Как найти коэффициент усиления дифференциального усилителя

В этой статье мы расскажем об одной из важных разработок аналоговых схем — дифференциальном усилителе. По сути, это электронный усилитель, который имеет два входа и усиливает разницу между этими двумя входами. Мы объясним работу дифференциального усилителя, рассчитаем его коэффициент усиления и CMRR, перечислим некоторые важные характеристики, а также приведем пример его применения.

Операционный усилитель внутренне является дифференциальным усилителем (его первым каскадом) с другими важными характеристиками, такими как высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление и т.д. Для получения дополнительной информации об операционных усилителях перейдите по этой ссылке.

Конфигурация дифференциальной пары или дифференциального усилителя является одним из наиболее широко используемых строительных блоков в аналоговых интегральных схемах. Это входной каскад каждого операционного усилителя.

Дифференциальный усилитель усиливает разницу между двумя входными сигналами. Операционный усилитель — это разностный усилитель; он имеет два входа инвертирующий и неинвертирующий. Но коэффициент усиления по напряжению разомкнутого контура операционного усилителя слишком высок (в идеале бесконечен), чтобы его можно было использовать без обратной связи.

Таким образом, практический дифференциальный усилитель использует отрицательную обратную связь для управления коэффициентом усиления усилителя по напряжению.

На следующей схеме показан простой дифференциальный усилитель с операционным усилителем. На схеме, V₁ — неинвертирующее входное напряжение, V₂ — инвертирующее входное напряжение, а  V_OUT — выходное напряжение:

Приведенная выше схема дифференциального усилителя, это комбинация как инвертирующего усилителя, так и неинвертирующего усилителя. Итак, чтобы рассчитать выходное напряжение дифференциального усилителя, мы будем использовать как инвертирующий, так и неинвертирующий выходы и суммировать их вместе.

Расчет выходного напряжения

Пусть V₊ будет напряжением на неинвертирующем выводе, а V_— будет напряжением на инвертирующем выводе указанной выше схемы дифференциального усилителя. Мы можем рассчитать значение V₊ , используя правило делителя потенциала.

Резисторы R₁ и R₂ образуют цепь делителя напряжения с V₁ в качестве входного напряжения и V₊ в качестве выходного напряжения, и это V₊ подается на неинвертирующую клемму:

V₊ = V₁ (R₂ / R₁ + R₂)

Если V₊ является входом неинвертирующего терминала, а G₊ является коэффициентом усиления неинвертирующего усилителя, то неинвертирующий выход V_OUT+ определяется как:

V_OUT+ = V₊ G₊

Из приведенной выше схемы мы можем рассчитать неинвертирующее усиление G₊ :

G₊ = (R₃ + R₄) / R₃ = 1 + (R₄ / R₃)

Используя значения V₊ и G₊ в уравнении V_OUT+ , получаем:

V_OUT+ = V₁ (R₂ / R₁ + R₂) (1 + (R₄ / R₃))

Переходя к инвертирующему выходу V_OUT– , мы должны вычислить его относительно инвертирующего входа V₂ и коэффициента усиления инвертирования G_– :

V_OUT– = V₂ G_–

Из приведенной выше схемы мы можем рассчитать усиление инвертирования G_— :

G_– = – R₄ / R­₃

V_OUT– определяется по формуле:

V_OUT– = V₂ (– R₄ / R­₃)

У нас также есть значения V_OUT+ и V_OUT– . Чтобы получить окончательное значение V_OUT , мы должны сложить эти значения:

V_OUT = V_OUT+ + V_OUT–

V_OUT = V₁ (R₂ / R₁ + R₂) (1 + (R₄ / R₃)) – V₂ (R₄ / R­₃)

Это выходное напряжение дифференциального усилителя. Приведенное выше уравнение выглядит сложным. Итак, для уменьшения сложности и простоты уравнения возьмем частный случай, когда R₃ = R₁ и R₄ = R₂ .

Если мы применим эти значения в приведенном выше уравнении, мы получим выходное напряжение:

V_OUT = R₂ / R₁ (V₁ – V₂) = R₄ / R₃ (V₁ – V₂)

Теперь из этого уравнения видно, что дифференциальное напряжение (V₁ – V₂) умножается на коэффициент усиления R₂ / R₁ . Следовательно, это дифференциальный усилитель.

Альтернативный способ расчета выходного напряжения

Давайте теперь рассчитаем выходное напряжение, определив ток на инвертирующем входе операционного усилителя. Предположим, что для дифференциального усилителя используется следующая схема. Эта схема аналогична предыдущей, за исключением того, что это частный случай R₃ = R₁ и R₄ = R₂ предыдущей схемы.

Во-первых, мы должны определить напряжение на неинвертирующем выводе (V₊). Мы уже рассчитали это в предыдущем выводе, используя правило делителя напряжения. Значение определяется:

V₊ = V₁ (R₂ / R₁ + R₂)

Теперь, исходя из базового понимания операционного усилителя, мы можем сказать, что ток не поступает на входные клеммы операционного усилителя и не выходит из них. Таким образом, ток, поступающий на инвертирующую клемму I₁ , такой же, как и ток, выходящий с клеммы I₂ .

I₁ = I₂

Используя это правило в качестве ориентира, мы можем применить закон тока Кирхгофа к инвертирующему входному терминалу, и мы получим:

(V₂ – V_–) / R₁ = (V_– – V_OUT) / R₂

Еще одно важное правило операционного усилителя заключается в том, что он старается поддерживать одинаковое напряжение на входных клеммах. Итак, V₊ = V_– . Используя это правило, мы можем заменить V_— в приведенном выше уравнении на ранее рассчитанное значение V₊ .

После замены и выполнения некоторых вычислений приходим к:

V_OUT = R₂ / R₁ (V₁ – V₂)

Во всех предыдущих расчетах мы принимали специальные значения R₃ = R₁ и R₄ = R₂ . На самом деле, вместо этого мы должны рассматривать соотношения, т.е.:

R₃ / R₄ = R₁ / R₂

Если используется это условие, то это будет означать, что сопротивления находятся в сбалансированном мосту.

Важные параметры дифференциального усилителя

Давайте теперь рассмотрим некоторые важные параметры дифференциального усилителя:

• Коэффициент усиления дифференциального усилителя
• Коэффициент усиления синфазной составляющей входного сигнала
• Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)

Коэффициент усиления дифференциального усилителя

Коэффициент усиления дифференциального усилителя представляет собой отношение выходного сигнала и разности приложенных входных сигналов. Из предыдущих расчетов выходное напряжение V_OUT получается:

V_OUT = R₂ / R₁ (V₁ – V₂)

Таким образом, коэффициент усиления дифференциального усилителя A_D определяется выражением:

A_D = V_OUT / (V₁ – V­₂) = R₂ / R₁

Коэффициент усиления синфазной составляющей входного сигнала

Во всех предыдущих расчетах мы исходили из условия сбалансированного моста, т.е. R₃ / R₄ = R₁ / R₂ . Чтобы понять уникальную характеристику дифференциального усилителя, мы должны взглянуть на входные компоненты дифференциального режима и синфазного входа.

Вход дифференциального режима V_DM и вход синфазного режима V_CM задаются следующим образом:

V_DM = V₁ – V₂

V_CM = (V₁ + V₂) / 2

Преобразовав два приведенных выше уравнения, мы получим:

V₁ = V_CM + V_DM / 2 and V₂ = V_CM – V_DM / 2

Следующая схема показывает синфазные входные сигналы:

Поскольку усилитель разности усиливает только компонент разностного режима, он игнорирует компонент общего режима. Если мы свяжем входы вместе, V_DM станет равным 0, а V_CM станет ненулевым значением.

Но настоящий дифференциальный усилитель даст V_OUT = 0, так как он полностью игнорирует синфазную часть входного сигнала. Из-за этого дифференциальный усилитель часто используется на входном каскаде системы для удаления постоянного или синфазного шума со входа.

Все эти расчеты верны тогда и только тогда, когда сопротивления образуют состояние сбалансированного моста. Поскольку выход практического дифференциального усилителя зависит от отношения входных сопротивлений, если эти отношения резисторов не равны, синфазное напряжение V_CM не будет полностью компенсировано. Поскольку идеально согласовать соотношения резисторов практически невозможно, вероятно, будет некоторое синфазное напряжение.

При наличии синфазного входного напряжения выходное напряжение дифференциального усилителя определяется как:

V_OUT = A_D V_DM + A_C V_CM

Где, V_DM – разность напряжений V₁ – V₂

V_CM — синфазное напряжение (V₁ + V₂ ) / 2

A_D и A_C представляют собой коэффициенты усиления дифференциального и синфазного режима соответственно.

Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)

Способность дифференциального усилителя подавлять входные сигналы синфазного сигнала выражается в терминах коэффициента подавления синфазного сигнала (CMRR). Коэффициент ослабления синфазного сигнала дифференциального усилителя математически определяется как отношение коэффициента усиления по дифференциальному напряжению (AD) дифференциального усилителя к коэффициенту усиления синфазного сигнала (AC).

CMRR = A_D / A_C

В децибелах (дБ) CMRR выражается как:

CMRR_dB = 20 log₁₀ (| A_D / A_C |)

Для идеального дифференциального усилителя коэффициент усиления по синфазному напряжению равен нулю. Следовательно, CMRR бесконечен.

Характеристики дифференциального усилителя

• Высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению
• Низкое усиление синфазного сигнала
• Высокий входной импеданс
• Низкий выходной импеданс
• Высокий CMRR
• Большая пропускная способность
• Низкие напряжения смещения и токи

Дифференциальный усилитель как компаратор

Схема дифференциального усилителя является очень полезной схемой операционного усилителя, поскольку ее можно настроить на «сложение» или «вычитание» входных напряжений путем подходящего добавления дополнительных резисторов параллельно с входными резисторами.

Схема дифференциального усилителя с мостом Уитстона показана на следующей схеме. Эта схема ведет себя как дифференциальный компаратор напряжения:

Подключив один вход к фиксированному напряжению, а другой к термистору (или светозависимому резистору), схема дифференциального усилителя обнаруживает высокие или низкие уровни температуры (или интенсивности света), поскольку выходное напряжение становится линейной функцией от изменения активной ветви резистивной мостовой сети.

Дифференциальный усилитель моста Уитстона также можно использовать для нахождения неизвестного сопротивления в сети резистивного моста путем сравнения входных напряжений на резисторах.

Переключатель, активируемый светом, с использованием дифференциального усилителя

Схема, показанная на следующей схеме, действует как светозависимый переключатель, который включает или выключает выходное реле, когда интенсивность света, падающего на светозависимый резистор (LDR), превышает или падает ниже заданного значения на неинвертирующем входном терминале V₂.

Напряжение V₂ определяется переменным резистором V_R1 . Резисторы R₁ и R₂ действуют как сеть делителя потенциала. На инвертирующий вход подается фиксированное опорное напряжение через резисторы R₁ и R₂.

Эту же схему можно модифицировать для обнаружения изменений температуры, просто заменив LDR термистором. Поменяв местами LDR и V_R1 , можно настроить схему на обнаружение темноты или света (или тепла или холода в случае термистора).

Пример дифференциального усилителя

Определить выходное напряжение дифференциального усилителя при входных напряжениях 300 мкВ и 240 мкВ. Дифференциальное усиление усилителя равно 5000, а значение CMRR равно:

• 100
• 10⁵

Дифференциальный усилитель для данных представлен на схеме:

Для CMRR = 100:

CMRR = A_D / A_C

100 = 5000 / A_C

So, A_C = 50

Напряжение разностного режима V_DM:

V_DM = V₁ – V₂ = 300 µV – 240 µV = 60 µV

Синфазное напряжение V_CM:

V_CM = (V₁ + V₂) / 2 = 540 µV / 2 = 270 µV

Выходное напряжение V_OUT:

V_OUT = A_D V_DM + A_C V_CM

= 5000 x 60 µV + 50 x 270 µV

V_OUT = 313500 µV = 313.500 mV

Для CMRR = 105:

A_C = A_D / CMRR = 5000 / 10⁵ = 0.05

V_OUT = A_D V_DM + A_C V_CM = 5000 x 60 µV + 0.05 x 270 µV

V_OUT = 300013.5 µV = 300.0135 mV

Для идеального разностного усилителя или дифференциального усилителя A_C равно 0. Таким образом, на выходе будет только A_D V_DM , в результате чего V_OUT = 5000 x 60 мкВ = 300 мВ.

Итог

Дифференциальный усилитель представляет собой очень полезную конфигурацию операционного усилителя, которая усиливает разницу между приложенными входными напряжениями. Дифференциальный усилитель также представляет собой комбинацию инвертирующих и неинвертирующих усилителей. Он использует соединение с отрицательной обратной связью для управления усилением дифференциального напряжения.

Коэффициент усиления по дифференциальному напряжению усилителя зависит от соотношения входных сопротивлений. Поэтому, тщательно выбирая входные сопротивления, можно точно контролировать коэффициент усиления дифференциального усилителя.

Синфазное усиление идеального дифференциального усилителя равно нулю. Но из-за несоответствия практических номиналов резисторов будет очень маленькое синфазное напряжение и конечное синфазное усиление.

Соответствующим образом, изменив соединения резисторов на входных клеммах, разностный усилитель может складывать, вычитать и сравнивать уровни приложенного входного напряжения.

В следующей статье мы с вами поговорим о инструментальном усилителе.

С Уважением, МониторБанк

Всем доброго времени суток. Сегодня публикую третью часть статьи о применении операционных усилителей в линейных цепях. В предыдущих частях я рассказал о инвертирующих и неинвертирующих схемах на основе ОУ. Данная статья будет посвящена дифференциальным или разностным усилителям, которые составляют основу измерительных усилителей.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Дифференциальный усилитель

В одной из статей я рассказывал о дифференциальных усилителях, выполненных на транзисторах. Одной из особенностей таких усилителей является усиление разности сигналов поступающих на входы дифференциального усилителя. Данная особенность позволяет усиливать слабые сигналы, которые замаскированы более сильными сигналами, а также позволяет значительно уменьшить уровень шумов усилительных приборов.

Кроме транзисторных дифференциальных усилителей существует большой класс дифференциальных усилителей выполненных на ОУ. Схема простейшего дифференциального усилителя на ОУ представлена ниже

Схема дифференциального усилителя на основе ОУ.

Данная схема имеет довольно простое устройство и состоит из ОУ DA1 и четырёх резисторов R1, R2, R3 и R4. ОУ DA1 охвачен обратной связью через резисторы R3, R4, а через резисторы R1, R2 поступает входные сигналы.

Схема дифференциального усилителя на основе ОУ фактически представляет собой два усилителя – инвертирующий и неинвертирующий. Инвертирующий усилитель получится, если заземлить вход U_BX2, тогда неивертирующий вход ОУ окажется, заземлён через параллельно соединенные резисторы R2 и R3 и схема превратится в инвертирующий усилитель, а выходное напряжение в данном случае составит, как известно

в случае, если заземлить вход U_BX1, а сигнал будет поступать на U_BX2, то схема превратится в неинвертирующий усилитель, на входе которого включён делитель напряжения, тогда выходное напряжение составит

Если входные сигналы будут поступать на оба входа U_BX1 и U_BX2, то выходное напряжение будет иметь вид

Не трудно заметить, что если оптимизировать схему, чтобы выполнялось следующее соотношение

То выходное напряжение будет пропорционально разности входных напряжений

Поэтому данный усилитель и назвали дифференциальным, то есть разностным усилителем.

Параметры дифференциального усилителя

Как известно из предыдущей статьи дифференциальный усилитель имеет ряд специфических параметров:

Тогда общий К_ОСС всей схемы будет иметь вид

Входное сопротивление дифференциального усилителя состоит из суммы сопротивлений по двум входным каналам. Для входа U_BX1, составит

Для входа U_BX2, входное сопротивление составит

Выходное сопротивление дифференциального усилителя рассчитывается так же как и выходные сопротивления инвертирующего и неинвертирующего усилителя

где R_BbIX.ОУ – выходное сопротивление ОУ,

К_ОУ – коэффициент усиления ОУ.

Таким образом, простейший дифференциальный усилитель на ОУ имеет очень простое схемное решение однако и его параметры, в частности, входное сопротивление, очень мало (порядка единиц – десятков кОм), поэтому данная схема находит применение в схемах где точность и влияние выходного сопротивления не играют большой роли. Большее распространение получили дифференциальные усилители, состоящие из нескольких ОУ, которые за свои высокие параметры называют инструментальными или измерительные усилители.

Улучшение параметров дифференциального усилителя

Основными недостатками вышеописанной схемы дифференциального усилителя являются низкое сопротивление и возникновение трудности изменить коэффициент усиления, так как соотношение сопротивлений должно быть достаточно точно согласовано.

Первый недостаток связан с тем, что входным сопротивлением дифференциального усилителя являются по сути сопротивления резисторов R1 и R2, которые имеют величину от единиц до десятков кОм. При увеличении величин этих сопротивлений приходится увеличивать сопротивления R3 и R4, что приводит к уменьшению полосы пропускания усилителя и появлению дополнительных шумов. Решением данной проблемы является изолирование и развязка входов дифференциального усилителя при помощи двух повторителей напряжения по схеме неивертирующего усилителя. Схема такого дифференциального усилителя представлена ниже

Схема увеличения входного сопротивления дифференциального усилителя на ОУ.

Схема состоит из двух операционных усилителей включённых по схеме повторителя напряжения, входное сопротивление которых очень велико (десятки-сотни МОм), поэтому сопротивление источника сигнала практически не влияет на входное напряжение. На нагрузке R_H итоговое напряжение будет зависеть от разности входных напряжений

Особенностью данной схемы является то, что она имеет дифференциальный выход, то есть сопротивление нагрузки подключается только к выходам операционных усилителей DA1 и DA2

Для решения, проблемы упрощения регулирования коэффициента усиления дифференциального усилителя, может быть применена схема состоящая, как и предыдущая из двух повторителей напряжения с включением на дифференциальном выходе, параллельно сопротивлению нагрузки, дополнительно трёх последовательных резисторов. Данная схема изображена ниже

Схема дифференциального усилителя, позволяющая регулировать коэффициент усиления одним резистором.

Данная схема состоит из двух ОУ DA1 и DA2, включённых по схеме повторителя напряжения и резисторов R1, R2 и R3, причём R1 = R3 = R.

Работа данной схемы объясняется следующим образом. В соответствии с принципом виртуального замыкания, напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входом ОУ равно нулю, поэтому на резисторе R2 напряжение будет равно разности между напряжениями U_BX1 и U_BX1.

Тогда ток, протекающий через резистор R2, составит

Так как резисторы R1, R2 и R3 включены последовательно, то такой же ток протекает и через резисторы R1 и R3. Тогда, с учётом того что R1 = R3 = R, выходное напряжение на сопротивлении нагрузки составит

Легко заметить, что выходное напряжение зависит от отношения сопротивлений R1, R2 и R3, поэтому изменяя величину сопротивления резистора R2 можно изменять величину выходного напряжения, а, следовательно, и коэффициент усиления схемы. Приняв отношение сопротивлений R и R2, за некоторый коэффициент пропорциональности можно несколько упростить выражение для выходного напряжения

Вышеописанные дифференциальные усилители имеют один недостаток: работа усилителя возможна только на незаземлённую (плавающую) нагрузку, то есть нагрузка не должна быть соединена с землёй. Для устранения данного недостатка необходимо на выход схемы добавить усилитель с дифференциальным входом и несимметричным выходом. Таким усилителем является простейший дифференциальный усилитель, рассмотренный вначале статьи. Получившаяся схема носит название измерительного или инструментального усилителя.

Измерительный усилитель

Измерительный или инструментальный усилитель находит широкое применение в измерительных схемах и устройствах благодаря тому, что имеют коэффициент усиления, не зависящий от внешних факторов (частоты сигнала, амплитуды, сопротивления нагрузки и т.д.). Кроме того, измерительный усилитель обладает высоким входным сопротивлением (десятки и сотни МОм) и низким выходным сопротивлением (единицы и десятки Ом). Схема измерительного усилителя представлена ниже

Измерительный (инструментальный) усилитель на трёх ОУ.

Измерительный усилитель состоит из трёх операционных усилителей DA1, DA2, DA3 и резисторов обвязки R1, R2, R3, R4, R5, R6 и R7. Данный тип усилителя функционально состоит из двух узлов: буферного каскада на двух повторителях напряжения DA1, DA2 и дифференциального усилителя DA3. В данной схеме резисторы R4, R5, R6 и R7 выбирают одинакового сопротивления для того, чтобы коэффициент усиления выходного дифференциального усилителя был равен единице. Таким образом, при условии равенства сопротивлений резисторов R1 и R3 регулировка коэффициента усиления измерительного усилителя будет осуществляться с помощью резистора R2. В общем же случае коэффициент усиления данной схемы будет определяться следующим выражением

Довольно часто резистор R6 состоит из двух: постоянного и переменного резистора, что очень удобно для более точного согласования резисторов обвязки дифференциального усилителя DA3.

Основы электротехники

 материалы в категории

Расчет дифференциального усилителя

Дифференциальный усилитель (ДУ) представляет симметричную схему с двумя входами и двумя выходами.

Вход, обозначенный символом «+», называют неинвертирующим. Вход, обозначенный символом «–», называют инвертирующим. Поскольку схема имеет два выхода, в качестве выходного можно использовать напряжения ,  или их разность . В последнем случае выход дифференциального усилителя называют симметричным.

Сигналы на входе дифференциального усилителя представляют в виде суммы дифференциальной и синфазной составляющих:

;

.

Из последних равенств следует, что дифференциальный сигнал равен разности входных напряжений:

,   (4.1.1)

а синфазный – их полусумме:

.  (4.1.2)

В соответствии с (4.1.1) и (4.1.2)  источник сигнала на входе дифференциального усилителя можно представить эквивалентной схемой, показанной на рис. 4.1.2. 
Различают коэффициенты усиления дифференциального и синфазного сигналов:

;

.

Рис. 4.1.2

Важное свойство дифференциального усилителя заключается в том, что он усиливает дифференциальные и ослабляет синфазные составляющие сигнала. Одним из главных параметров дифференциального усилителя является коэффициент ослабления синфазного сигнала, который показывает, во сколько раз коэффициент усиления дифференциального сигнала больше коэффициента синфазного сигнала:

.

Дифференциальные усилители находят широкое применение в аналоговых интегральных схемах: операционных усилителях, аналоговых перемножителях, компараторах и т. д. Это объясняется следующими причинами.

1. ДУ эффективно подавляет синфазные составляющие сигнала, которые как правило являются помехами.
2. ДУ не требуют включения развязывающих конденсаторов.
3. Работа дифференциальных усилителей основана на идентичности параметров элементов, входящих в его состав. Это легко обеспечивается в интегральных схемах, где элементы расположены на одном кристалле на расстоянии нескольких микрон друг от друга.

 Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах

Схема дифференциального усилителя на биполярных транзисторах показана на рис. 4.1.3. Первое плечо усилителя образовано резисторами ,  и транзистором VT1, а второе – резисторами ,  и транзистором VT2. Источник тока реализуют с помощью схемы с общим эмиттером либо на основе токового зеркала.

Рис. 4.1.3

Если плечи схемы симметричны и входные напряжения одинаковы, ток источника делится поровну между транзисторами VT1 и VT2:

Нетрудно показать, что при равенстве входных напряжений

.

Напряжение симметричного выхода

.

Предположим, что на входах дифференциального усилителя действует синфазный сигнал . При действии такого сигнала токи коллекторов не изменятся, поэтому выходные напряжения останутся прежними. Таким образом, в случае симметрии плеч синфазный сигнал не изменяет режим работы дифференциального усилителя.
Предположим теперь, что на входе действует дифференциальный сигнал, т. е. напряжение  увеличилось на величину , а напряжение  уменьшилось на такую же величину. При этом ток  увеличится, а ток  уменьшится на величину . Изменятся и выходные напряжения:

;

.

Таким образом, схема на рис. 4.1.3 усиливает только дифференциальный сигнал. Анализ показывает, что небольшие изменения дифференциального напряжения приводят к значительным изменениям токов  и , а следовательно, и выходных напряжений.

Пример  Рассчитать токи и напряжения в схеме дифференциального усилителя на рис. 4.1.3. для двух случаев:
1) ;
2) , ;
Характеристики транзисторов идентичны. Коэффициент . Напряжение эмиттерного перехода открытого транзистора равно 0.7 В. Сопротивления резисторов в схеме , . Ток источника . 
Решение. 
Случай 1. Поскольку транзисторы согласованы,  . Выходные напряжения одинаковы:

.

Напряжение узла А на рис. 4.1.3

.

Случай 2. Так как , разумно предположить, что VT2 находится в состоянии отсечки и ток . В этом случае . Выходные напряжения
;

.

Напряжение узла А

.

Как мы и предполагали, VT2 находится в режиме отсечки.

Рассмотренный пример показывает, что режим работы транзисторов и выходные напряжения дифференциального усилителя определяются не абсолютной величиной напряжений  и , а их разностью, т. е. дифференциальной составляющей входного напряжения. Это справедливо до тех пор, пока транзисторы работают в активном режиме.

Основные параметры дифференциальных усилителей на биполярных транзисторах

Коэффициент усиления дифференциального сигнала

Предположим, что на входах усилителя действует дифференциальный сигнал малой амплитуды, и транзисторы работают в активном режиме. В этом случае  коэффициенты усиления дифференциального сигнала

.

Для симметричного выхода

.

Коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется отношением сопротивлений в цепях эмиттера и коллектора. Часто для увеличения резисторы   и  исключают. В этом случае сопротивление цепи эмиттера равно дифференциальному сопротивлению эмиттерного перехода:

.

Коэффициент усиления синфазного сигнала

Выходные напряжения, обусловленные действием источника синфазного сигнала

 .

Коэффициент усиления синфазного сигнала

.

Чем больше внутреннее сопротивление источника тока, тем меньше коэффициент усиления синфазного сигнала. 
Коэффициент ослабления синфазного сигнала

.

Для симметричного выхода напряжение синфазной составляющей , поэтому  .
Коэффициент ослабления синфазного сигнала прямо пропорционален сопротивлению источника тока.

Входные сопротивления дифференциальных усилителей на биполярных транзисторах

Определим входное сопротивление дифференциального усилителя на рис. 4.1.3 для дифференциальной и синфазной составляющих сигнала.

Входной ток, обусловленный дифференциальной составляющей сигнала:

.

Входное сопротивление для дифференциальной составляющей

.

Входной ток, обусловленный синфазной составляющей сигнала,

.

Входное сопротивление для синфазной составляющей

.

Полученные соотношения показывают, что входные сопротивления дифференциальных усилителей на биполярных транзисторах зависят от параметров транзисторов, внутреннего сопротивления источника тока и сопротивлений в цепях эмиттеров. Для увеличения входного сопротивления ДУ необходимо использовать биполярные транзисторы с большими значениями коэффициента . Источники тока с большим внутренним сопротивлением реализуют на основе отражателей тока.

Пример . Рассчитать параметры дифференциального усилителя на рис. 4.1.3, если , , , . Коэффициент усиления тока базы . Внутреннее сопротивление источника тока .

Решение. Коэффициент усиления дифференциального сигнала

.
В случае симметричного выхода

.

1. Коэффициент усиления синфазного сигнала

.

2. Коэффициент ослабления синфазного сигнала

.

3. Входное сопротивление для дифференциального сигнала

.

4. Входное сопротивление для синфазного сигнала

.

Дифференциальные усилители находят широкое применение в электронике и измерительной технике при усилении слабых сигналов. ДУ являются важными функциональными узлами аналоговых интегральных схем. Это объясняется тем, что в интегральных схемах, где элементы расположены друг от друга на расстоянии нескольких микрон, легко обеспечить требуемую идентичность параметров.

Простейший дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах

Схема простейшего дифференциального усилителя на биполярных транзисторах показана на рис. 4.1.4. Источник тока, обеспечивающий смещение рабочих точек транзисторов,  заменен резистором  и источником . Величину  можно найти из уравнения

 (4.1.7)

Рис. 4.1.4

Коэффициенты усиления дифференциального и синфазного сигналов определяются выражениями (4.1.3) и (4.1.4). В формуле (4.1.4) .

 Дифференциальный усилитель с токовым зеркалом

Существенный недостаток дифференциального усилителя на рис. 4.1.4 заключается в том, что резистор  определяет одновременно режим транзисторов по постоянному току и коэффициент ослабления синфазного сигнала. Поэтому получить большую величину  в таком усилителе невозможно.

Значительно большее ослабление синфазного сигнала можно получить, включив вместо резистора  отражатель тока на транзисторах VT3 и VT4 (рис. 4.1.5).

Рис. 4.1.5

Выходной ток регулируется резистором . Его величина определяется уравнением

 (4.1.8)

Выходное сопротивление отражателя тока определяется сопротивлением запертого коллекторного перехода транзистора VT4. Оно составляет десятки-сотни кОм.

Дифференциальный
усилитель позволяет усиливать парафазный
сигнал, передаваемый по двум соединительным
линиям. Кроме того, дифференциальный
усилитель позволяет переходить от
несимметричного представления сигнала
(относительно корпуса или земли) к
симметричному (парафазному) и наоборот.
Именно поэтому дифференциальные
усилители получили широкое распространение
в современных аналоговых интегральных
микросхемах. Схема простейшего
дифференциального усилителя приведена
на рисунке 1

 
Рисунок 1
Схема простейшего дифференциального
усилителя

В
этой схеме эмиттеры двух транзисторов
соединены между собой, образуя
дифференциальную пару. Подобное схемное
решение позволяет сохранять постоянный
суммарный ток этой пары транзисторов
благодаря тому, что на базы транзисторов
дифференциального усилителя подается
противофазный сигнал (парафазный или
симметричный сигнал). При увеличении
тока эмиттера транзистора VT1, ток
транзистора VT2 уменьшается на точно
такую же величину. Благодаря постоянному
току через резистор R3, падение напряжения
на его сопротивлении тоже оказывается
постоянным и поэтому можно считать, что
точка соединения эмиттеров транзисторов
дифференциального усилителя по
переменному току эквивалентна нулевому
потенциалу.

Так
как точка соединения эмиттеров
транзисторов дифференциального усилителя
эквивалентна нулевому потенциалу,
коэффициент усиления дифференциального
каскада равен коэффициенту усиления
транзистора, включенному по схеме
с общим эмиттером.
Коэффициент усиления дифференциального
усилителя по напряжению можно найти по
формуле:

      (1),

Не
менее важным параметром дифференциального
усилителя является подавление синфазного
сигнала. Этот параметр можно выразить
через усиление синфазного сигнала.
Усиление синфазного сигнала дифференциальным
усилителем можно определить следующим
образом:

      (2),

Учитывая,
что сигнал на выходе схемы дифференциального
усилителя, приведенной на рисунке 1,
снимается между резисторами R2 и R4, то
коэффициент ослабления синфазного
сигнала определяется следующим образом:

      (3),

Учитывая,
что на одном кристалле можно получить
достаточно близкие значения коллекторных
сопротивлений, а в качестве эмиттерного
резистора R3 применить высокоомный
генератор тока, то коэффициент подавления
синфазной помехи получается настолько
большим, что можно отказаться от
применения разделительных конденсаторов
между дифференциальными каскадами.

15 Операционный усилитель

Операционные
усилители

Операционные
усилители – это УПТ с дифференциальным
входом и общим несимметричным выходом,
которые имеют большой коэффициент
усиления
и обычно используются с различными
обратными связями. Название этих
усилителей связано с тем, что первоначально
предполагалось их применять для
выполнения различных математических
операций над аналоговыми сигналами
таких как.
Однако после того, как такие усилители
были изготовлены в виде интегральных
схем они оказались чрезвычайно дешевыми
и применяются для выполнения любых
операций где требуется усиление
электрического сигнала. Это наиболее
распространенная аналоговая интегральная
схема.

Операционный
усилитель на принципиальных схемах
изображается так же, как на структурных
схемах обозначается обыкновенный
усилитель– большим треугольником.

      Прямой
вход операционного усилителя обозначается
знаком “+”, а инверсный вход отмечается
знаком “-“. Следует знать, что в
различной литературе встречается и
другое обозначение: инверсный вход
обозначается кружком. Это типовое
обозначение знака инверсии, которое
встречается и в цифровой электронике
– логических элементах. Прямой вход не
имеет в обозначении кружочка. 

Основное
уравнение ОУ, которое показывает связь
между входными и выходным напряжениями
записывается так

U_вых
=К_оу(U⁺_вх–U^–_вх),

где
К_оу–коэффициент
усиления ОУ.

9.4.
Классификация ОУ по назначению

ОУ
общего или широкого применения.
Применяются наиболее часто, имеют
средние значения своих параметров среди
ОУ.

Быстродействующие
ОУ.
Их применяют для усиления импульсных
и широкополосных сигналов. Для них
характерно высокое значение скорости
нарастания выходного напряжения

Прецизионные
ОУ.
Это точно выполняющие преобразования
над аналоговыми сигналами. Для них
характерно следующее:

1.
;
2. малый дрейф выходного напряжения.

Микромощные
ОУ.
Они имеют малую потребляемую мощность
и малое питающее напряжение
.
Используются в автономных устройствах,
т.е. где существует ограничение по
питанию (радиоприемники, слуховые
аппараты и т.д.).

Программируемые
ОУ.
Они имеют добавочный вывод напряжение,
на котором позволяет управлять
коэффициентом усиления, частотой
единичного усиления
,
или потребляемой мощностью.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про дифференциальные усилители, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое
дифференциальные усилители, дифференциальный каскад , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.

дифференциальный каскад , также дифференциальный усилитель, балансный каскад, параллельно-балансный каскад, каскад с катодными связями или каскад с эмиттерными связями — электронный усилительный каскад, образуемый симметричным включением двух схем с общим эмиттером, общим истоком или общим катодом. Эмиттеры (истоки, катоды) дифференциальной пары активных приборов соединены и подключены к общему источнику стабильного тока. Выходными сигналами каскада служат непосредственно токи двух коллекторов (стоков, анодов) или напряжения на подключенных к ним нагрузкам. Идеальный дифференциальный каскад усиливает только напряжение, приложенное между его входам (дифференциальный сигнал), и не реагирует на общую составляющую входных напряжений (синфазный сигнал) — таким образом каскад подавляет усиление внешней электромагнитной помехи, действующей на оба входа одновременно.

Дифференциальный каскад не является единственно возможной схемой дифференциального усилителя. Входным каскадом дифференциального усилителя может служить, например, обычный или двухтактный эмиттерный повторитель, управляемый одновременно по входу и по выходу. Однако только дифференциальный каскад обеспечивает симметрию инвертирующего и неинвертирующего входов, минимально возможное напряжение смещения между входами, и при этом намного более линеен, чем однотактные транзисторные каскады. Это основная схема усилителя постоянного напряжения, подключаемая к источнику сигнала непосредственно, без разделительных конденсаторов и трансформаторов. Добавление внешнего каскада усиления и сдвига уровня превращает ее в простейший операционный усилитель, добавление эмиттерного повторителя — в прецизионный повторитель напряжения. На основе дифференциального каскада строятся компараторы, умножители напряжения, модуляторы и демодуляторы, быстродействующие микросхемы эмиттерно-связанной логики

Историческая справка

В начале 1930-х годов конструкторам электрофизиологических медицинских приборов потребовались бестрансформаторные, высокочувствительные^{[комм. 1]} дифференциальные усилители постоянного напряжения и инфразвуковых частот, способные эффективно подавлять синфазные^[⇨] помехи^[10]. Единственным средством преобразования дифференциального, или балансного, электрического сигнала в однофазный в то время был разделительный трансформатор. Трансформаторы надежны, не требуют внешнего питания, хорошо подавляют синфазные помехи, но принципиально не способны передавать со входа на выход постоянный ток, и практически непригодны для передачи инфразвуковых частот, характерных для биологических сигналов — электрокардиограмм и электроэнцефалограмм^[10]. Решение задачи — бестрансформаторный дифференциальный каскад — разрабатывалось одновременно многими конструкторами в течение 1930-х годов^[10].

В 1934 году Брайан Мэтьюз^[en] изобрел «биологический усилитель» на паре вакуумных триодов; его устройство хорошо усиливало дифференциальные сигналы, но плохо подавляло синфазные помехи^[10]. В 1936 году Алан Блюмлейн запатентовал дифференциальный каскад с общим катодным резистором, предназначенный для усиления видеосигнала^[10]; именно Блюмлейн дал дифференциальному каскаду его английское имя long-tailed pair (буквально «пара [триодов] с длинным хвостом» [катодным резистором]). В 1937 году, независимо от Блюмлейна, Франклин Оффнер изобрел аналогичную схему и дополнил ее цепью обратной связи, подавлявшей усиление синфазного сигнала, а Отто Шмитт предложил дифференциальный каскад на пентодах^[10] и опубликовал развернутое описание триггера Шмитта — нелинейного элемента на базе дифференциального каскада^[11]. Схемы Блюмлейна, Оффнера и Шмитта не были способны усиливать постоянное напряжение; первый полноценный дифференциальный усилитель постоянного тока с биполярным питанием и высоким сопротивлением общего катодного резистора предложил в 1938 году Ян-Фридрих Теннис^[de][10][12]. В том же году Отто Шмитт описал особенности применения дифференциального каскада в качестве фазоинвертора; в 1941 году Шмитт опубликовал развернутый анализ схемы и предложил ее вариант^[⇨] с двумя источниками тока (катодными резисторами)^{[13][комм. 2]}. Во время Второй мировой войны дифференциальный каскад начали применять в логических схемах и аналоговых счетно-решающих устройствах военного назначения^[14]; к концу 1940-х годов теория и способы расчета дифференциальных каскадов на вакуумных лампах были полностью сформированы^[15].

Принцип действия. Основные характеристики

Два идентичных транзистора или триода дифференциальной пары питаются общим током ^{[комм. 3]}, заданным внешним источником — в его роли может выступать активный источник тока либо резистор достаточно большой величины.

Если на входные электроды дифференциальной пары подано одно и то же управляющее напряжение ^{[комм. 4]}, называемое синфазным, то выходные коллекторные токи обоих плеч равны ^{[комм. 5]}. Равенство сохраняется при любых значениях синфазного напряжения, при которых оба транзистора действуют в активном режиме^[16]. В идеальном каскаде крутизна преобразования синфазного напряжения в токи двух плеч (для каскадов с токовыми выходами) и коэффициент усиления синфазного напряжения (для каскадов усиления напряжения) точно равны нулю^[16]. В реальных каскадах внутреннее сопротивление общего источника тока порождает незначительное усиление (точнее, прохождение или просачивание) синфазного сигнала, с коэффициентом усиления от −10⁻⁴ до −1^[16].

Если напряжения на базах транзисторов не равны, то есть на общее синфазное напряжение накладывается дифференциальная составляющая , то общий ток перераспределяется между транзисторами. Тот из них, на базу которого подано бо́льшее управляющее напряжение (с учетом полярности транзисторов), перехватывает бо́льшую часть общего тока^[16]. При малых значениях каскад является высоколинейным управляемым источником тока — преобразователем дифференциального напряжения в ток с крутизной преобразования , точно равной крутизне характеристики каждого транзистора в выбранной рабочей точке :

;

;

;

.

Если бы крутизна преобразования напряжения в ток была постоянной, то при один из транзисторов перехватил бы 100 % общего тока, а другой бы закрылся. На границах области линейного усиления, называемой апертурой ограничения (), происходил бы резкий переход к амплитудному ограничению (клиппингу) сигнала^[18]. В реальных усилительных приборах крутизна не остается неизменной, поэтому переход от усиления к ограничению сигнала — если не сказываются внешние факторы, вызывающие преждевременную перегрузку^[⇨] — происходит плавно. Характер этого перехода зависит от типа примененных приборов и от принятых мер по линеаризации передаточной характеристики.

Для превращения управляемого источника тока в усилитель напряжения достаточно включить в коллекторные (стоковые, анодные) цепи дифференциальной пары нагрузку — ею в простейшем случае служат сопротивления. Изменения напряжений на коллекторах всегда противоположны (инверсны) изменениям токов. Коэффициент усиления дифференциального напряжения каскада на биполярных транзисторах с резистивной нагрузкой составляет от −10 до −100 (20…40 дБ); активная нагрузка на токовом зеркале позволяет увеличить до −1000 (40…60 дБ)^[16]. Отношение дифференциального коэффициента усиления к синфазному называется коэффициентом ослабления синфазного напряжения^[16]. В идеальных каскадах это бесконечно большая величина, а в реальных устройствах на биполярных транзисторах составляет от 1000 до 100000 (60…100 дБ)^[19].

Транзисторы реальных усилителей не идентичны, что неизбежно порождает разбаланс двух плеч дифференциальной пары^[20]. Если разбаланс нескомпенсирован, то передаточные характеристики каскада сдвигаются влево или вправо, а коэффициент усиления дифференциального сигнала незначительно снижается^[20]. Степень разбаланса характеризуется напряжением смещения , которое нужно приложить между двумя входами, чтобы уравнять токи, протекающие через левое и правое плечо каскада. В прецизионных интегральных схемах разработки XXI века составляет примерно 200 мкВ для биполярных транзисторов^{[21][комм. 6]}, и примерно 2 мВ для МДП-транзисторов^[21].

Главная особенность дифференциального каскада, отличающая его от иных базовых каскадов усиления — независимость режима работы транзисторов (рабочей точки) от напряжения синфазного сигнала. Рабочая точка задается только источником тока, и остается неизменной в широком интервале ^[19]. Дифференциальный каскад не требует особых мер по согласованию с предшествующими и последующими каскадами — это надежный усилитель постоянного тока, не нуждающийся в разделительных конденсаторах или трансформаторах^[19]. Кроме того, дифференциальный каскад мало чувствителен к изменению температуры транзисторов: он подавляет температурный дрейф так же, как и синфазные сигналы^[19]. По той же причине в интегральных схемах подавляется технологический разброс параметров (как правило, он влияет на рядом расположенные транзисторы и сопротивления в равной мере, не нарушая симметрию схемы)^[19].

Передаточная характеристика

Каскад на биполярных транзисторах

Передаточная характеристика^[23][24] и зависимость ^[25] от амплитуды входного дифференциального напряжения. Шкала напряжений выражена в температурных коэффициентах . Идеализированный график не учитывает дополнительные искажения при насыщении и отсечке транзисторов^[26]

В активном режиме эмиттерный ток биполярного транзистора и управляющее им напряжение база-эмиттер связаны экспоненциальной зависимостью , а крутизна характеристики транзистора прямо пропорциональна току эмиттера и обратно пропорциональна абсолютной температуре:

, где — температурный потенциал, прямо пропорциональный абсолютной температуре, и составляющий примерно 26 мВ при 300 К^[27][28].

При подаче на базы транзисторов небольшого дифференциального напряжения выходные токи перераспределяются в экспоненциальной пропорции:

.

Решение системы уравнений описывается функцией гиперболического тангенса^[31][30]. Если пренебречь ответвлением части эмиттерных токов в базы транзисторов^{[комм. 8]}:

;

^[31].

В области малых (несколько мВ) входных синфазных напряжений зависимость практически линейная:

;

, , где — падение постоянного напряжения покоя на каждом из двух нагрузочных сопротивлений. Теоретический предел (μ), пропорциональный напряжению Эрли, равен примерно 4000^[33];

.

С ростом крутизна плавно спадает, а коэффициент нелинейных искажений (КНИ), спектр которых состоит исключительно из нечетных гармоник, нарастает пропорционально квадрату и достигает 1 % при , или примерно 18 мВ (для сравнения, в каскаде с общим эмиттером КНИ достигает 1 % при входном напряжении менее 1 мВ) . Апертура ограничения по входу составляет , или примерно ±50 мВ; она зависит только от температуры и не зависит от свойств примененных транзисторов^{[18][комм. 9]}. В пределах апертуры входное сопротивление каскада , где — коэффициент усиления базового тока^[35][36]. За пределами апертуры передаточная характеристика уплощается, а коэффициент усиления резко спадает^[23]. Входной ток принимает прямоугольную форму; его амплитуда стабилизируется, а нелинейное входное сопротивление начинает возрастать пропорционально ^[35]. Примерно при (± 125 мВ) наступает перегрузка: один из двух транзисторов перехватывает более 99 % общего тока, а другой закрывается^[23].

В реальном каскаде, нагруженном на сопротивления, перегрузка наступает при намного меньших входных напряжениях, порядка ^[26]. Причина этого — в преждевременном переходе транзисторов в режимы насыщения и отсечки из-за падения напряжения на нагрузках^[26]. В каскадах с активными нагрузками^[⇨] может быть столь велик, что перегрузка наступает при всего в несколько мВ и имеет характер резкого, внезапного клиппинга .

Каскад на МДП-транзисторах

Передаточная характеристика^[37] и зависимость от амплитуды входного дифференциального напряжения . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Сплошная кривая (1Х) — каскад на паре одиночных транзисторов, пунктир пунктир (4X) — каскад на восьми счетверенных транзисторах того же типа с тем же суммарным током питания и теми же сопротивлениями нагрузки

В режиме насыщения ток через канал МДП-транзистора слабо зависит от напряжения сток-исток и пропорционален не экспоненте, а квадрату управляющего напряжения (разницы между напряжением затвор-исток и пороговым напряжением ). Если пренебречь эффектом Эрли, то

, где — удельная крутизна, характеризующая конкретный транзистор^[38].

При малых входных напряжениях дифференциальный каскад работает в линейном режиме; его разностный выходной ток описывается формулой

^[25]

При один из транзисторов закрывается и каскад переходит в режим ограничителя амплитуды^[25].

Передаточные характеристики каскада на МДП-транзисторах подобны характеристикам каскада на биполярных транзисторах с неглубокой локальной ООС^[⇨]: длительный участок линейного преобразования напряжения в ток завершается плавными переходами в режим ограничения^[37]. Принципиальное же отличие каскада на МДП-транзисторах от биполярного в том, что его передаточная характеристика и апертура по входу определяются характеристиками примененных приборов^[25]. Чем меньше удельная крутизна транзисторов, тем меньше крутизна передаточной характеристики каскада, тем шире его апертура по входному сигналу и тем меньше нелинейные искажения при данном входном напряжении^[37].

Каскад на триодах

Вакуумные триоды, как и маломощные МДП-транзисторы, характеризуются относительно низкой (порядка единиц, редко десятков мA/В) крутизной характеристики. Внутреннее сопротивление триода, в отличие от транзисторов любых типов, относительно мало; оно вносит локальную обратную связь и линеаризует передаточную характеристику каскада^[39]. В области отрицательных сеточных напряжений ток анода, в первом приближении, рассчитывается по закону трех вторых, а крутизна характеристики триода пропорциональна квадратному корню из эффективного управляющего напряжения:

, где , — напряжения анод-катод и сетка-катод, — коэффициент усиления триода^[40].

В XXI веке типичное применение дифференциального каскада на вакуумных триодах — фазоинверторы двухтактных гитарных усилителей^[41]. Напряжения сигнала на входе каскада измеряются единицами В, на выходе — десятками В. Апертура по входу и выходу и уровень нелинейных искажений сильно зависят от выбранного типа ламп, и отчасти от выбора их рабочих точек. Коэффициент нелинейных искажений не поддается расчету — его можно определить лишь опытным путем^[41]. Предпочтительны лампы с высоким коэффициентом усиления и высокой крутизной ; лампы с высоким , но низкой крутизной (12AX7 и аналоги) нежелательны, так как уровень вносимых ими искажений может быть чрезмерным даже для гитарного усилителя^[41]. Коэффициент усиления дифференциального сигнала составляет для каждого из двух выходов

,

где — сопротивление анодной нагрузки, — внутреннее сопротивление триода в выбранной рабочей точке^[42]. Эта величина ровно вдвое меньше коэффициента усиления каскада с общим катодом при тех же значениях и . Неизбежное прохождение синфазного сигнала увеличивает амплитуду напряжения на инвертирующем выходе и уменьшает амплитуду на неинвертирующем выходе фазоинвертора. Минимально возможный коэффициент усиления синфазного сигнала составляет

, где — внутреннее сопротивление общего источника тока^[43], а максимальный коэффициент ослабления синфазного сигнала ^[44][45] (порядка 60 дБ^[46]).

На практике точные значения коэффициентов не поддаются исчислению, а теоретические значения и не достижимы; без особых усилий можно добиться порядка 40 дБ^[44][46].

Частотная характеристика

1) Простая диффференциальная пара, нагруженная на сопротивления

2) Каскодная дифференциальная пара с активной нагрузкой[⇨]

Условная единица оси частот соответствует
частоте единичного дифференциального усиления

Приведенные выше формулы и оценки справедливы лишь на низких частотах^[48]. На практике частотная характеристика коэффициента дифференциального усиления достаточно точно аппроксимируется фильтром нижних частот первого порядка c постоянной времени , складывающейся из двух частей:

, где — модуль коэффициента усиления постоянного напряжения с учетом потерь на внутреннем сопротивлении источника сигнала ^[49][49]. В первой части () сгруппированы составляющие постоянной времени, не зависящие от выбранного коэффициента усиления, во второй () — составляющие, пропорциональные ему^[49].

В простейшем симметричном каскаде, нагруженном на сопротивления, постоянные времени рассчитываются по тем же формулам, что и постоянные времени каскада с общим эмиттером,

^[50],

^[51], где — проходная емкость транзистора и емкость нагрузки, и — коэффициент усиления тока базы и динамическое сопротивление базы транзистора^[51],

или каскада с общим истоком^[49]:

,

^[50], где — емкости затвор-исток, затвор-сток, сток-подложка модели первого уровня, и емкость нагрузки^[52].

В распространенном на практике случае , а ^[49]. При этом граничная частота среза обратно пропорциональна , а произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания постоянно и равно частоте единичного усиления: независимо от величин сопротивлений и токов, определяющих коэффициент усиления на нижних частотах^[49]. Уменьшение или увеличение сопротивлений нагрузки сдвигают частоту среза вниз или вверх, но положение наклонной ветви АЧХ остается неизменным^[49].

АЧХ коэффициента усиления синфазного напряжения имеет более сложный характер, так как в модели каскада возникает частотнозависимая обратная связь^[53]; в зависимости от ее относительной эффективности может и возрастать с частотой, и спадать^[54]. Для каскада, нагруженного на сопротивления, характерен первый вариант: на нижних частотах возрастает и затем, достигнув частоты среза , стабилизируется; на высоких частотах, вплоть до частоты единичного усиления дифференциального сигнала, спадает, причем его величина вдвое превосходит ^[55]. В сложных каскадах c особо высоким на низких частотах возрастание не наблюдается^[55].

Схемотехника

Коммутация входов и выходов

Дифференциальный каскад может работать как в симметричном, так и в несимметричном режиме по входу, когда управляющее напряжение подается только на один из входов, а другой вход заземлен^[19]. Такой каскад преобразует несимметричный входной сигнал в два противофазных, примерно равной амплитуды^[19]. Баланс амплитуд двух плеч тем лучше, чем выше коэффициент ослабления синфазного сигнала; последний в несимметричном режиме составляет половину полезного (дифференциального) входного сигнала^[19].

Несимметричная нагрузка может подключаться к любому из двух плеч каскада, при этом коэффициент усиления уменьшается вдвое по сравнению с симметричным выходом^[29]. В схемах с несимметричным входом и несимметричным выходом предпочтительнее неинвертирующее включение, в котором коллектор входного транзистора заземлен по переменному току, и потому отсутствует эффект Миллера^[29]. Исторически такой каскад рассматривался и как дифференциальный, и как каскад с эмиттерной связью — двухкаскадный усилитель, входной транзистор которого работает в режиме с общим коллектором, а выходной — в режиме с общей базой . В реальных схемах, по соображениям простоты сопряжения с последующими каскадами, конструкторы часто выбирают менее совершенный инвертирующий вариант. Именно он используется в модифицированной топологии Лина, по которой строится абсолютной большинство линейных транзисторных усилителей мощности звуковой частоты^[56].

Линеаризация дифференциальной пары с помощью локальной обратной связи

Передаточная характеристика и зависимость ее крутизны и от амплитуды входного дифференциального напряжения^[57]. Сплошная линия — каскад с локальной ООС, SRe=5. Пунктир — базовый каскад без ООС^{[комм. 12]}

Для уменьшения искажений, расширения апертуры и балансировки плеч в биполярную дифференциальную пару вводится локальная отрицательная обратная связь (ООС) по току . Две ее конфигурации — с двумя эмиттерными резисторами («соединение звездой»), либо с одним эмиттерным резистором и двумя источниками тока («соединение треугольником»), — эквивалентны^[57] за единственным исключением: в каскаде с симметричным выходом схема «треугольником» проигрывает схеме «звездой» по шумам^[59]. Эффективность ООС характеризуется ее коэффициентом

Максимальная крутизна передаточной характеристики (или коэффициент усиления) каскада уменьшается в раз, при этом область высоколинейного усиления с практическим неизменной крутизной расширяется; пик на графике превращается в плоское плато^[57][58]. В этой линейной области коэффициент нелинейных искажений при том же снижается пропорционально кубу коэффициента ООС, а коэффициент нелинейных искажений при том же выходном дифференциальном токе — пропорционально его квадрату^[60]. Коэффициент усиления синфазного напряжения изменяется слабо, поэтому ухудшается в раз^[61]. Другой недостаток локальной ООС в дифференциальном каскаде — повышенный уровень шума из-за тепловых шумов эмиттерных сопротивлений, включенных последовательно с источником входного напряжения^[59]. На практике допустимую величину ограничивают именно требования к шумам каскада^[59]. Наконец, чем больше , тем резче наступление перегрузки при выходе за пределы линейной области, что вообще типично для устройств, линеаризованных с помощью ООС^[62].

Линеаризация каскада на МДП-транзисторах с помощью локальной обратной связи возможна и эффективна с точки зрения снижения нелинейных искажений^[63]. Однако, чтобы обеспечить ту же апертуру по входному сигналу, каскад с истоковыми резисторами должен использовать гораздо бо́льшие транзисторы, а его полоса пропускания неизбежно сузится из-за многократно бо́льших паразитных емкостей^[63].

Линеаризация каскада с помощью асимметричных дифференциальных пар

Альтернативный способ линеаризации каскада, не ухудшающий отношение сигнал-шум, применяется в биполярной интегральной схемотехнике^[61]. Усовершенствованный каскад состоит из двух параллельно включенных дифференциальных пар, в каждой из которых площади эмиттерных переходов транзисторов различаются в 4 раза^[64]. При таком соотношении площадей третьи гармоники выходного тока, генерируемые двумя парами, взаимно подавляют друг друга^{[64][комм. 13]} . По сравнению с обычным дифференциальным каскадом, потребляющим от источника питания тот же ток , усовершенствованный каскад отличается

• в полтора раза меньшим коэффициентом усиления дифференциального напряжения^[64],
• втрое бо́льшим диапазоном входных напряжений, при которых коэффициент нелинейных искажений не превосходит 1 %^[64],
• в полтора раза худшим абсолютным напряжением шумов, приведенным ко входу каскада — что, с учетом трехкратного расширения апертуры, означает улучшение отношения сигнал-шум на 6 дБ^[65].

Повышение коэффициента усиления дифференциального сигнала. Активные коллекторные нагрузки

Простейший преобразователь выходного тока в напряжение — резистор в коллекторной цепи — не идеален. Малые нагрузочные сопротивления обеспечивают широкий диапазон входных синфазных напряжений при низком коэффициенте усиления; большие сопротивления позволяют довести до примерно 40 дБ ценой сужения диапазона синфазных напряжений^[16][67][68]. Для радикального увеличения при сохранении широкого диапазона синфазных напряжений необходимо заменить резисторы на высокоомную активную нагрузку^[67]:

• в каскаде с симметричным (парафазным) выходом — на два идентичных источника тока ^[67],
• в каскаде с несимметричным выходом — на токовое зеркало (схема B)^[69].

В обоих случаях каскад превращается в генератор разностного тока , который направляется в высокоомную внешнюю цепь, при этом напряжения покоя на коллекторах или стоках дифференциальной пары не определены^[70][68]. Чтобы избежать «залипания» каскада в одном из двух крайних положений, его рабочая точка устанавливается принудительно — петлей глобальной обратной связи, цепью автоматического регулирования тока эмиттеров дифференциальной пары^[71] или тока активной нагрузки^[72].

Предельный малосигнальный коэффициент усиления каскадов с активными нагрузками ограничен сверху эффектом Эрли. Для биполярного каскада с простым токовым зеркалом

, где — выходные сопротивления транзисторов, — их напряжения Эрли^[73][74][75].

Для типичных напряжений Эрли в 50…100 В биполярного каскада равен примерно −1000, или 60 дБ^[76]. В каскадах на полевых транзисторах действует то же общее правило, но пропорционально меньше из-за меньших значений крутизны:

^[76][74].

Замена простого токового зеркала на каскодное зеркало (схема C) подавляет эффект Эрли в транзисторах зеркала (но не в дифференциальной паре) и позволяет примерно удвоить ^[77]. Для дальнейшего повышения необходимо подавить эффект Эрли дифференциальной пары, зафиксировав каскодами напряжения на ее коллекторах (схема D). При этом в биполярных каскадах возрастает еще примерно в раз^[78], до примерно 90…100 дБ^[79][80]; в каскодных МДП-структурах достигаются значения от 50 до 80 дБ^[79]. Недостаток всех каскодных схем — сужение диапазона синфазных входных напряжений, достоинство — возможность применения высококачественных низковольтных транзисторов в схемах со значительным падением напряжения между входом и выходом дифференциального каскада^[81]. Каскод — непременная часть дифференциальных каскадов операционных усилителей с входными супербета-транзисторами и усилителей мощности с входными полевыми транзисторам^[81].

Применение простых или каскодных токовых зеркал увеличивает только на постоянном токе и в области низших частот; из-за дополнительных емкостей транзисторов частота единичного усиления усложненных каскадов оказывается несколько ниже, чем в простейшей схеме на сопротивлениях^[82]. Увеличение в области высоких частот происходит лишь в схеме с токовым зеркалом и каскодной дифференциальной парой (схема D)^[66].

Подавление усиления синфазного сигнала. Активные источники эмиттерного тока

Типичным примером синфазного сигнала являются электромагнитные помехи (наводки), действующие в равной мере на оба входа усилителя^[83]. Мерой помехоустойчивости усилителя к внешним помехам служит коэффициент ослабления синфазного сигнала ^[83], а его уменьшение является первостепенной целью конструкторов^[84]. Величина трудно поддается точному расчету, так как зависит от выбора рабочей точки, от степени асимметрии дифференциальной пары, от температуры и так далее^[85]. Если пренебречь явлениями второго порядка, то для простейшего дифференциального каскада, нагруженного на сопротивления и питающегося от источника общего эмиттерного тока с внутренним сопротивлением ,

.

В каскаде, нагруженном на источники тока, предельный в 2 раза меньше^[73], в каскаде, нагруженном на каскодные источники тока — в 20…200 раз меньше^[88]. Во всех вариантах главным способом увеличения является увеличение ^[85] (увеличение крутизны всегда сопряжено с ростом энергозатрат, и потому возможно лишь в узких пределах). Установка тока резистором допустима в схемах с постоянным синфазным напряжением, которое и определяет рабочую точку дифференциальной пары, а во всех иных случаях необходим активный источник тока^[89]. Внутреннее сопротивление простого источника тока пропорционально напряжению Эрли примененного транзистора:

^],

поэтому в первом приближении каскада с активным источником общего тока эмиттеров зависит только от напряжения Эрли и абсолютной температуры, и не зависит от выбора рабочей точки^[90]:

^[90],

то есть для типичных напряжений Эрли в 50…100 В^[76] верхний предел каскада, нагруженного на сопротивления, составляет 60…66 дБ^[91]. Простейший способ увеличить — включение в эмиттерную цепь источника тока дополнительного сопротивления. Мерой эффективности такой локальной ООС служит падение напряжения на дополнительном сопротивлении: если оно составляет , или 250 мВ, расчетный возрастает в 11 раз, или на 21 дБ, и так далее^[92].

Особый, отличный от вышеперечисленных конфигураций случай — дифференциальный каскад, нагруженный на токовое зеркало^[78]. В идеальном каскаде такого рода, благодаря вычитанию синфазных токовых составляющих двух плеч, синфазный сигнал вообще не проходит на выход, а теоретический бесконечно велик^[78]; на практике же достижимы значения свыше 100 дБ^[93].

Температурная стабилизация коэффициента усиления

С ростом абсолютной температуры апертура ограничения транзисторного каскада расширяется, а коэффициент усиления снижается, что усложняет задачу проектирования устойчивых цепей обратной связи^[94]. Для нейтрализации этих явлений следует корректировать общий ток каскада таким образом, чтобы стабилизировать коэффициент усиления^[94]. В биполярных интегральных схемах для этого достаточно использовать источник тока, пропорционального абсолютной температуре дифференциальной пары^[94][30].

Термостабилизация каскадов на МДП-транзисторах сложнее, так как характер зависимости их крутизны от температуры меняться в зависимости от выбранного режима^[94]. В режиме слабой инверсии коэффициент усиления стабилизируется так же, как и в биполярных схемах — источником тока, пропорциональным абсолютной температуре^[94]. В режиме сильной инверсии единственный надежный способ стабилизации — слежение за коэффициентом усиления второй, образцовой, дифференциальной пары^[94].

Расширение диапазона синфазных входных напряжений

В аналоговой и аналого-цифровой схемотехнике XXI века преобладают устройства, питающиеся от однополярных источников относительно небольшого положительного напряжения (например, от напряжения +5В, поступающего по шине USB)^[95][65]. В таких устройствах диапазон синфазных напряжений, обрабатываемых дифференциальными усилителями, неизбежно охватывает отрицательную шину питания, выполняющую функцию сигнальной земли^[96]. Это требование легко выполняется в дифференциальных парах, нагруженных на относительно низкие сопротивления или простые источники тока^[97]. В зависимости от типа примененных приборов, предельно допустимый диапазон синфазных напряжений составляет

• от примерно −0,2…−0,3 В до уровня на 1…2 В ниже напряжения питания — для дифференциальных пар pnp-транзисторов или n-канальных полевых транзисторах с p-n-переходами^{[98][99][100]};
• от примерно +1…+2 В до уровня, превышающего напряжение питание на 0,2…0,3 В — для дифференциальных пар npn-транзисторов или p-канальных полевых транзисторах с p-n-переходами .

Биполярные пары такого рода сопрягаются с последующими каскадами через смещенные, или свернутые, каскоды на транзисторах противоположного типа проводимости^[98][97].

Для того, чтобы диапазон синфазных напряжений биполярного каскада охватывал обе шины питания (режим rail-to-rail по входу), необходимы две дифференциальные пары на транзисторах противоположных типов проводимости. Передача управления от одной пары к другой сопровождается повышенными искажениями и изменениями напряжений и токов смещения, поэтому обычно конструкторы выбирают точку переключения вблизи положительной шины питания так, чтобы бо́льшую часть входных напряжений обрабатывала основная (pnp) пара^[104][105]. Физически переключение осуществляет цепь управления двумя источниками эмиттерных токов; сумма двух токов поддерживается постоянной во всем диапазоне входных напряжений^[106]. В КМОП-схемотехнике возможно реализовать режим rail-to-rail и на единственной дифференциальной паре, используя управление по подложке^[107]. В зависимости от уровня синфазного напряжения специализированные p-канальные транзисторы такого каскада работают либо в режиме обеднения, либо в режиме обогащения^[107].

Сводная таблица

В таблице^[80] приведены сравнения свойств различных конфигураций дифференциальных каскадов на биполярных транзисторах, упорядоченных по возрастанию схемотехнической сложности. Относительные оценки тех же конфигураций на полевых транзисторах совпадают, за исключением коэффициента ослабления синфазного сигнала (в n-канальной схемотехнике его наивысшее значение достигается при сочетании каскодной дифференциальной пары с каскодным токовым зеркалом)^[108].

Схемотехнический вариант	Подключение внешней нагрузки	Коэффициент усиления дифференциального сигнала	Коэффициент ослабления синфазного сигнала	Диапазон допустимых синфазных напряжений	Произведение усиления на полосу пропускания
Дифференциальная пара	Нагрузка
Простая	Сопротивления		Низкий (20…40 дБ)	Высокий	Широкий
Простые источники тока		Высокий (40…60 дБ)	Высокий	Широкий
Каскодные источники тока		Высокий	Низкий		Высокая
Простое токовое зеркало	Только однополярное	Высокий	Наивысший	Широкий
Каскодная	Каскодные источники тока		Наивысший	Высокий	Узкий	Высокая
Каскодное токовое зеркало	Только однополярное	Наивысший	Весьма высокий	Узкий	Наивысшая

Применение. Производные схемы

Усилители напряжения и мощности

: Операционный усилитель и Усилитель Лина

В 1943—1945 годы Леб Джули^[en], работавший под руководством Джорджа Филбрика^[en] над системами управления артиллерийским огнем, сконструировал первый операционный усилитель (ОУ)^{[комм. 19]} с входным каскадом на дифференциальной паре триодов 6SL7^[114]. В 1950-е годы Филбрик и его последователи усовершенствовали и коммерциализировали ламповый ОУ^[115], а в 1963—1965 годы Боб Видлар разработал первые интегральные ОУ μA702 и μA709, также использовавшие на входе дифференциальную пару npn-транзисторов^[116]. В классических универсальных ОУ второго поколения LM101 и μA741 (1967—1968) дифференциальный вход был построен по иной схеме, на pnp-транзисторах в режиме с общей базой^[117], а в прецизионных ОУ того же периода (LM108, 1969 и аналоги) применялись дифференциальные пары супербета-транзисторов^[118]. В схемотехнике последующих поколений ОУ с обратной связью по напряжению дифференциальный каскад преобладает^[119][120] (в ОУ с токовой обратной связью входным каскадом служит двухтактный эмиттерный повторитель^[121]).

Применение входных дифференциальных каскадов в транзисторных усилителях мощности звуковой частоты (УМЗЧ) началось довольно поздно, в середине 1960-х годов^[122]. Новинка быстро вошла в практику конструкторов. Около 1972 года сложилась ставшая стандартом трехкаскадная конфигурация, объединившая достоинства дифференциального каскада и известного с 1956 года^[123] усилителя Лина^[124]. В последующие десятилетия схема «обросла» активными источниками тока, каскодами, токовыми зеркалами, сохранив исходную конфигурацию: дифференциальная пара — каскад усиления напряжения (КУН) в режиме ОЭ — мощный двухтактный эмиттерный повторитель^[124]. В конце XX — начале XXI века она абсолютно доминировала в схемотехнике универсальных ОУ, изготовленных по комплементарной биполярной технологии^[120], и в схемотехнике дискретных и интегральных УМЗЧ^{[123][125][56]}; по оценкам Дугласа Селфа^[en], к 2002 году ей следовало не менее 99 % выпущенных транзисторных УМЗЧ^[56]. В низковольтных и высокочастотных ОУ преобладают дифференциальные каскады со свернутыми каскодами^[98][126].

В 1980-е конструкторы УМЗЧ, считавшие симметрию принципиальной схемы залогом низких искажений, предложили альтернативную конструкцию с двумя входными ДК на комплементарных биполярных транзисторах^[127]. ДК на транзисторах npn-типа управлял каскадом усиления напряжения (КУН) на pnp-транзисторе в режиме ОЭ, ДК на транзисторах pnp-типа — каскадом на npn-транзисторе^[124][128]. Выходные сигналы двух КУН совместно управляли общим выходным каскадом^[124][128]. В теории подобная конфигурация уменьшает искажения и шумы входного каскада^[129]; на практике она создает практически неразрешимые задачи одновременной частотной коррекции и одновременной линеаризации двух комплементарных, но неизбежно разных усилителей, охваченных общей петлей ООС^[130]. В импульсной и измерительной технике нашла применение сходная конструкция двухтактного (комплементарного) дифференциального каскада, нагруженного на два свернутых каскода^[131]. Цель усложнения схемы — выравнивание времен восстановления после перегрузок отрицательными и положительными сигналами (в обычном ДК эти задержки принципиально асимметричны)^[131].

Прецизионные повторители напряжения

Базовая трехтранзисторная конфигурация^{[комм. 20]} повторителя на дифференциальном каскаде образуется последовательным соединением неинвертирующего дифференциального каскада и эмиттерного повторителя, охваченных стопроцентной ООС^[135]. Повторитель такого рода может рассматриваться как близкий к идеалу аналог транзистора с нулевым сдвигом напряжения между «базой» и «эмиттером»^[136][137]. На практике трехтранзисторная схема имеет посредственные коэффициент нелинейных искажений^[135] и частотные характеристики^[137][138]. Нелинейные искажения можно снизить до исчезающе малых значений заменами коллекторной нагрузки на токовое зеркало и эмиттерной нагрузки — на активный источник тока^[135]. Расширить частотный диапазон и подавить самовозбуждение можно, заменив транзистор эмиттерного повторителя на транзистор Дарлингтона^[137][138]. Первой крупносерийной микросхемой такого рода стала разработанная в середине 1970-х годов LM102^[138][137].

В 1980-е годы^{[комм. 21]} конструктор Tektronix Джон Аддис предложил конфигурацию быстродействующего (до 1 ГГц) измерительного дифференциального каскада, «транзисторами» которого служили прецизионные повторители в четырехтранзисторной, с выходным транзистором Дарлингтона, конфигурации^[137][138]. Крутизна характеристики каскада определялась только величиной нихромовых^[140] эмиттерных резисторов ^[137], что гарантировало линейность передаточной характеристики каскада, а для балансировки двух плеч резисторы проходили лазерную подгонку^[140]. Идея была воплощена в ИС Tektronix M377^{[комм. 22]}, которая произвела революцию в конструировании измерительной техники и стала началом ветви прецизионных микросхем, эволюционировавшей в 1990-е и 2000-е годы^[141].

Умножители, модуляторы и демодуляторы

Так как крутизна передаточной характеристики биполярного транзистора прямо пропорциональна току коллектора, то изменение этого тока, обусловленное малым изменением напряжения база-эмиттер , пропорционально произведению на величину тока^[144]. Для реализации функции умножения двух аналоговых сигналов достаточно применить дифференциальный каскад с управляемым источником эмиттерного тока: один из сигналов-сомножителей () подается на вход дифференциальной пары, другой () модулирует ток ^[144]. Чтобы подавить прохождение на выход перемножителя, напряжения с коллекторов дифференциальной пары поступают на второй дифференциальный усилитель — в результате синфазные составляющие сигнала, пропорциональные , взаимно уничтожаются, а дифференциальные составляющие, пропорциональные , усиливаются^[145]. Допустимый диапазон измеряется единицами мВ, так как из-за нелинейности дифференциальной пары^[⇨] уже при ±9 мВ ошибка умножения достигает 1 %^[145]. может принимать и положительные, и отрицательные значения; полярность (положительная или отрицательная) определяется примененной схемой преобразователя в ток^[145]. Аналоговые умножители такого рода называются двухквадрантными^[145] и применяются и как модуляторы или ключи, управляющие коэффициентом передачи сигнала, и как балансные смесители супергетеродинных приемников^[146], и как синхронные детекторы.

Для реализации четырехквадрантного умножения, при котором может быть и положительным, и отрицательным, применяется параллельное включение двух базовых умножителей, в которых источники тока управляются противофазными сигналами и ^[147]. В ламповой импульсной схемотехнике аналогичная «четырехквадрантная» схема на триодах, реализующая функцию полусумматора, была применена в 1940-е годы конструкторами компьютера Pilot ACE^[148]; ее линейный транзисторный аналог был изобретен в 1963 году. На практике наибольшее распространение получила предложенная в 1970 году конфигурация с логарифмирующими преобразователями управляющих сигналов, устраняющими температурную зависимость коэффициента усиления^[147] — ячейка Гилберта (в радиотехнике — двойной балансный смеситель, смеситель Гилберта^[149]). Достижимая на практике точность умножения на низких частотах (до нескольких десятков кГц) составляет, по данным 2008 года, около 0,1 % (ошибка не хуже 10 мВ на 10 В полной выходной шкалы); быстродействующие умножители характеризуюся худшей точностью при полосе пропускания в сотни МГц^[150][151]. В радиотехнике четырехквадрантные ячейки применяются в традиционных супергетеродинных смесителях^[152], а сдвоенные четырехквадрантные ячейки — в сихронно-квадратурных смесителях цифровых модуляторов и демодуляторов^[153].

Триггер Шмитта

В 1938 году Отто Шмитт опубликовал первое описание триггера Шмитта^[ — двухпорогового, бистабильного нелинейного ключа на дифференциальной паре триодов^[. В 1950-е годы, появился ее вариант на биполярных транзисторах (триггер Шмитта с эмиттерной связью). Благодаря положительной обратной связи посредством делителя напряжения дифференциальный каскад триггера Шмитта приобретает необходимый гистерезис, а при правильном подборе сопротивлений токи, поочередно протекающие через оба транзистора, не приводят к насыщению — таким образом достижимы весьма малые задержки срабатывания. Однако на практике подбор чрезвычайно сложен из-за взаимозависимости двух порогов и температурного дрейфа транзисторов; для его упрощения конструкторы 1970-х годов составляли и использовали объемистые таблицы оптимальных решений . Применяемый в КМОП-логике шеститранзисторный вариант, образуемый двумя дифференциальными парами на транзисторах двух разных типов проводимости, резистивных делителей не имеет — в нем роль нагрузочных сопротивлений выполняют транзисторы, а установка порогов определяется выбором их геометрических размеров. Гибкость в установке порогов, их точность и стабильность обеспечивает лишь прецизионный триггер Шмитта на двух компараторах, управляющих RS-триггером .

Эмиттерно-связанная логика

Применение дифференциальных каскадов для переключения тока в импульсных схемах восходит к работам Алана Блюмлейна второй половины 1930-х годов. В 1940-е годы оно развилось в катодно-связанную логику британских ламповых компьютеров . В 1956 году конструктор компьютера IBM 7030 Stretch Хэннон Йорк применил уже известные принципы катодно-связанной логики в полностью транзисторной схеме . Семейство логических схем на связке дифференциальной пары и эмиттерного повторителя, работающей при низком (обычно биполярном) напряжении питания, получило название эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ).

Так же, как и катодно-связанная логика, ЭСЛ допускает «вертикальное» каскадирование дифференциальных пар и управляющих ими переключателей токов; выходы логических элементов могут непосредственно объединяться для реализации функций монтажного И или монтажного ИЛИ . Низкие величины катодных нагрузок и небольшой абсолютный размах логических уровней не позволяют транзисторам насыщаться, поэтому ЭСЛ традиционно было, и по состоянию на 2003 год оставалось самым быстродействующим логическим семейством . Ценой быстродействия было и остается самое высокое потребление энергии . Альтернативная быстродействующая КМОП-логика проигрывала ЭСЛ в энергопотреблении лишь на самых высоких тактовых частотах; к началу XXI века, по мере совершенствования КМОП-логики, ЭСЛ уступила позиции, сохранив за собой узкие ниши в системах цифровой связи.

См. также

• операционные усилители , пиковый детектор ,
• аналоговый сумматор , аналоговый дифференциатор , аналоговый интегратор ,
• операционные усилители ,
• операционные усилители ,

• Дифференциальный усилитель
• Эмиттерно-связанная логика
• Триггер Шмитта
• Ячейка Гилберта
• Операционный усилитель
• Усилитель Лина
• Каскодный усилитель

Статью про дифференциальные усилители я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развии теории и практики,
ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты.
Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое дифференциальные усилители, дифференциальный каскад
и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания,
то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база