21. Дифференциальный усилитель, подавление синфазного сигнала.

Дифференциальный усилитель (ДУ) является одним из важнейших узлов интегральных схем (ИС), например, операционный усилитель, компаратор, модулятор, демодулятор и т.д. Дифференциальный усилитель – это, как правило, входное устройство, которое определяет основные параметры ИС, такие как входное сопротивление, напряжение смещения, коэффициент ослабления синфазного сигнала, коэффициент усиления дифференциального сигнала.

Дифференциальный каскад представляет собой усилитель с двумя входами, относительно которых коэффициенты усиления одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Усиление сигнала, поступающего на один вход, происходит без изменения фазы К+, на другой вход с изменением знака на противоположный К. Выходной сигнал определяется результатом суммирования сигналов, поступивших на оба входаU_вых=U_вхК+ U_вхК. Дифференциальный усилитель может быть собран как на биполярных, так и на полевых транзисторах. Рассмотрим ДУ на биполярном транзисторе.

Рис. 10. Дифференциальный усилитель на БТ

Предположим, что оба транзистора дифференциальной пары Т₁и Т₂работают в активном режиме и их базовые токи малы (враз меньше) по сравнению с токами коллектора. Для тока коллектора Т₁запишем:

,

где I₀– обратный ток коллектора;

U_б-э – напряжение база – эмиттер (U_б-э = U_б U_э).U_Т= 0,025 В.

,

где К = 1,3810^23Втгр^1постоянная Больцмана;

q= 1,610^19 – элементарный заряд;

U_т– температурный потенциал приблизительно равен 0,025 В.

Аналогично для второго транзистора .

Если транзисторы Т₁и Т₂были идентичны и работали при одинаковых коллекторных напряжениях, тоI₀₁=I₀₂. Однако если даже оба транзистора выполнены на одном кристалле, они не будут абсолютно одинаковы. Поэтому вводится понятие «напряжение смещения», определяемое соотношением

,

откуда .

Если транзисторы идентичны, то U_см 0. С учетом напряжения смещения запишем:

С учетом того, что I_Q=I₁+I₂запишем, откуда

.

Подставляя полученное выражение для определения I₁, запишем:

.

Разделим числитель и знаменатель на , получим –

.

Для тока I₂имеем:

Поскольку U_б-э1=U_б1 U_э1;U_бэ2=U_б2U_э2и, учитывая, чтоU_э1=U_э2, можно записатьU_б-э1U_б-э2=U_б1U_б2.

Дифференциальное входное напряжение определяется: U_д=U_б1 U_б2. Запишем значенияI₁иI₂с учетомU_д:

Если U_д=U_см, тоI₁=I₂=I_Q/2 (рис. 11).

Рис. 11. Передаточная характеристика ДУ

При изменении U_дв одну или другую сторону относительно нулевого потенциала ток одного транзистора увеличивается, другого падает. Однако, нет такой точки, где весь токI_Qпротекает только через один транзистор, а другой полностью закрыт. Рассматриваемый усилитель является дифференциальным или разностным, реагирующим только на разность напряжений, поданных на его входы.