Дифференциальный усилитель: схема и применение¶

Дифференциальный усилитель — это электронное устройство, усилитель, выходной сигнал которого пропорционален разности двух входных напряжений. Относится к классу аналоговых устройств и является базовым функциональным узлом операционных усилителей, компараторов, а также входных каскадов большинства аналоговых микросхем. Основное свойство дифференциального усилителя — способность подавлять синфазные помехи, то есть сигналы, одинаково действующие на оба входа, что делает его ключевым элементом для работы с малыми сигналами на фоне сильных наводок.

¶Принцип работы и схема

Классическая схема дифференциального усилителя строится на двух транзисторах (биполярных или полевых), эмиттеры (истоки) которых объединены и подключены к общему источнику тока. Входные сигналы подаются на базы (затворы) транзисторов, а выходной сигнал снимается с коллекторов (стоков) либо между ними.

В зависимости от способа съема сигнала различают:

• Симметричный выход — сигнал снимается между коллекторами обоих транзисторов. Обеспечивает максимальный коэффициент усиления и полное подавление синфазной составляющей.
• Несимметричный выход — сигнал снимается с одного коллектора относительно земли. Удобен для согласования с последующими каскадами, но имеет меньший коэффициент ослабления синфазного сигнала.

Основные параметры схемы:

• Коэффициент усиления дифференциального сигнала (Kд) — отношение выходного напряжения к разности входных.
• Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) — отношение Kд к коэффициенту усиления синфазного сигнала. Выражается в децибелах; чем выше значение, тем лучше схема подавляет помехи.

¶Разновидности схем

¶На биполярных транзисторах

Классический вариант, использующийся в интегральных микросхемах. Для повышения стабильности и КОСС вместо резистора в эмиттерной цепи применяют генератор стабильного тока, выполненный на дополнительном транзисторе. Такая схема обеспечивает высокую температурную стабильность и большой входной импеданс.

¶На полевых транзисторах

Используются для создания усилителей с очень высоким входным сопротивлением (до 10^12 Ом). Особенно эффективны на МОП-транзисторах, которые позволяют получить практически нулевой входной ток. Такие схемы применяются в электрометрических усилителях и буферных каскадах измерительных приборов.

¶С динамической нагрузкой

Вместо резисторов в коллекторных цепях применяются транзисторные источники тока. Это позволяет получить очень высокий коэффициент усиления (до 100 дБ и более) при малом напряжении питания. Используется в операционных усилителях для получения большого усиления первого каскада.

¶Применение

Дифференциальные усилители находят применение практически во всех областях аналоговой электроники:

• Операционные усилители — входной каскад любого ОУ построен по дифференциальной схеме. Именно она определяет такие параметры, как напряжение смещения, КОСС и входной ток.
• Измерительная техника — усиление сигналов от датчиков (тензорезисторы, термопары, мостовые схемы), где полезный сигнал мал и требует защиты от промышленных помех.
• Медицинская электроника — снятие биопотенциалов (ЭКГ, ЭЭГ), где необходимо выделить милливольтовые сигналы на фоне сетевых наводок.
• Линии связи — приемники дифференциальных сигналов (RS-485, CAN, Ethernet), где передача ведется двумя проводами с противофазными сигналами для повышения помехоустойчивости.
• Аудиотехника — симметричные входы профессиональных усилителей и микшерных пультов.
• Аналого-цифровые преобразователи — входные буферные каскады, обеспечивающие корректное согласование источника сигнала с преобразователем.

¶Преимущества и недостатки

К преимуществам дифференциальных усилителей относятся:

• подавление синфазных помех и наводок;
• температурная стабильность параметров;
• возможность работы с малыми сигналами;
• гибкость схемотехнических решений.

Недостатки:

• большая площадь на кристалле по сравнению с обычными каскадами;
• необходимость в точном согласовании транзисторов (в дискретном исполнении);
• более сложная схема питания (требуется двухполярный источник для полного использования симметрии).

¶Интересные факты

• Первые дифференциальные усилители на лампах применялись в аналоговых вычислительных машинах 1940-х годов.
• В современных операционных усилителях КОСС может достигать 120–140 дБ, что соответствует подавлению помехи в миллион раз.
• Технология лазерной подгонки резисторов в интегральных схемах позволяет добиться напряжения смещения менее 10 мкВ без внешней калибровки.

¶Источники

• Титце У., Шенк К. «Полупроводниковая схемотехника»
• Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники»
• Разевиг В. Д. «Схемотехника аналоговых электронных устройств»