Дата последнего обновления файла 24.04.2016

Дифференциальный усилитель

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 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

Схема дифференциального каскада
Рисунок 1 Схема простейшего дифференциального усилителя

В этой схеме эмиттеры двух транзисторов соединены между собой, образуя дифференциальную пару. Подобное схемное решение позволяет сохранять постоянный суммарный ток этой пары транзисторов благодаря тому, что на их базы подается противофазный сигнал (парафазный или симметричный). При увеличении тока эмиттера транзистора VT1, ток транзистора VT2 уменьшается на точно такую же величину. Благодаря постоянному току через резистор R3, падение напряжения на его сопротивлении тоже оказывается постоянным и поэтому можно считать, что точка соединения эмиттеров транзисторов дифференциального усилителя по переменному току эквивалентна нулевому потенциалу.

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:

Формула коэффициента усиления дифференциального усилителя      (1),
где Ku — коэффициент усиления по напряжению;
     — крутизна усиления транзистора;
    Rк = R2 = R4 — сопротивление нагрузки транзистора.

Не менее важным параметром дифференциального усилителя является подавление синфазного сигнала. Этот параметр можно выразить через усиление синфазного сигнала. В случае синфазного сигнала напряжение подается на обе базы одновременно. Поэтому ток, протекающий по резистору R3, суммируется. На этот раз напряжение сигнала в точке соединения эмиттеров не равно нулю, а определяется протекающим через резистор R3 током. Если выходное напряжение определять между корпусом и одним из выходов, то усиление синфазного сигнала дифференциальным усилителем можно определить следующим образом:

Формула синфазного коэффициента передачи дифференциального усилителя      (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:

Формула коэффициента ослабления синфазного сигнала дифференциальным усилителем      (3),

При токе каскада 1 мА и сопротивлении R3 = 7,5 кОм 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.

Схема дифференциального каскада с генератором тока
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.

Схема дифференциального каскада в несимметричном усилителе
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.

Литература:

  1. Шило В. Л. "Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре" под ред. Е.И. Гальперина — М.: "Сов. радио" 1974
  2. У. Титце, К.Шенк "Полупроводниковая схемотехника" М.: Мир 1982
  3. Усилительный каскад на биполярном транзисторе Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
  4. Характеристики транзистора КТ3102
  5. Характеристики транзистора КТ3130
  6. Характеристики транзисторов BC846 BC847 BC848
  7. Характеристики транзистора BFQ67

Вместе со статьей "Дифференциальный усилитель" читают:

Схема каскада с фиксированным напряжением на базе
http://digteh.ru/Sxemoteh/ShTrzKask/FiksNaprBaz/

Коллекторная стабилизация
http://digteh.ru/Sxemoteh/ShTrzKask/KollStab/

Эмиттерная стабилизация
http://digteh.ru/Sxemoteh/ShTrzKask/EmitStab/

Двухтактные усилители
http://digteh.ru/Sxemoteh/ShTrzKask/DvTaktUs/


Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2017

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс

Поиск по сайту сервисом ГУГЛ

пЕИРХМЦ@Mail.ru


Rambler's Top100