Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах

Схема дифференциального усилителя представлена на рис. 2.36. Как и при анализе операционного усилителя, при рассмотрении дифференциального усилителя широко используют дифференциальное входное напряжение u вх.диф и синфазное входное напряжение u вх.синф. Эти понятия при обращении к операционному усилителю используют потому, что в качестве его входного каскада применяется дифференциальный усилитель. Дифференциальное входное напряжение определяется выражением: u вх.диф = u вх2 − и_вх1  Пусть u вх.диф = 0, тогда u вх.синф = и_вх1 = и_вх2 Напряжение u вых.диф называют выходным дифференциальным сигналом, причем u вых.диф = u К1 − u К2 Основная идея, реализованная в дифференциальном каскаде, как это было показано выше, состоит в использовании в одном целом двух совершенно одинаковых половин. Эта идея достаточно часто применяется в электронике. Использование двух одинаковых половин приводит к тому, что выходное напряжение u вых.диф очень слабо зависит от входного синфазного напряжения и практически определяется только напряжением u вх.диф . Усилитель называют дифференциальным потому, что u вых.диф пропорционально напряжению u вх.диф (пропорционально разности напряжений u вх1 и u вх2 ) Другие дестабилизирующие факторы, кроме синфазного напряжения, также оказывают слабое влияние на величину u вх.диф .

Допустим, что ток i₀ является неизменным, а схема полностью симметрична и u диф = 0, тогда i_К1= i_К2 ~ i₀ / 2, так как ток коллектора каждого транзистора примерно равен току эмиттера. В случае изменения входного синфазного сигнала токи i_К1 и i_K2 не изменяются и поэтому не изменяются напряжения u_K1 и u_K2, не говоря уже о напряжении u вых.диф. В соответствии с этим в реальных усилителях вместо резистора R_э и источника напряжения Е_э часто для ослабления влияния синфазного сигнала используют ту или иную схему на транзисторах, которая выполняет функцию источника тока. Эту схему при анализе обычно заменяют источником тока (на рис. 2.36 пунктир).

В интегральных схемах области полупроводника, соответствующие транзисторам, располагают очень близко друг от друга. Поэтому параметры транзисторов оказываются очень близкими, что обеспечивает симметрию дифференциального усилителя.

Рассмотрим кратко процессы, происходящие в усилителе при поступлении на его вход положительного сигнала u вх.диф . При увеличении этого сигнала, во-первых, увеличиваются ток базы и ток коллектора транзистора Т₂. Это приводит к увеличению напряжения u R K2 и уменьшению напряжения u_K2. Во-вторых, уменьшаются ток базы и ток коллектора транзистора Т₁. Это приводит к уменьшению напряжения u R K1 и увеличению напряжения u_K1. В результате напряжение  u вых.диф увеличивается. Если напряжение  u вх.диф чрезмерно велико, то транзистор Т₂ может войти в режим насыщения, а транзисторT₁ — в режим отсечки. При отрицательном напряжении u  вх.диф транзисторы меняются ролями.

Проведем количественный анализ рассмотренного выше усилителя (рис. 2.36). Пусть u диф = 0 и установлен фиксированный ток i₀. Обозначим через β_ст1, β_ст2 статические коэффициенты передачи тока базы, а через β₁, β₂ динамические коэффициенты соответственно для транзисторов Т₁ и Т₂. Если β_ст1 = β_ст2 = β_ст, β₁= β₂ = β, тогда в начальном режиме i б 1 = i б 2 = i₀ / [ 2 · ( 1 + β_ст ) ] ≈ i₀ / ( 2   β_ст ) i К 1 = i К2 ≈ i₀ / 2

Допустим, R_K1 = R_K2 = R_K , тогда

u_K1 = u_K2 = E – ( i₀ / 2 ) · R_K , u вых . диф = 0

В частности, если i₀ = E_K / R_K , то u_K 1 = u_K 2 = E_K / 2

Такой начальный режим работы обеспечивает максимально возможный диапазон изменения напряжений u_К1, u_К2 и u вых.диф ( −Е_К … +Е_К).

Нетрудно заметить, что u вых.диф = | ∆i_б | · β · R_K · 2

С учетом выражений для u вх.диф и u вых.диф получим К_диф = u вых.диф / u вх.диф = = β · R_K / [ ( β + 1) · r э ] ≈ R_K / r э Как известно, при увеличении начального тока в цепи эмиттера величина r_э уменьшается, а при уменьшении увеличивается. Поэтому при увеличении тока i₀ коэффициент К_диф увеличивается. Это позволяет изменять коэффициент усиления, изменяя начальный режим работы усилителя.