Схемотехника аналоговых микросхем

12.4. Дифференциальный усилительный каскад

Дифференциальный усилитель (ДУ) является одним из основных каскадов операционного усилителя. Он выполнен (рис. 12.4.) по балансной схеме и состоит из двух одинаковых плеч, каждое из которых содержит транзистор и резистор нагрузки. Эмиттеры транзисторов соединены между собой и через резистор Rэ или источник тока I0 подключены к общей шине.
Главная oсобенность схемы - ее симметрия. Интегральная технология позволяет получить одинаковые параметры транзисторов и пары резисторов.
Генератор тока обеспечивает постоянство тока в общей части эмиттерной цепи, поэтому потенциал эмиттера Uэ= const, т.е. можно считать, что эмиттеры для переменной составляющей заземлены.
Схема имеет два входа на которые одновременно можно подать два напряжения (сигнала): Uвх1 и Uвх2. Возможны два способа подачи входного сигнала.
При этом (Uвх1 - Uвх2) = Uвх. диф - дифференциальная составляющая входных сигналов, а (Uвх1 + Uвх2)/2 = Uвх. сс - синфазная составляющая входных сигналов.
За выходной сигнал схемы можно принимать:

• Uвых = Uк1 или Uвых = Uк2 - это несимметричный выходной сигнал;

2. Uвых =U12 =Uк1 - Uк2- это симметричный выходной сигнал. Обычно применятся последний способ снятия выходного сигнала. Здесь
Uвых= Uк1-Uк2= (Еп- Iк1Rк) - (Еп- Iк2 Rк) = Rк(Iк2 - Iк1).
Отсюда видно, что выходной сигнал не зависит от изменения питающего напряжения Еп и он пропорцианален разности токов (Iк2 - Iк1). , а потому не зависит от Еп.

Возможны два способа подачи входного сигнала

• Предположим, что каскад абсолютно симметричен, т. е. сопротивления резисторов и параметры транзисторов, входящих в каждое плечо, одинаковы. Тогда при одинаковых входных сигналах Uвх1 и Uвх2 токи Iк1 и Iк2 транзисторов также будут одинаковы, а это означает, что разность потенциалов между коллекторами (точки 1, 2) будет равна нулю. Этот случай, когда оба входных сигнала одинаковы как по амплитуде, так и по фазе, называется режимом усиления синфазного сигнала. Т.о. в идеальном ДУ синфазные сигналы не влияют на выходное напряжение.
• На рис.12.5а показан вариант синфазного, подключения входного сигнала, когда приращения напряжений на входах синфазны и равны Uвх1=Uвх2.
• При этом коллекторные токи транзисторов изменяются одинаково (синфазно), напряжения на коллекторах равны, а выходное напряжение: Uвых= Uк1-Uк2=0, ΔUвых= ΔUк1-ΔUк2=0, т.е. синфазный сигнал дифференциальным усилителем подавляется.
• . На рис.12.5б показано дифференциальное включение входного сигнала. Здесь на оба входа подать одинаковые по уровню, но разные по фазе сигналы, от в результате ток одного транзистора увеличится, а другого на столько же умень­шится т.е. ΔIк1=-ΔIк2. В этом случае разность потенциалов между коллекторами будет пропорциональна удвоенному значению изменения напряжения на коллекторе транзисторов. При этом через резистор Rэ будет течь неизменный ток I0. Т.о., напряжения на коллекторах меняются противофазно, а потому выходное напряжение равно:
• Uвых=ΔUк1- (- ΔUк1)=2ΔUк=2Rк.ΔIк ≈ αI0th(Uвх/2φт) ≈ К Uвх.
• Здесь К - коэффициент усиления дифференциального сигнала. Таким образом, дифференциальный сигнал усиливается, а синфазный сигнал подавляется.