Одной из широко распространенных схем усилительных каскадов является дифференциальная схема. Дифференциальные каскады лежат в основе широкоизвестных операционных усилителей. Мы уже рассматривали как функционирует операционный усилитель и проводили с ним опыты, но сам операционный усилитель рассматривался как некий «аналоговый элемент», имеющий определенные свойства.

На этом занятии рассмотрим дифференциальный каскад, который всегда лежит в основе любого операционного усилителя. Основные достоинства дифференциальных каскадов - удобство построения усилителей с симметричным, неинвертирующим и инвертирующим входами, простота достижения высокой стабильности режима работы, легкость задания необходимого коэффициента усиления. На основе дифференциальных каскадов строятся не только операционные усилители (ОУ), они применяются в усилителях высокой частоты, смесителях и преобразователях, в том числе и балансных.

На рисунке 1 приведена упрощенная схема дифференциального каскада на биполярных транзисторах с двуполярным питанием. Входное напряжение может быть подано симметрично (рис. 1А) между баз транзисторов (как между прямым и инвертирующим входами ОУ) или несимметрично (рис. 1Б), - между базой одного из транзисторов и общим проводом питания. В таком случае, база второго транзистора должна быть соединена с этим же общим проводом питания через резистор или непосредственно.

Выходной сигнал можно снимать симметрично - между коллекторов транзисторов или несимметрично - между одним из коллекторов и общим проводом, независимо от того как подается входной сигнал.

На рисунке 2 показана схема дифференциального каскада с питанием от однополярного источника. Недостаток этого каскада в том, что для его работоспособности на базы транзисторов необходимо подавать некоторое постоянное напряжение (около половины напряжения питания).

Рисунок 2


Достоинство схемы с двуполярным питанием в том, что очень просто сделать потенциалы баз близкими к нулевому потенциалу, что позволяет использовать каскад для усиления сигналов переменного напряжения без переходного конденсатора (если источники сигнала не имеют постоянной составляющей) или использовать каскад для усиления постоянного тока. Кроме того, стабилизируется ток через резистор Rs.

Дифференциальный каскад с одним общим резистором в цепи эмиттеров обладает невысокой стабильностью режима, что вызвано неидентичностью параметров транзисторов. Исправить положение можно включив в цепь каждого эмиттера по одному дополнительному резистору (рисунок ЗА), которые создают дополнительную ООС в каждом плече усилительного каскада. Для того чтобы исключить действие этой ООС по переменному току, можно включить дополнительный конденсатор (рисунок 3Б) между эмиттерами транзисторов.

Рисунок 3


Упрощенная схема операционного усилителя показана на рисунке 4. Дифференциальный каскад дополнен выходным эмиттерным повторителем.

Обратите внимание, когда увеличивается напряжение на базе VT2, транзистор VT2 начинает открывается и на его коллекторе напряжение понижается. Значит понижается напряжение на базе VT3 и понижается напряжение на его эмиттере. Таким образом, увеличение напряжения на базе VT2 приводит к уменьшению напряжения на выходе, поэтому, база VT3 - это инвертирующий вход операционного усилителя.