Дифференциальный каскад

В электронной технике часто требуются усилители сигналов, скорость изменения которых очень низка, например с датчиков медленно изменяющихся сигналов, таких как термопара. Такие усилители называют усилителями постоянного тока. Наиболее распространенной схемой, на базе которой они создаются, является дифференциальный каскад (рис. 2.8, а).

Рис. 2.8. Дифференциальный усилительный каскад (а) и передаточная динамическая характеристика транзисторов (б)

В дифференциальной схеме два входа, два выхода и два источника питания. Предположим, что параметры левого и правого плеч схемы одинаковы. Положительный потенциал источника питания Есм, поступающий через корпус и цепи входных сигналов на базы обоих транзисторов, открывает их в равной степени. Рабочие точки р на рис. 2.8, б транзисторов VTl и VT2 совпадают. Поэтому при отсутствии входных сигналов под действием источника питания Ек по резисторам R1, и R2 протекают одинаковые коллекторные токи I1 = I2 = IКр. Так как R1 = R2, то эти токи создают на них одинаковые падения напряжения, а значит, потенциалы точек a и b одинаковы. Если нагрузочное сопротивление включить между точками а и b, то выходное напряжение на нем равно нулю. Так можно выполнить требования усилителей постоянного тока о равенстве нулю Uвых при отсутствии сигнала Uвх. Такое состояние схемы называют режимом покоя.

Если пренебречь базовыми токами, то по резистору R3 протекает сумма токов I1 + I2, создающая на нем падение напряжения. Напряжение, задающее исходные рабочие точки транзисторов, будет определяться разностью Есм и напряжения на R3:

Такое включение R3 создает последовательную отрицательную обратную связь по току, стабилизируя исходные рабочие точки транзисторов. Любые одновременные изменения, например, увеличение токов I1 и I2, возникающие под действием изменений напряжения источника питания, температуры и т.д., вызовут увеличение падения напряжения на R3 и, следовательно, такое уменьшение UБЭ, которое стремится вернуть (снизить) коллекторные токи к исходному значению, т.е. стабилизировать их суммарное значение:

Таким же образом дифференциальный каскад реагирует на синфазные сигнал и помеху, т.е. входные сигналы, которые одновременно (без сдвига фаз) и одинаково (Uвх1= Uвх2) действуют на оба входа, стремясь одновременно изменить I1 и I2. Обратная связь тем выше, чем больше R3.

Совершенно по-иному реагирует дифференциальный каскад, если сигналы на входах каскада противофазные (например, Uвх1 = +Uвх, а Uвх2 = -Uвх). В этом случае (см. рис. 2.8, б) ток I1 возрастет на ΔI, а I2 уменьшится на ΔI, но их сумма останется неизменной.

Поэтому обратная связь не стремится уменьшить изменения токов и каждое плечо ведет себя как обычная схема ОЭ, т.е. потенциал точки а и Uвых1 понизятся, а потенциал точки b и UВых2 повысятся. Каскад реагирует только на разность входных сигналов, почему и называется дифференциальным.

Рассмотрим еще один случай, когда напряжение UBX действует только на один из входов, например UBX1 > 0, а UBX2= 0. В первый момент ток I1 возрастает, допустим, на +ΔI, а I2 остается неизменным, при этом возрастет и сумма токов (I1 + ΔI) + I2, но вступившая в действие обратная связь приведет к тому, что ток первого транзистора станет равным I1 + ΔI/2, а ток второго: I2 – ΔI/2. И в этом случае потенциал точки а понизится, а точки b повысится, но изменения Uвых будут в 2 раза меньше, чем в предыдущем случае.

Обычно усилители постоянного тока имеют несколько каскадов, причем дифференциальный каскад является первым и у него используется только один выход. Если принять, что используется выход 2, то подача положительного сигнала на вход 1 приводит к увеличению выходного сигнала, а подача положительного сигнала на вход 2 – к уменьшению. Поэтому вход 1 называют прямым, или неинвертирующим, а вход 2 – обратным, или инвертирующим.