Транзистор – усилитель. ч15. Дифференциальный каскад

Дифференциальный – от латинского differentia (разность, различие).

Немного истории

В начале 1930-х годов конструкторам электрофизиологических медицинских приборов потребовались бестрансформаторные, высокочувствительных дифференциальные усилители постоянного напряжения и инфразвуковых частот, способные эффективно подавлять синфазные помехи. Единственным средством преобразования дифференциального, или балансного, электрического сигнала в однофазный в то время был разделительный трансформатор. Трансформаторы надёжны, 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.

Решение задачи — бестрансформаторный дифференциальный усилитель (ДУ или дифференциальный каскад – ДК) — разрабатывалось одновременно многими конструкторами в течение 30-х годов ХХ века.

В 1934 году Брайан Мэтьюз изобрёл «биологический усилитель» на паре вакуумных триодов; его устройство хорошо усиливало дифференциальные сигналы, но плохо подавляло синфазные помехи.

В 1936 году Алан Блюмлейн запатентовал дифференциальный каскад с общим катодным резистором, предназначенный для усиления видеосигнала; именно Блюмлейн дал дифференциальному каскаду его английское имя long-tailed pair (буквально «пара с длинным хвостом»).

В 1937 году, независимо от Блюмлейна, Франклин Оффнер изобрёл аналогичную схему и дополнил её цепью обратной связи, подавлявшей усиление синфазного сигнала, а Отто Шмитт предложил дифференциальный каскад на пентодах и опубликовал развёрнутое описание триггера Шмитта — нелинейного элемента на базе дифференциального каскада. 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 Тённис. В том же году Отто Шмитт описал особенности применения дифференциального каскада в качестве фазоинвертора; в 1941 году Шмитт опубликовал развёрнутый анализ схемы и предложил её вариант с двумя источниками тока (катодными резисторами).

Во время Второй мировой войны дифференциальный каскад начали применять в логических схемах и аналоговых счётно-решающих устройствах военного назначения; к концу 1940-х годов теория и способы расчёта дифференциальных каскадов на вакуумных лампах были полностью сформированы.

В конце 40-х годов появляются транзисторы. Дифференциальный усилитель обретает новую элементарную базу. Теперь питание схемы составляло порядка 10-15 В вместо 200-300 В для вакуумных ламп.

Дифференциальный каскад на транзисторах
Дифференциальный каскад, иначе – дифференциальный усилитель (ДУ), балансный каскад, параллельно-балансный каскад или каскад с эмиттерными связями — это электронный усилительный каскад, образуемый симметричным включением двух схем с общим эмиттером.
По странному стечению обстоятельств ДУ, применявшийся в ламповых вычислительных машинах и промышленной автоматике с 1940-х годов, не использовался конструкторами звуковой аппаратуры до середины 1960-х, когда инженеры RCA реализовали его в схемах на новейших Si-транзисторах.

Схема ДУ
В основе ДУ лежит схема электрического моста с симметричными плечами:

Если для него выполняется условие:
то при изменении напряжения питания  ±Uпит ток в нагрузке Rн остается равным нулю Iн=0.

Усилитель, выполненный по схеме электрического моста, называется дифференциальным и предназначен для усиления разности между двумя входными сигналами.

В этой схеме реализован электрический мост, плечи которого составляют резисторы R3 = R6 (коллекторные нагрузки транзисторов) и внутренние сопротивления транзисторов VT1 и VT2 совместно с резисторами R4’, R4’’ и R5. В одну из диагоналей моста подключен источник питания ±Uпит, а в другую нагрузка, подключенная к выходным выводам (Выход 1 и Выход 2). Резисторы R1 = R7 и R2 = R8 служат для задания режимов работы транзисторов, а резисторы R4’, R4’’ и R5 для балансировки моста. Нормальная работа схемы обеспечивается симметрией электрического моста. В этом случае при отсутствии входного сигнала со стороны входа (Вход 1 и
Вход 2) напряжение на выходе будет равно нулю независимо от изменения напряжения питания.

Работа ДУ

Правильная работа ДУ возможна при правильной симметрии схемы. Тогда токи покоя в обоих транзисторах и их изменения имеют одинаковое значение, так же как и напряжения на коллекторах. Следовательно, при воздействии внешних факторов на транзисторы баланс моста не нарушается, а выходное напряжение не изменяется. Если входное напряжение воздействует на один или оба входа ДУ, происходит изменение внутреннего сопротивления одного или обоих транзисторов, следовательно, происходит разбалансировка моста и изменение выходного напряжения.
В реальных схемах довольно трудно обеспечить точную симметрию схемы, поэтому для регулировки токов покоя транзисторов используются резисторы R4’ и R4’’, которые иногда объединяют в общий переменный или подстроечный резистор:

Синфазные сигналы (СФ) – это сигналы, имеющие одинаковую амплитуду и фазу, одновременно присутствующие на обоих входах дифференциального усилителя.

Дифференциальные сигналы (ДФ или противофазные – ПФ) – это сигналы одинаковой амплитуды, но противоположные по фазе, присутствующие на входах ДУ независимо от точки заземления.

При описании распространения сигнала или помехи в электропроводной среде часто употребляются термины синфазный и противофазный. Эти термины употребляются тогда, когда в рассматриваемой системе есть две точки (два входа) приложения сигнала (помехи): условно Вход 1 и Вход 2.
Синфазный сигнал (СФ) действует с одной и той же фазой на Вход 1 и Вход 2 относительно условного нуля или некой третьей общей точки.
Дифференциальный (ДФ или противофазный) сигнал действует с противоположной фазой (противоположным знаком) на Вход 1 и Вход 2.

Посмотрим, упрощённо, что получится на выходе ДУ.
Я специально нетрадиционно развернул VT2, чтобы лучше видеть и понять, что происходит с входными сигналами. В первом случае они синфазные:

На выходе сигнал отсутствует. Грубо говоря: (+1) – (+1) = 0.

Теперь на входах дифференциальный (противофазный) сигнал:

На выходе сигнал присутствует. Грубо говоря: (+1) – (-1) = +1+1=2 – не просто присутствует, а он ещё и усиливается по сравнению с любым входным!

Иначе:
>>> если входные сигналы меняются синхронно, например, оба одновременно возрастают на 5 мВ, или оба одновременно уменьшаются на 3 мВ, то на выходе будет НУЛЬ!!
>>> если входные сигналы меняются асинхронно, например, один возрастает на 5 мВ, а другой одновременно уменьшается на 3 мВ (или наоборот), то на выходе будет ИХ РАЗНОСТЬ!!

Моделирование (?)
Попробую смоделировать эту крамольную мысль (не для экспертов) в каком-либо симуляторе, например,

Соберу схемку, на базы транзисторов подам ОДИНАКОВЫЕ напряжения 1 В от двух источников. Источник, питаюший всю схему 10 В, находится справа вверху:

Мультиметр, подключенный параллельно выходу R4 показывает почти НУЛЬ: 2.508 pV = 0,000000000002508 V
Увеличу синхронно напряжения «базовых» источников:

Ещё раз увеличу:

Уменьшу синхронно напряжения «базовых» источников:

А теперь увеличу напряжение только второго «базового» источника:

Напряжение на нагрузке стало 2.371 V! Это почти разность напряжений «базовых» источников. С учётом падения на резисторах.
Ну и ещё раз для чистоты эксперимента:

Знак «-» на верхнем мультиметре появился из-за обратной разбалансировки моста, « а в остальном, прекрасная маркиза, всё хорошо».
Результат вполне соответствует тому, что было сказано выше.

ДУ в УМЗЧ

В УМЗЧ ДК включается на входе. В общем виде это уже было показано в эволюции усилителя Лина:

Я немного модифицировал схему, чтобы привести её к наиболее часто используемому виду. Данная схема даёт лишь схематичное представление (вот каламбурец, господа!) о том, где и как именно ДК используется в УМЗЧ.

Более реально:

R1, R4, R5 образуют ООС, благодаря которой поддерживается нулевой потенциал в средней точке УМЗЧ.
R’, R’’ в цепи местной ОС способствуют снижению искажений.
Для устранения синфазных искажений вместо R3 (и R’, R’’) желательно применить транзисторный источник стабильного тока:

Часто в нём используется полевой транзистор.

Вот пока всё в общих чертах о дифференциальном каскаде (усилителе).

©SEkorp 12_октябрь_2020

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 или на РАДИОзвук