Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказывал о генераторах пилообразного напряжения с использованием отрицательной обратной связи. Сегодняшняя статья посвящена такому классу электронных схем, как дифференциальные усилители.

Электрический мост – основа дифференциального усилителя

Одним из условий развития современной промышленности производства является широкое внедрение и использования средств автоматики и контроля. Для этого разработано большое количество различных датчиков, которые позволяют контролировать большинство параметров технологических процессов и характеристик выходного продукта.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

При современных требованиях к параметрам, выходной сигнала датчиков находится в пределах 0…20 мА, при этом колебания выходного сигнала соизмеримы с колебаниями источников питания устройств контроля (десятки мкА), а частота колебаний может составлять доли Герца. Поэтому применение обычных аналоговых усилителей весьма проблематично, вследствие того, что между каскадами усилителя обычно ставятся разделительные конденсаторы, не пропускающие постоянной составляющей сигнала. Кроме того конденсаторы вносят искажение в выходной сигнал.

Выходом из сложившейся ситуации является использование усилителей выполненных по так называемым балансным (балансно-разностным) схемам. Работа данных схем основана на электрическом мосту с симметричными плечами

Электрический мост с симметричными плечами.

Работа моста описывается следующим выражением

Таким образом, если выполняется данное условие, то при изменении напряжения питания ток в нагрузке остается равным нулю.

Схема дифференциального усилителя

Усилитель, выполненный по схеме электрического моста, называется дифференциальным усилителем и предназначен усиления разности между двумя входными сигналами. Простейшая схема дифференциального каскада усиления представлена ниже

Схема дифференциального каскада усиления.

Данная схема реализует электрический мост, плечи которого составляют резисторы R3 = R7 (коллекторные нагрузки транзисторов) и внутренне сопротивление транзисторов VT1 и VT2 совместно с резисторами R4’, R4’’ и R5. В одну из диагоналей моста подключен источник питания Ек, а в другую нагрузка, подключенная к выходным выводам (Вых.1 и Вых.2). Резисторы R1 = R7 и R2 = R8 служат для задания режимов работы транзисторов, а резисторы R4’, R4’’ и R5 для балансировки моста. Нормальная работа схемы обеспечивается симметрией электрического моста, в этом случае при отсутствии входного сигнала со стороны входа (Вх.1 и Вх.2) напряжение на выходе будет равно нулю в независимости от изменения напряжения питания.

Принцип работы дифференциального усилителя

Как говорилось выше, правильная работа дифференциального усилителя возможна при точной симметрии схемы. В этом случае ток покоя в обоих транзисторах и их изменение имеют одинаковое значение, так же как и напряжения на коллекторах транзисторов VT1 и VT2. Таким образом, при воздействии внешних факторов на транзисторы баланс моста не нарушается, а выходное напряжение не изменяется. В случае воздействия входного напряжения на один или оба входа схемы происходит изменение внутреннего сопротивления одного или обоих транзисторов и происходит разбалансировка моста и изменение выходного напряжения.

В реальных схемах достаточно трудно обеспечить абсолютную симметрию схемы, поэтому для регулировки токов покоя транзисторов используются резисторы R4’ и R4’’, которые иногда объединяют в общий переменный или подстроечный резистор, сопротивление которого составляет

Дифференциальные каскады усиления могут работать как с симметричными, так и с несимметричными входами и выходами. Несимметричным вход называется, в случае если входной сигнал поступает на один из входов (Вх.1 или Вх.2) и общим выводом, а симметричный вход – сигнал поступает между входными выводами. В случае с выходом происходит аналогичное именование: несимметричный выход – один из выходов (Вых.1 или Вых.2) и общий вывод, симметричный выход – между выходными выводами Вых.1 и Вых.2.

Несимметричные дифференциальные каскады обычно используются для перехода от несимметричных каскадов к симметричным каскадам и наоборот.

Основные параметры дифференциальных усилителей

Для дальнейшего повествования необходимо ввести такие понятия как дифференциальные и синфазные сигналы, которые действуют в дифференциальном усилителе.

Дифференциальные сигналы называют сигналы одинаковой амплитуды, но противоположные по фазе, присутствующие на входах дифференциального усилителя независимо от точки заземления усилителя.

Синфазные сигналы – это сигналы, имеющие одинаковую амплитуду и фазу одновременно присутствующие на обоих входах дифференциального усилителя.

Объяснить значение данных сигналов достаточно просто, как указывалось выше, дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности между сигналами на его входах. Таким образом, если одновременно на входы усилителя пришли сигналы с разным уровнем напряжения, то это дифференциальные сигналы, а если на входы пришли в один момент времени одинаковые по уровню напряжения сигналы то это синфазные сигналы. Дифференциальные сигналы приходят на вход усилителя, если использовать симметричный вход или несимметричные входа для разных сигналов в схемах сравнения. Синфазными сигналами являются, например, сигнал помехи или тепловые токи, действующие на входы усилителя одновременно с одинаковым уровнем напряжения.

Таким образом, сигналы на входах дифференциального усилителя поступают в виде суммы дифференциального и синфазного сигналов

Следовательно, входной уровень дифференциального сигнала будет равен

а коэффициент усиления дифференциального сигнала будет равен

Аналогично с синфазным сигналом. Входной уровень синфазного сигнала

а коэффициент усиления синфазного сигнала будет равен

Одним из основных параметров характеризующих качество дифференциального усилителя является коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС)

или же в логарифмической форме

У хороших дифференциальных усилителей К_ОССФ = 10⁴ …10⁶, что составляет 80…120 дБ.

Улучшение параметров дифференциального усилителя

Улучшение параметров дифференциального усилителя, прежде всего, связано с увеличением коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС). Наиболее простой способ это увеличение сопротивления эмиттерного резистора (R5 на схеме). Но это не всегда возможно, так как для поддержания заданного режима работы транзисторов необходимо увеличивать напряжение питания, и поэтому сопротивление данного резистора редко удается увеличить выше 3…6 кОм. Существует более качественный способ увеличения КОСС – применение источников тока. Одна из возможных схем дифференциального усилителя с транзисторным источником тока представлена ниже

Дифференциальный усилитель со стабилизатором тока в цепи эмиттера.

Улучшение работы дифференциального каскада со стабилизатором тока объясняется следующим образом. Стабилизатор тока в цепи эмиттера дифференциального каскада не даёт изменить суммарный ток транзисторов VT1 и VT2, поэтому входные сигналы, изменяя внутренне сопротивления данных транзисторов, как бы перераспределяют его между транзисторами. Следовательно, синфазные сигналы не изменяют коллекторный ток транзисторов, и выходное напряжение также не изменяется. Дифференциальные сигналы, пришедшие на входы каскада, как бы перераспределяют ток заданный стабилизатором тока, тем самым изменяя выходное напряжение. Например, на выводе Вх.1 напряжение больше, чем на выводе Вх.2, и поэтому ток транзистора VT1 увеличится за счёт тока транзистора VT2, изменяя выходное напряжение.

Расчёт дифференциального каскада усиления

Необходимо рассчитать дифференциальный усилитель со следующими параметрами: изменение входного сигнала ∆U_BX = 10 мВ, сопротивление источника сигнала R_Г = 1 кОм, изменение выходного напряжения ∆U_BbIX = 5 B.

1. Выберем напряжение питания усилителя Eк, которое должно обеспечить заданную амплитуду выходного сигнала и не вводить транзистор в насыщение
   • — транзистор при максимальной амплитуде не должен входить в насыщение

     

     где U_CEнас – напряжение насыщения транзисторов. Для маломощных U_CEнас =1 В, для мощных U_CEнас = 2 В.

   • — напряжение питания составит

     

     Примем Eк = 15 В

2. Выберем тип транзисторов усилительного каскада. Выберем транзистор типа КТ315 со следующими параметрами: U_CEmax = 30 В, I_Cmax = 100 mA, I_CBO = 1 mkA, f_h21e = 250 МГц, h_21e = 100, P_{K max} = 150 мВт.
3. Примем коллекторный ток транзисторов VT1 и VT2 I_C = 1 мA и рассчитаем резисторы устанавливающие режим работы данных транзисторов:
   • — коллекторные резисторы R_C = R3 = R5

     

     Примем R_C = 7,5 кОм

   • — резисторы в цепи базы R_b1=R1=R7, R_b2=R2=R8

     

     Примем R_b2=R2=R8 = 10 кОм

     

     Примем R_b1=R1=R7 = 150 кОм

4. Рассчитаем источник стабильного тока согласно данной статье
   • Выберем стабилитрон типа КС139Г со следующими параметрами U_ст.ном. = 3,9 В, I_ст.ном. = 5 мА.
   • — сопротивление резистора R6

     

     Примем R6 = 2,2 кОм

   • — cопротивление резистора R4

     

     Примем R4 = 1,6 кОм

5. Определим параметры дифференциального каскада. Для этого определим дифференциальное выходное сопротивление источника стабильного тока

   

   где r_CE и r_BE – внутренние коллекторно-эмиттерное и базо-эмиттерное сопротивления транзистора

   

   

   где U_γ – потенциал Эрли, который имеет следующие значения для n-p-n-транзисторов – 80…200 В, для p-n-p-транзисторов 40…150 В
   U_Т – тепловой потенциал, равный 26 мВ для комнатной температуры
   Таким образом, выходное дифференциальное сопротивление источника тока составит

   

   Коэффициент усиления дифференциального сигнала

   

   где R_ВХ – входное сопротивление дифференциального усилителя

   

   где R11 – эквивалентное входное сопротивление
   Rb – эквивалентное базовое сопротивление

   

   

   тогда

   

   а коэффициент дифференциального усиления составит

   

   Коэффициент усиления синфазного сигнала

   

   Коэффициент ослабления синфазного сигнала

   

К_ОССФ = 55803 раза или 95 дБ, что является достаточно неплохим результатом, так как в случае применения вместо стабилизатора тока обычного резистора порядка нескольких сотен Ом К_ОССФ составил бы 50…60 дБ, что является недостаточным значениемдля современного уровня развития электронных устройств.

Вместо заключения

Закончить статью о дифференциальных усилителях невозможно без рассказа о тех сферах, где они применяются. Как уже понятно из названия, прежде всего это применение в качестве усилителя с большим коэффициентом усиления. Также широко применяются в тех сферах, где обычные усилители неэффективны из-за большого уровня помех. Кроме этого на основе дифференциальных усилителей построены операционные усилители различного назначения, которые имеют коэффициент усиления от 100 тыс. нескольких миллионов, а входное сопротивление составляет порядка нескольких ГИГАОМ. Также дифференциальные усилители применяют прежде всего в схемах усилителей постоянного тока, для которых они и были разработаны в первую очередь, а также в схемах сравнения и так далее.