1 Лекция

Цель: проблема отделения полезного сигнала от синфазной помехи, наложенной на сигнал источника. Дифференциальный усилитель (ДУ) подавляет синфазную помеху и выделяет чистый полезный сигнал.

Содержание: принцип работы (ДУ), сигнал с его симметричного выхода невозможно снять относительно общего провода. Переход от дифференциального каскада к операционному усилителю.

1.1 Дифференциальный усилитель

В среде нашего обитания - в электрическом мире часто бывает ситуация, когда источник сигнала подвержен влиянию окружающих его электрических полей. К примеру, у человека необходимо снять электрокардиограмму (ЭКГ) - электрофизиологический сигнал, вырабатываемый сердцем. На конечности больного накладывают электрические контакты – электроды и подключают их на вход усилителя. Если в качестве усилителя использовать любую и знакомых нам схем, имеющую для входного усиливаемого сигнала только один вход относительно общего провода (ОП), например, каскад общий эмиттер (ОЭ), то сигнал ЭКГ снять будет невозможно.

Причиной неудачи будет следующее: тело человека имеет электрическую ёмкость, равную примерно числу пФ, соответственно его росту в см (толщина талии на электрическую ёмкость не влияет). Через эту ёмкость электрическое поле сети 220 В подаётся на вход усилителя – это так называемая электрическая наводка, её можно видеть на экране осциллографа при касании пальцем входного щупа. Амплитуда наводки может достигать десятков Вольт, в то же время амплитуда сигнала ЭКГ едва достигает одного мВ и на фоне такой сильной наводки полезный сигнал будет ничтожно малым и его не будет видно на экране осциллографа.

Для решения этой задачи ещё в ламповую эпоху была разработана схема с двумя входами относительно ОП – дифференциальный усилитель (см. рис. 1-а), в литературе его иногда называют разностным усилителем.

а) б)

Рисунок 1 – Симметричное включение источника сигнала на вход ДУ (а),

несимметричное включение источника сигнала на вход ДУ (б)

Источник сигнала, подверженный сетевой наводке, подключен своими

выводами к входам 1 и 2 ДУ, поэтому на входах действуют противофазные напряжения полезного сигнала, показанные на рисунке 2-а в кружочках. Напряжение электрической наводки на обоих входах синфазно, потому оно и называется синфазной помехой или в общем случае – синфазным сигналом. Схема ДУ (см. рис 1-а) имеет два одинаковых транзистора с общим резистором Rэ, включённым в их эмиттерную цепь, и два одинаковых коллекторных резистора Rк1 = Rк2 = Rк. По сути дела имеются два усилителя по схеме с ОЭ, но с взимной связью через общее эмиттерное сопротивление Rэ.

На коллекторах транзисторов ДУ (см. рис.2-б) напряжения Uвых1 и Uвых2, состоят из усиленных полезных сигналов, «сидящих» на усиленной синфазной помехе, а также из постоянных составляющие коллекторного напряжения Uко. Поэтому из выходных сигналов, снимаемых относительно ОП: Uвых1 и Uвых2 невозможно отделить полезный сигнал от синфазной помехи. Эти выходы называются несимметричными.

Если же будем снимать выходной сигнал между коллекторов транзисторов, то получим напряжение Uвых3, представляющее собой разность напряжений Uвых1 и Uвых2, этот выход называется

а) б)

Рисунок 2 – Сигналы на входах ДУ (а), сигналы на выходах ДУ (б)

симметричным. Поскольку Uвых3 = Uвых1 - Uвых2, то в выходном сигнале Uвых3 не содержится синфазная помеха, также в нём нет постоянной составляющей. Усиленные же волны полезного сигнала на коллекторах будут между собой в противофазе. Таким образом, с этого симметричного выхода снимается чистое напряжение полезного сигнала Uвых3 без синфазной помехи и без постоянной составляющей. У идеального ДУ коэффициент усиления разностного сигнала равен отношению напряжения на симметричном выходе к разности напряжений на входах:

К_Р = Uвых3/( Uвх1 - Uвх2), (1.1)

где Uвх1 и Uвх2 соответственно напряжения на первом и втором входах относительно общего провода.

При симметрии схемы в соответствии с (1.1)

Uвых3 = К_Р ( Uвх1 - Uвх2). (1.2)

Реальный дифференциальный каскад увы не обладает идеальной симметрией, в результате чего на полезный выходной сигнал накладывается и небольшой синфазный сигнал. Синфазный входной сигнал можно представить как половину суммы входных сигналов

( Uвх1 + Uвх2)/2. (1.3)

Выходное симметричное напряжение реальной схемы

Uвых3 = К_Р ( Uвх1 - Uвх2) + К_С ( Uвх1 + Uвх2)/2 , (1.4)

где К_С - коэффициент передачи синфазного сигнала.

Качество дифференциального каскада оценивается коэффициентом

ослабления синфазного сигнала, который по определению равен

К_ООС = К_Р / К_С . (1.5)

У хороших дифференциальных усилителей К_ООС = 10⁴... 10⁵, т.е. 80…100 дБ.

Схема обладает тем большей симметрией, чем больше общее сопротивление Rэ для переменного тока. Но простое увеличение сопротивление резистора Rэ вызвало бы повышение падения напряжения на нём от протекания постоянных составляющих эмиттерных токов. Поэтому имеет смысл, чтобы сопротивление Rэ было небольшим для постоянного тока, но в то же время значительным для переменного. Для этого в качестве Rэ следует использовать стабилизатор тока, обладающий, как известно, вольтамперной характеристикой (ВАХ), лежащей параллельно оси напряжений. Такой вид ВАХ придаёт стабилизатору тока большое дифференциальное сопротивление, что же касается статического сопротивления (для постоянного тока), то его значение задаётся таким, чтобы обеспечить требуемый режим работы транзисторов Т1 и Т2. Обычно в качестве стабилизатора тока используют транзистор, как показано на рис. 4 (транзистор Т3). Коллекторные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ) идут с небольшим наклоном к оси напряжения, т.е. имеют довольно близкое сходство с ВАХ идеального стабилизатора тока.

Дифференциальные каскады изготовляются в виде отдельных микросхем, но их использование связано с неудобством, которое вызывается тем, что полезный выходной сигнал Uвых3 с подавленной синфазной помехой снимается между коллекторами транзисторов Т1 и Т2. Но подать такой сигнал непосредственно на вход последующего устройства, имеющего вход относительно общего провода невозможно, т.к. для этого пришлось бы соединить один из коллекторов на ОП. Поэтому приходится искать схемные решения, которые должны привести к преобразованию симметричного выходного сигнала Uвых3 в сигнал такой же формы, но снимаемый относительно общего провода. Это схемное решение было найдено ещё в ламповую эпоху и воплотилось в виде операционного усилителя (ОУ).

Дифференциальный каскад может быть использован также и в случае подачи усиливаемого напряжения лишь на один из входов, при этом второй вход соединяют с ОП (землёй), это называется несимметричным включением. Разумеется, подобное включение можно применять только при отсутствии синфазной помехи. Допустим, сигнал подан на базу транзистора Т1, а база транзистора Т2 соединена с землёй (см. рис. 1-б). Часть тока источника сигнала будет протекать по цепи: Ист → Б₁ → Э₁ → Rэ → ОП → Ист. Здесь Б₁ и Э₁ обозначают соответственно базу и эмиттер транзистора Т1. Другая часть тока источника сигнала будет течь с эмиттера Э₁ на транзистор Т2 по цепи: Э₂ → Б₂ → ОП → Ист. В данной схеме включения источника сигнала транзистор Т1 будет работать как усилительный каскад с общим эмиттером (ОЭ) и на его коллекторе буде усиленный и перевёрнутый по фазе входной сигнал. Транзистор Т2 будет работать как усилительный каскад с общей базой (ОБ), на его вход (эмиттер) поступает падение напряжения от входного тока на сопротивлении Rэ. На коллекторе Т2 будет усиленный и не перевёрнутый по фазе сигнал. Таким образом, на коллекторах Т1 и Т2 будут противофазные усиленные сигналы. Если источник сигнала подключить к базе транзистора Т2, а базу Т1 заземлить, то фаза выходного сигнала поменяется на обратную.