Дифференциальный усилительный каскад, его особенности и преимущества

В настоящее время наибольшее распространение получили УПТ на основе дифференциальных каскадов. Такие усилители просто реализуются в виде монолитных ИМС и широко выпускаются промышленностью. На рис. 1 приведена принципиальная схема простейшего варианта дифференциального усилителя (ДУ) на биполярных транзисторах.

Рис. 1

 

Любой ДУ выполняется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами  и , а два других - транзисторами  и . Сопротивление нагрузки  включено в диагональ моста. Резисторы цепи ПООСТ  и  обычно невелики или вообще отсутствуют, поэтому можно считать, что резистор  подключен к эмиттерам транзисторов.

Двухполярное питание позволяет обойтись на входах (выходах) ДУ без мостовых схем за счет снижения потенциалов баз (коллекторов) до потенциала общей шины.

Рассмотрим работу ДУ для основного рабочего режима - дифференциального. За счет действия  транзистор  приоткрывается, и его ток эмиттера получает приращение , а за счет действия  транзистор  призакрывается, и ток его эмиттера получает отрицательное приращение . Следовательно, результирующее приращение тока в цепи резистора  при идеально симметричных плечах близко к нулю и, следовательно, ООС для дифференциального сигнала отсутствует.

ДУ отличает малый дрейф нуля, большой коэффициент усиления дифференциального (противофазного) сигнала  и большой коэффициент подавления синфазных помех, т.е. малый коэффициент передачи синфазного сигнала .

Для обеспечения качественного выполнения этих функций необходимо выполнить два основных требования. Первое из них состоит в обеспечении симметрии обоих плеч ДУ. Приблизиться к выполнению этого требования позволила микроэлектроника, поскольку только в монолитной ИМС близко расположенные элементы действительно имеют почти одинаковые параметры с одинаковой реакцией на воздействие температуры, старения и т.п.

Второе требование состоит в обеспечении глубокой ООС для синфазного сигнала. В качестве синфазного сигнала для ДУ выступают помехи, наводки, поступающие на входы в фазе. Поскольку  создает глубокую последовательную ООС по току для обоих плеч ДУ, то для синфазного сигнала будет наблюдаться значительное уменьшение коэффициентов передачи каскадов с ОЭ, образующих эти плечи.

Главным преимуществом дифференциального усилителя, особенно в интегральном исполнении, является малый дрейф нуля. В самом деле, одновременное и одинаковое температурное смещение входных характеристик транзисторов в левом и правом плечах дифференциального усилителя эквивалентны подаче синфазного сигнала, равного напряжению смещения U_бэ0. Синфазный сигнал подавляется в дифференциальном усилителе, и лишь некоторая асимметрия схемы может создать разностный сигнал. Кроме того, сопротивления или транзисторы, включаемые в эмиттерные цепи, не влияют на полезное усиление разностного сигнала, тогда как эммитерные сопротивления значительно уменьшают усиление каждого каскада и общее усиление.

В последнее время в качестве активных элементов дифференциальных усилителей широкое применение находят полевые транзисторы.