Разновидности схем дифференциальных усилителей

Для увеличения коэффициента усиления дифференциального сигнала часто вместо резисторов R_К используют активную нагрузку, выполненную на биполярных или полевых транзисторах. Она представляет собой нелинейный элемент, статическое сопротивление которого значительно меньше его дифференциального сопротивления. В этом случае падение напряжения на этом элементе от протекания тока покоя будет определяться его статическим сопротивлением, а отклонения выходного напряжения, вызванные изменениями тока коллектора – его дифференциальным сопротивлением. Роль нелинейного элемента может выполнять генератор стабильного тока (ГСТ).

На рис. 4 приведена схема ДУ, у которого в качестве активной нагрузки использована схема «токового зеркала».

Рис. 4. Дифференциальный усилитель с активной нагрузкой

Нагрузочное «токовое зеркало» образовано p-n-p транзисторами VT₃ и VT₄.-Предположим, что в установившемся режиме выполняется условие

начальный ток, ток покоя).

Следовательно, выходной ток каскада, равный разности токов транзисторов VT₄ и VT₂,-равен нулю:

Предположим, что в некоторый момент времени на входы ДУ поданы парафазные напряжения, вызвавшие изменения коллекторных токов транзисторов VT₁ и VT₂ на . Тогда

Таким образом, все изменения транзисторов VT₁ и VT₂ будут протекать через внешнюю нагрузку ДУ, что предполагает получение максимально допустимого в каскаде коэффициента усиления. Его значение определяется только сопротивлением внешней нагрузки R_Н, а не приведённым сопротивлением R_Кн= R_К || R_Н.

(6.30)

В схеме на рис. 4 схема «токового зеркала» использована дважды. Второе «зеркало» выполнено на транзисторах VT₅ и VT₆, использовано в качестве эмиттерного сопротивления R₀. Значение суммарного эмиттерного тока каскада I₀ задано резистором R₁.

На практике ДУ может использоваться как с симметричными, так и несимметричными входами и выходами. Схема с несимметричным выходом применяется, как правило, для согласования ДУ с каскадами на одиночных транзисторах, т.е. когда следующий за ДУ каскад имеет несимметричный вход. Если к ДУ необходимо подключить предыдущий каскад с несимметричным выходом, напряжение неиспользуемого входа, чаще всего, фиксируют на неизменном уровне. Для этой цели может быть использован дополнительный делитель напряжения. Пример каскада с несимметричными входом и выходом приведён на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Дифференциальный усилитель с несимметричными

входом и выходом

Следует отметить, что отсутствие второго коллекторного резистора приводит к уменьшению суммарного коэффициента усиления каскада, а использование несимметричных входа и выхода – к увеличению дрейфа нуля.

Для увеличения входного дифференциального сопротивления R_ВХД необходимо снижать базовые токи покоя транзисторов VT₁ и VT₂ до ничтожно малых значений (единицы наноампер), но это уменьшит динамический диапазон ДУ, под котором понимают выраженное в децибелах отношение максимального сигнала к минимальному. Чтобы этого не происходило, нужно увеличивать коэффициент усиления транзисторов по току (единицы тысяч) за счёт уменьшения толщины базы. Но это уменьшает пробивные напряжения и усложняет задачу стабилизации режима. Поэтому, в ряде случаев, для повышения входного сопротивления ДУ применяют составные биполярные транзисторы или полевые транзисторы с управляющим p-n-затвором.

На рис. 6.14 показана схема на составных транзисторах. Составные транзисторы кроме увеличения входного сопротивления позволяют значительно поднять усиление каскада.

Рис. 6.14 Схема ДУ на составных транзисторах

Типовая схема ДУ на транзисторах с управляющим p-n-переходом и n-каналом приведена на рис. 6.15.

Рис. 6.15. Схема ДУ на полевых транзисторах

Предпочтение отдано транзисторам с управляющим p-n-затвором из-за их более высокой стабильности характеристик, большой электрической прочности затвора (меньше боятся пробоя статическим электричеством), большей допустимой разности входных напряжений (до 20…30 В).

Особенностью схемы на рис. 6.15 является использование в качестве истокового токозадающего элемента источника тока на транзисторе VT₃ и резистора обратной связи R_Н. Резисторы R_з1 и R_з2 предназначены для задания начального смещения на затворах VT₁ и VT₂.