Дифференциальный каскад

Дифференциальный каскад – это симметричный усилитель постоянного напряжения с двумя входами и двумя выходами. Основная его схема представлена на рисунке 5. В общую эмиттерную цепь включён источник тока на транзисторе VT2. За счёт этого обеспечивается постоянство эмиттерных токов транзисторов VT1 и VT3: I_Э1 I_Э3 = I_K2. Если Е_С1 = Е_С2 = 0, вследствие симметрии схемы ток I_K2 равномерно распределяется между транзисторами VT1 и VT3:

I_Э1 = I_Э3 = I_K2 /2,

откуда, пренебрегая базовым током, найдём, что:

I_К1 + I_К3 = I_K2 .

Рис. 5. Основная схема дифференциального усилителя

Эти соотношения не изменятся, если входные сигналы получат одинаковые приращения (синфазный сигнал). Поскольку резисторы R_К2 и R_К1 одинаковы, коллекторные токи транзисторов дифференциальной пары остаются равными друг другу, не изменяется и разность выходных напряжений: U_ВЫХ1 - U_ВЫХ2 » 0,то есть коэффициент усиления синфазного сигнала в первом приближении равен нулю.

Если для определённости положить, что Е_С1 > Е_С2 , то изменяется распределение токов в дифференциальной паре:I_К1увеличивается, а I_К3 соответственно уменьшается, а их сумма остаётся равной I_K2. Поэтому приращения коллекторных токов транзисторов VT1 и VT3 равны по абсолютной величине и противоположны по знаку:DI_К1 = -DI_К2.

Приращения токов I_К1 и I_К3вызывают соответствующие приращения напряжений на резисторах R_K1 и R_K2. Таким образом, в отличие от синфазного управления, разность входных напряжений вызывает изменение выходных напряжений.

Заметим, что изменение напряжений база-эмиттер под воздействием температуры действует как синфазный сигнал и, следовательно, не влияет на работу схемы. Поэтому усилитель на основе дифференциального каскада хорошо приспособлен для усиления сигналов постоянного тока и является основой для создания операционных усилителей.

В том случае, когда необходимо усилить не разность напряжений, а только одно входное напряжение, другой вход каскада можно заземлить, в результате чего дифференциальное напряжение будет равно Е_С1 либо –Е_С2, в зависимости от того, какой из входов заземлён.

Коэффициенты усиления для дифференциального сигнала по выходам 1 и 2 отличаются только знаком, так как один из транзисторов работает в схеме включения с ОЭ, другой – с ОБ:

то есть приращения коллекторных напряжений равны, но имеют противоположные знаки.

На самом деле дифференциальный каскад реагирует и на изменение синфазного сигнала. Чтобы определить коэффициент усиления синфазного сигналаK_U.СФ, будем считать, что в эмиттерные цепи дифференциальной пары включён источник тока с сопротивлением r_ИТ. Если к обоим входам приложить одно и то же напряжение U_СФ, то ток равномерно распределится между транзисторами VT1 и VT2. При этом их можно рассматривать как два параллельно включённых эмиттерных повторителя с общим эмиттерным сопротивлением r_ИТ. Задавая приращение DU_СФ, найдём приращение тока коллектора транзистора VT1 или VT2:

Тогда для коэффициента усиления синфазного сигнала получим:

то есть К_U.СФ может быть сделан много меньше единицы, но не равен нулю.

Одним из параметров качества дифференциального усилителя является коэффициент ослабления синфазного сигнала:

,

показывающий, во сколько раз коэффициент усиления дифференциального сигнала больше коэффициента усиления синфазного сигнала.

Входное сопротивление для дифференциального сигнала зависит как от режима (тока I_К2), так и от параметров транзисторов:

. (7)

В режиме большого сигнала работа дифференциального усилителя существенно отличается от работы одиночного транзистора, так как передаточная характеристика дифференциальной пары описывается гиперболическим тангенсом:

транзистор коллектор эмиттер дифференциальный каскад

 (8)

при условии, что Е_С2 = 0.

Передаточная характеристика, описываемая выражением (8), приведена на рисунке 6. Линейный участок этой характеристики составляет около ± 2j_Т, или ± 50 мВ.

Как правило, транзисторы, образующие дифференциальную пару, при равных токах эмиттера имеют несколько отличающиеся напряжения база-эмиттер, что обусловлено технологическим разбросом площадей эмиттеров. Или, что то же самое, при одинаковых напряжениях база-эмиттер токи эмиттеров, а значит, и коллекторов будут отличаться:

 (9)

где I_S1, I_S3 – ток насыщения обратно смещённого перехода база-эмиттер, обусловленный площадью S p-n перехода.

Рис. 6. Проходная характеристика дифференциального каскада

Если транзисторы VT1 и VT3 выполнены в едином технологическом цикле, из выражения (9) следует, что:

С другой стороны, если потребовать, чтобы токи коллекторов транзисторов дифференциальной пары были равны, на один из входов необходимо подать компенсирующее напряжение, знак которого будет определяться тем, какой из транзисторов имеет большую площадь эмиттера:

 (10)

где S_i – площадь эмиттера i-го транзистора.

Выражение (10) определяет напряжение сдвига, то есть такое напряжение, которое нужно приложить ко входу дифференциального каскада, чтобы токи транзисторов были равны и выходное напряжение:

U_ВЫХ1 - U_ВЫХ2 = 0.

Напряжение сдвига зависит ещё и от других факторов: b транзистора, температуры и т.д. Типичное значение напряжения разбаланса для транзисторов, выполненных на одной подложке, составляет 2,5–5 мВ. Регулировку нуля дифференциального каскада можно осуществлять подбором резисторов R_K, подачей напряжения соответствующей полярности на один из входов или установкой в эмиттер транзистора резистора, сопротивление которого меньше, чем r_Э, чтобы несколько увеличить отрицательную обратную связь по току.