STR-22~1

Дифференциальные усилители (ДУ). Другое название их - параллель­но-балансные каскады.

Принцип работы балансной схемы можно пояснить на примере четы­рехплечевого моста схема которого представлена на рис.1.20. Если выполняется условие R₁R₃ = R₂R₄, т.е. мост сбалансирован, то в наг­рузочном резисторе R_н ток равен нулю. Баланс не нарушится и в том случае, если будет изменяться напряжение Е.

На рис.1.21 представлена схема простейшего дифференциального каскада, которая аналогична схеме рис.1.20, если резисторы R₂ и R₃ заменить транзисторами Т₁ и Т₂ и считать, что R₁ = R_к1, а R₄ = R_к2. Сопротивления резисторов R_к1 и R_к2 выбирают равными, а транзисторы Т₁ и Т₂ с идентичными характеристиками. В этом случае схема симмет­рична.

В отсутствие сигнала напряжение на выходе U_вых12 равно нулю. Поскольку схема симметрична, всякое одновременное изменение харак­теристик транзисторов (за счет изменения температуры или из-за ста­рения) вызовет одинаковое изменение токов в обоих плечах, поэтому разбаланса схемы не произойдет и дрейф выходного напряжения будет практически равен нулю.

Рассмотрим, как изменится состояние схемы при подаче на входы 1 и 2 сигналов: равных по значению и синфазных; равных по значению и противофазных (дифференциальных).

На вход ДУ поданы синфазные сигналы. Потенциалы баз транзисторов изменятся на одну величину. Ток через резистор R_э поровну распреде­лится между плечами ДУ, и потенциалы коллекторов изменятся на одно и то же значение. Напряжение на выходе будет равно нулю. Таким об­разом, идеальный ДУ не пропускает на выход синфазный сигнал.

На вход ДУ поданы дифференциальные сигналы. Входное напряжение U_вх12 между точками 1 и 2 будет равно разности этих сигналов. Пос­кольку схема симметрична, половина этого входного напряжения будет приложена к эмиттерному переходу одного транзистора (со знаком плюс), а другая половина - к эмиттерному переходу другого транзис­тора (со знаком минус). В результате этого приращения токов в пле­чах схемы будут одинаковы, но с разными знаками. Потенциал коллек­тора одного транзистора увеличится, а другого уменьшится на одно и то же значение. На выходе ДУ между точками а и б появится выходное напряжение. Таким образом, дифференциальный сигнал, поданный на вход ДУ, вызывает появление усиленного сигнала на выходе.

В идеальных ДУ за счет подавления синфазного сигнала дрейфа нуля не существует, в реальных ДУ он присутствует, но очень незначителен по сравнению с дифференциальным (полезным) сигналом.

Качество ДУ оценивают коэффициентом подавления синфазного сигна­ла К_псс = К_Д/К_С, где К_Д - коэффициент усиления дифференциального сигнала; К_С - коэффициент усиления синфазного сигнала. ДУ считается хорошим, если К_псс > 10⁴ - 10⁵.

Поскольку в основе работы ДУ лежит идеальная симметричность его плеч, а выполнить это практически возможно только при микроэлект­ронном исполнении, наиболее широко ДУ используются в интегральных микросхемах.

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, с очень высоким и стабильным коэффициентом усиления (от 1000 до 100000), широкой полосой пропус­кания сигнала (f_в = 10  100 МГц), высоким входным сопротивлением (R_вх > 10 кОм), малым выходным сопротивлением (R_вых < 100 Ом), ма­лым дрейфом нуля, высоким коэффициентом подавления синфазных сигна­лов, несимметричным выходом. Таким образом, это высококачественный универсальный усилитель.

Один из входов ОУ называют прямым, т.к. сигнал на выходе и сигнал на этом входе имеют одинаковую полярность. Другой вход называют инвертирующим, т.к. сигнал на выходе имеет противоположную полярность по отношению к сигналу на этом входе. Питание ОУ осуществляется от двухполярного источника со средней точкой , это дает возможность по­лучить на выходе ОУ двухполярный сигнал. Существуют различные вари­анты подачи входного сигнала (на один из входов, между двумя входа­ми, два различных сигнала). Часто сигнал подают на неинвертирующий вход, а через инвертирующий вход ОУ охватывают глубокой обратной связью (ОС). В этом случае можно получить устройства с различными свойствами, которые будут определяться параметрами цепи ОС. С помощью такого ОУ можно осуществлять математические операции (умножение, интегрирование, дифференцирование, сравнение и др.). Операционный усилитель являет­ся универсальным устройством аналоговых (линейных) интегральных микросхем.

39