Симметричный дифференциальный каскад

В основе построения систем, нечувствительных к помехам лежит использование свойств сбалансированного моста, выходное напряжение которого равно нулю при равенстве соседних компонентов. Используя в качестве верхних компонентов одинаковые резисторы R_K1 = R_K2 = R_K, а в качестве нижних – близкие по параметрам транзисторы (дифференциальная пара), получим симметричный дифференциальный каскад (Рис. 8.14)

Симметричный дифференциальный каскад

В общем случае входной и выходной сигналы могут иметь синфазную составляющую (помеху):

Рассмотрим работу каскада при подаче на его входы дифференциального и синфазного сигналов.

В режиме дифференциального сигнала напряжения на базах транзисторов изменяются в противоположные стороны – одно из них увеличивается, а другое – уменьшается на такую же величину. Аналогичным образом изменяются и токи через транзисторы. Суммарный ток, протекающий в этом случае через R_Э не изменяется, в результате не меняется и падение напряжения на резисторе R_Э. В режиме дифференциального сигнала U_Э = const.

В результате транзисторы VT1, VT2 работают как в каскаде ОЭ.

Коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется выражением:

В режиме синфазного сигнала напряжения на базах транзисторов изменяются на одинаковую величину. Аналогично изменяются токи через транзисторы и напряжения на коллекторах транзисторов. Два транзистора, на выводах которых напряжения изменяются одинаково (синфазно), можно заменить одним эквивалентным, а два одинаковых коллекторных резистора – на один, равный R_K/2. Коэффициент усиления синфазной помехи запишем, используя формулу каскада ОЭ

Вычисления показывают, что K > > KC, однако, синфазная помеха может иметь амплитуду в несколько вольт при полезном дифференциальном сигнале в несколько микровольт. Важным параметром каскада является коэффициент подавления синфазной помехи, показывающий, во сколько раз (или на сколько децибел) меньше усиливается помеха, чем полезный сигнал.

Пример. В дифференциальном каскаде использованы транзисторы с сопротивлением эмиттера rэ = 250 Ом. Сопротивления резисторов R_к=R_э=75 кОм. В этом случае К_диф=150, К_синф=0, 5, К_ПОД=300. При питании от источников +/-15 В ток покоя цепей коллекторов равен 100 мкА при напряжении на коллекторах относительно общей точки 7, 5 В.

Повысить параметры дифференциального усилителя в принципе можно простым увеличением сопротивлений резисторов R_К и R_Э, но при этом уменьшится ток покоя транзисторов и, как следствие, ухудшится усиление, температурная и временная стабильность каскада. Эффективный путь улучшения характеристик усилителя состоит в замене линейных резисторов источниками тока, обладающими высоким динамическим сопротивлением при достаточно больших токах. Вместо R_Э используют генератор стабильного тока (ГСТ) на транзисторе по схеме ОБ, (Рис. 8.14, схема 2) а вместо резисторов R_К - динамическую нагрузку, так называемое токовое зеркало (Рис. 8.15).

При подаче на входы дифференциального каскада дифференциального сигнала

произойдет увеличение I_K1 и уменьшение I_K2. Направление приращения тока Δ I_K1 прибавляется к первоначальному значению, поэтому вектор приращения Δ I_K1 направлен сверху вниз. Для тока Δ I_K2, который уменьшается - противоположное направление вектора.

Ток Δ I_K1 является входным, а ток Δ I_Т - выходным для схемы токового зеркала на транзисторах VT3 и VT4, близких по параметрам.

Увеличение тока I_K1 вызывает увеличение напряжения U_БЭ транзисторов VT3 и VT4, что приводит к увеличению тока I_T. Входной ток Δ I_K1 отражается в другой цепи в виде выходного тока Δ I_Т

Однако, точного равенства токов в токовом зеркале нет из-за асимметричности схемы.

Поскольку U_БЭ1=U_БЭ2 = U_БЭ то при согласованных по параметрам транзисторах I_Б1=I_Б2=I_Б и I_К1=I_К2= β I_Б,
где β - коэффициент усиления по току. При этом

Δ I_K1= β I_Б +2I_Б и I_Т= β I_Б

Отсюда

Таким образом, выходной ток схемы почти повторяет входной, поэтому схема и называется токовым зеркалом. Использование токовых зеркал в качестве динамической нагрузки дифференциального каскада и в качестве источника тока в цепи эмиттеров позволяет получить коэффициент усиления входного дифференциального напряжения на одном каскаде свыше 5000 (при условии, что нагрузка на выходе усилителя отсутствует) и К_ПОД свыше 100 000 (100 дБ).