Дифференциальные усилители: принцип работы

Дифференциальные усилители используются для повышения разности напряжения нескольких выходных сигналов. При идеальной работе устройства импульсы определяются только их отличительными характеристиками. Одновременное изменение сигналов на всех выходах называется синфазным. Разностные или дифференциальные поступающие импульсы определяются как полезные или нормальные.

В качественном усилителе показатель ослабления сигнала всегда высокий. Он представляет собой соотношение входного импульса к выходному. При этом амплитуда полезного и синфазного сигнала должна быть одинаковой. Чаще всего КОСС измеряется в децибелах. Выходной импульс меняется в зависимости от уровня мощности, который может быть задан диапазоном синфазного входного сигнала.

Для чего используются?

Дифференциальные усилители применяются, когда есть вероятность потери слабых сигналов из-за шумов. Такая возможность возникает при передаче звуковых колебаний, радиочастот, напряжения электрокардиограмм, импульсов по длинным проводам, информации на магнитных накопителях и в ряде других случаев. При несущественных помехах прибор восстанавливает входной импульс на приемном конце. Для проектирования усилителей постоянного тока часто используются дифференциальные каскады. По своей сути их симметричная система компенсирует температурный дрейф.

Распространенный вариант

Схема дифференциального усилителя с однополюсным выходом делает замер выходного напряжения на коллекторе относительно потенциала заземления. Это устройство увеличивает энергию на входе и трансформирует ее в несимметричный импульс, с которым работают обыкновенные приборы. Дифференциальный сигнал при необходимости снимается между коллекторами. Коэффициент усиления в такой схеме легко просчитывается.

«Длиннохвостая пара»

Так можно назвать усилитель, когда величина сопротивления резистора обратно пропорциональна его длине. Подавление синфазных сигналов в схеме определяется как «длинный хвост», а максимальные сопротивления межэмиттерных связей являются повышением дифференциальных импульсов.

Смещение при помощи тока

В усилителях могут снижаться синфазные импульсы, если заменить резистор на источник питания. При этом текущее значение сопротивления будет возрастать, а эффект повышения сигналов существенно ослабится. Представим себе дифференциальный усилитель постоянного тока, на входе которого будут действовать синфазные импульсы. Источники энергии в эмиттерных цепях будут поддерживать напряжение, распределяя его между коллекторными цепями равномерно.

Нужно помнить о необходимости предусматривать цепи смещения постоянного тока. Если использовать конденсаторы для межкаскадной связи на входе, то должны быть активированы базовые заземленные резисторы. К таким дифференциальным усилителям относится одно предостережение. На переходе база-эмиттер не более 6 В биполярные транзисторы могут выдерживать обратное смещение. После этого может наступить пробой.

Если подается большее входное дифференциальное напряжение, то входной каскад будет разрушаться. Разрушение схемы предотвращается благодаря ограничению тока пробоя эмиттерным резистором, но качества транзисторов при этом могут понижаться. Если обратная проходимость будет возникать, снижение входного импеданса будет существенным в любом случае.

Использование в усилителях дифференциальных схем

Работа дифференциального усилителя может быть адаптирована под несимметричные входные сигналы. Для этого необходимо подать сигнал на один из его входов, а второй просто заземлить. Неиспользуемые транзисторы из устройства исключить не получится. Дифференциальная схема дает возможность компенсировать температурные изменения. Даже если будет заземлен один из входов, термостатор может функционировать. Они могут изменяться соответственно колебаниям температуры напряжения. При этом балансировка схемы нарушаться не будет.

Кроме того, исчезает необходимость учета падения подаваемого тока. Качество работы таких устройств может быть понижено только из-за несогласованности напряжений или их температурных характеристик. Производители поставляют на рынок транзисторные пары, а также интегральные дифференциальные усилители с достаточно высоким согласованием.

Применение токового зеркала

Иногда нужен дифференциальный усилитель, принцип работы которого основан на существенном увеличении коэффициента усиления. Идеальным решением такой задачи будет применение токового зеркала для активной нагрузки прибора. Дифференциальная пара с источником напряжения в эмиттерной цепи образуется транзисторами. Для создания коллективной нагрузки применяются транзисторы. Они играют роль токового зеркала. Таким образом сопротивление общей нагрузки может быть увеличено.

Коэффициент усиления благодаря этому достигает 5000 и даже выше, если отсутствует выходная нагрузка. Такие приборы чаще всего применяются в схемах, в которых есть петля обратной связи, а также в компараторах. Всегда нужно помнить, что нагрузка для таких приборов должна иметь немалый импеданс. В противном случае усиление значительно ослабится.

Схемы расщепления

На коллекторе дифференциальных симметричных усилителей могут возникать импульсы с одинаковой амплитудой и противоположными фазами. С двух элементов снимаются выходные сигналы. В результате может быть получена схема расщепления фазы. Естественно, можно применять устройство с дифференциальными входами и выходами. Импульсы при этом используются для управления одним каскадом усилителей. Для всей схемы будет существенно увеличена величина КОСС.

Усилитель для компаратора

Дифференциальные усилители включены в состав компараторов благодаря высоким КОСС и стабильности. Схемы, сравнивающие поступающие импульсы, оценивают, какой из сигналов больше. Компараторы применяются в различных областях - для включения систем отопления или освещения, для получения треугольных и прямоугольных сигналов, сравнения уровней импульсов с пороговыми значениями, а также во многих других схемах. Принцип работы основан на том, что один из транзисторов все время работает в режиме отсечки.

Заключение

Дифференциальный операционный усилитель – это прибор для повышения постоянного тока, применяемый в различных операциях над аналоговыми величинами. Устройство задействуется в схемах, обратные связи которых являются отрицательными. Усилитель, работающий с постоянным током, отличается от прибора для переменного напряжения возможностью повышения медленно изменяющихся импульсов. Приборы используются для повышения разности тока в нескольких выходных сигналах.