ОЭ (рис. 2), который выполняет роль источника тока. Выходное сопротивление транзистора VT3 примерно равно дифференциальному сопротивлению коллекторного перехода.

Рис. 2. Дифференциальный каскад со стабилизатором тока в эмиттерной цепи

Хотя в идеальном дифференциальном каскаде синфазный входной сигнал не вызывает появления выходного сигнала, в реальном каскаде небольшой выходной сигнал обусловлен неполной идентичностью характеристик транзисторов, коллекторных нагрузок и внутренних сопротивлений источников входных сигналов. В диапазоне высоких частот существенную роль в разбалансе каскада играют емкости коллекторных переходов. Они являются основной причиной роста усиления синфазного сигнала в диапазоне высоких частот.

То, что работа ДУ основывается на идентичности его плеч, объясняет популярность этих усилителей в микроэлектронике. Только в интегральных схемах, где элементы расположены друг от друга на расстояниях десятков микрон и менее, можно обеспечить полную идентичность параметров транзисторов.

где Rk=Rl=R2; re — объемное сопротивление эмиттера; α — коэффициент усиления тока в схеме с ОБ.

При α=0,9, Rk=4 кОм и re =10 Ом из (1) получаем К=360.

При определении коэффициента усиления синфазной составляющей на оба входа ДУ подается входной сигнал от одного источника. При таком условии коэффициент усиления синфазного сигнала определяется как [1]

Коэффициент подавления синфазной составляющей ДУ характеризует влияние синфазной составляющей входного сигнала на дифференциальную составляющую выходного сигнала. На практике соотношение между К и КС составляет несколько десятичных порядков. Соотношение модулей этих двух величин принято характеризовать коэффициентом подавления синфазной составляющей, выраженным в децибелах:

Различают входные сопротивления ДУ для дифференциальной и синфазной составляющих сигнала, которые существенно различаются. Входное сопротивление для дифференциальной составляющей равно удвоенному входному сопротивлению каждой половины ДУ и определяется выражением:

Например, при β =100, re =25 Ом и rb =150 Ом Rd =5,35 кОм. Поскольку сопротивление re обратно пропорционально току покоя, то для увеличения входного сопротивления целесообразно использовать ДУ в режиме малых токов — в микрорежиме. Кроме того, целесообразно использовать транзисторы с высокими значениями β, например, каскад Дарлингтона. Так, при токе покоя 50 мкА и β=2000, re =0,5 кОм Кд=2 МОм.

Входное сопротивление для синфазной составляющей определяется сопротивлением источника тока Ri в соответствии с выражением

Поскольку Ri» re то Rc намного превышает Rd.

Динамический диапазон ДУ — характеризует отношение максимального и минимального напряжения входных сигналов, выраженное в децибелах. Минимальный сигнал ограничивается уровнем собственных шумов, а максимальный — нелинейными искажениями.

Синфазные сигналы могут иметь гораздо большие амплитуды, чем дифференциальные. Обычно КС

? выходы строго симметричны;

Рис. 6.9. Дифференциальный каскад на биполярных транзисторах

Иное дело, если сигналы на входах различаются — они будут усиливаться. Такой сигнал называют дифференциальным. Это основное свойство диффе­ренциального усилителя, которое позволяет выделять небольшой сигнал на фоне довольно большой помехи. Помеха одинаково — синфазно — действу­ет на оба входа, а полезный сигнал усиливается.

Мы не будем здесь подробно разбирать работу этой схемы, только укажем некоторые ее особенности:

? входное сопротивление дифференциального каскада равно входному со­противлению каскада с общим коллектором;

? усиление по напряжению (дифференциальному) составляет 100 и более раз. Если вы хотите получить точно определенный коэффициент усиле­ния, в каждый из эмиттеров нужно ввести по одинаковому резистору — тогда Кус будет определяться, как для каскада на рис. 6.7. Но обычно в таком режиме дифференциальный усилитель не используют— их ис­пользуют в системах с общей обратной связью, которая и задает необхо­димый коэффициент усиления;

? выходы строго симметричны;

? резистор Rк если не используется f/выхь вообще можно исключить — или наоборот, смотря какой выход (прямой или инверсный) использо­вать.