Дифференциальный усилитель

Рассмотрим принцип действия дифференциального усилителя (ДУ) и формирование его усилительных параметров на простейшей биполярной схеме на рис.2.

ДУ имеет два усилительных транзистора V1 и V2 с коллекторными нагрузочными резисторами Rн1 и Rн2.Для усилительных транзисторов эмиттерные токи подаются от генератора стабильного тока Iо (ГСТ).

Оба транзистора ДУ должны иметь строго идентичные характеристики и резисторы коллекторных нагрузок должны быть равными по номиналам.При этом условии,если входной сигнал Uвх=0,усилитель сбалансирован и напряжение между его выходами

Uвых1-Uвых2=0 (1)

а) +Еп б) Uвых

Rк1 Rк2

Uвых1 Uвых2 +Еп

Iк1 Iк2

Uвых2

V1 V2 Uп

Uвых1

+ Uвх Io Uвых

син

_ t

Еп t1 t2

Есин

рис.2. Дифференциальный усилитель

а) схема

б) диаграмма выходных сигналов

Для идеального симметричного ДУ в режиме балланса эмиттерный ток Iо делится поровну между двумя усилительными транзисторами. Если пренебречь базовыми токами, можно считать,что коллекторные токи одинаковы и равны Io/2.Поэтому в режиме балланса потенциал каждого выхода имеет относительно земли синфазный уровень покоя

Uп=Uвых1=Uвых2=+Eп-IоRк/2, (2)

где Rк=Rк1=Rк2

Предположим,что в момент t1 (рис.2б) на базе транзистора V1 появляется увеличивающийся сигнал Uвх.В этом случае транзистор V1 получает ток смещения и его коллекторный ток Iк1 увеличивается. Поскольку сумма эмиттерных токов должна оставаться постоянной, то ток коллектора транзитора V2 уменьшается.

Условие

Iэ1+Iэ2=Iо (3)

выполняется для любых дифференциальных сигналов.

Таким образом,с увеличением входного сигнала Uвх выходное напряжениеUвых1 уменьшается (то есть приращение сигнала инвертировано на диоде);

Uвых1=+Еп-Iк1Rк1 (4)

Этот выход ДУ называется инвертирующим.На другом выходе ДУ напряжение Uвых2 увеличивается:

Uвых2=+Еп-Iк2Rк2 (5)

Это приращение сигнала неинвертировано по фазе относительно входного сигнала.Полный дифференциальный выходной сигнал, наблюдаемый между выходами ДУ:

Uвых2-Uвых1=Rк(Iк1-Iк2) (6)

где Rк=Rк1=Rк2

Дифференциальный выходной сигнал оказывается не заземлен.

Изменение выходных сигналов ДУ прекращается,когда весь ток Iо начинает течь по транзистору V1 (момент t2).Транзистор V2 с этого момента эммиттерный ток не получает и переходит в состояние отсечки. Если входной сигнал превышает некоторый уровень Uвх.мах,усилитель становится неуправляемым.

Если оба входа ДУ соединены и на них подан синфазный сигнал Есинф (показано пунктиром на рис.2а), то у ДУ идеальным ГСТ не должны изменяться выходные уровни.

Увеличение синфазного сигнала вызовет приоткрывание обоих транзисторов V1 и V2 одновременно.В результате токи Iэ1 и Iэ2 возрастут одновременно,суммарный ток Iо увеличивается.Увеличивается падение напряжения на внутреннем сопротивлении ГСТ.Потенциал эмиттеров обоих транзисторов возрастает.Увеличение потенциалов эмиттеров вызовет подзакрывание транзисторов V1 и V2 и возвращение их к исходному состоянию.Таким образом, при подаче синфазного сигнала за счет внутреннего сопротивления ГСТ образуется отрицательная обратная связь,которая будет тем сильнее,чем ближе к идеальным свойствам ГСТ.

Реально при подаче значительных синфазных сигналов положительной полярности увеличивается напряжение Uбэ обоих транзисторов,а также может возрасти уровень тока Iо.Из-за этого падение напряжения на коллекторных резисторах понижается относительно уровня балланса.

Способность ДУ выделять малые дифференциальные сигналы на фоне больших синфазных является одной из важнейших характеристик его качества.

Дата добавления: 2015-07-15