7. Устройство и принцип работы дифференциального усилителя Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах
Дифференциальный усилитель представляет собой мостовые усилительные каскады параллельного типа [5]. Они обладают высокой стабильностью параметров при воздействии различных дестабилизирующих факторов, большим коэффициентом усиления дифференциальных сигналов и высокой степенью подавления синфазных помех. Усилитель состоит из двух каскадов, у которых имеется общий эмиттерный резистор (рис. 30).
Рис. 30. Дифференциальный усилительный каскад (а) и его эквивалентная схема (б)
Элементы
схемы образуют мост, в одну диагональ
которого включен источник питания 
,
а
в другую – сопротивление нагрузки 
.
Для балансировки моста 
необходимо,
чтобы выполнялось условие:
,
или
,
где
и
–выходные
сопротивления транзисторов VT1
и
VT2.
Таким образом, можно утверждать, что если элементы схемы будут полностью идентичны, то выходное напряжение будет оставаться постоянным:
Дифференциальный усилитель имеет два входа и два выхода, поэтому для выходного напряжения можно записать:
,
где
и
–
соответственно
коэффициенты усиления каскадов на
транзисторах VT1
и
VT2.
В
случае когда входные сигналы равны по
амплитуде и противофазны, 
и
.
При этом выходной сигнал будет равен
где
–
коэффициент
усиления дифференциального усилителя.
В
отличие от полезного сигнала, который
поступает на входы дифференциального
усилителя в противофазе, на входы
усилителя могут действовать сигналы,
совпадающие по фазе. Такие сигналы
называются синфазными. Появление данных
сигналов обусловлено действием различных
дестабилизирующих факторов, например,
изменением температуры окружающей
среды, изменением питающих напряжений
наводками внешних электромагнитных
полей. Для идеального дифференциального
усилителя синфазные сигналы полностью
подавляются, т. е. коэффициент усиления
синфазного сигнала 
будет равен нулю.
В
реальных усилителях из-за неидентичности
каскадов подавление будет неполным, и
поэтому величина 
будет больше нуля.
Параметром качества дифференциального усилителя является отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала. Оно называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала, обычно измеряемым в дБ:
.
Величина
в
современных дифференциальных усилителях
достигает величины (–80…–130)
дБ [4]. Значение
характеризует
дрейф нуля усилителя, т.е. изменение
выходного напряжения при постоянном
входном сигнале. Для снижения дрейфа
нуля производят подбор пар транзисторов
с одинаковыми параметрами и увеличивают
.
Для увеличения 
в
эмиттерную цепь устанавливается не
пассивный резистор, а источник тока на
биполярном или полевом транзисторе [2,
3]. Эти схемы при небольшом статическом
сопротивлении обладают большим
дифференциальным сопротивлением.
Для
увеличения коэффициента усиления в
современных дифференциальных усилителях
вместо резисторов 
используют
активную нагрузку, выполненную на
транзисторах [2, 3].
Дифференциальный усилитель на полевых транзисторах
Для многих областей применения необходим дифференциальный усилитель с высоким входным сопротивлением. Оно может быть существенно увеличено при использовании в каскадах полевых транзисторов.
Типовая схема дифференциального усилителя, выполненного на полевых транзисторах, представлена на рис. 31.
Рис. 31. Типовая схема дифференциального усилителя,
выполненного на полевых транзисторах
Следует отметить, что из-за более значительного технологического разброса параметров симметрия дифференциального усилителя, построенного на полевых транзисторах, несколько хуже, чем у аналогичной схемы, выполненной на биполярных транзисторах. Поэтому усилители на полевых транзисторах обладают примерно на порядок бóльшим значением дрейфа нуля по сравнению с усилителями на биполярных транзисторах.
Дифференциальные усилители используют в тех случаях, когда требуется усиливать слабые сигналы на фоне значительных шумов. Примерами таких сигналов являются цифровые или аналоговые сигналы, передаваемые по длинным кабелям (кабель обычно состоит из двух скрученных проводов), радиочастотные сигналы (двухжильный кабель является дифференциальным), напряжения электрокардиограмм и многие другие. В этих случаях дифференциальный усилитель на приемном конце восстанавливает первоначальный сигнал, даже если синфазные помехи в несколько раз превышают его амплитуду.
Дифференциальные усилители широко используют при построении операционных усилителей, речь о которых пойдёт ниже. Они играют важную роль при разработке усилителей постоянного тока (которые усиливают частоты вплоть до постоянного тока, т. е. не используют для межкаскадной связи конденсаторы): их симметричная схема по сути своей приспособлена для компенсации температурного дрейфа, что позволяет таким усилителям стабильно работать в широком диапазоне температур.