Содержание

Дифференциальная пара (дифференциальный каскад)

Все схемы усилительных каскадов, которые мы рассматривали до сих пор, были несимметричными, то есть, другими словами, они имеют только один выход. Типовые схемы μ-повторителей, не смотря на то, что часто имеют два выхода, также являются несимметричными, поскольку напряжения на обоих выходах одинаковой полярности (то есть говоря языком переменных токов — синфазны).

В отличие от других усилительных каскадов, дифференциальная пара имеет два входа и усиливает разностный сигнал (разностное напряжение) между ними. Она имеет два выхода, инвертированные (то есть противофазные) один по отношению к другому — это делает дифференциальную пару или фазоинвертор с катодной связью очень полезным каскадом.

Рис. 3.42 Дифференциальная пара или фазоинвертор с катодной связью

Дифференциальная пара может быть выполнена, основе усилительных каскадах на триоде с общим катодом или каскодной схемы. μ-повторитель непригоден, потому что в дифференциальной паре обычно стремятся использовать большое отношение между R_H и R_K.) Для упрощения будем рассматривать дифференциальную пару, построенную на основе усилительного каскада на триоде с общим катодом. Упрощенная принципиальная схема такой дифференциальной пары приведена на

Дифференциальный каскад строится на двух идентичных триодах, зачастую выполненных в одном баллоне, с соединенными катодами, пропускающими общий ток к земле через приемник неизменяющегося тока (на схеме обозначен условным значком). Каждый из триодов работает на равные по величине резисторы в качестве анодной нагрузки.

Предположим, что входной сигнал подается таким образом, чтобы напряжение на аноде триода V₁, повысилось на 1 В. Ток через V₁, должен, следовательно, понизится, но поскольку токи обеих ламп протекают через общий приемник неизменяющегося тока, это изменение может произойти только если ток через второй триод V₂ повысится на равную величину. Поскольку резисторы анодной нагрузки равны, то следует, что напряжение на аноде триода V₂ при этом должно понизиться на 1 В.

Таким образом, выходные анодные напряжения двух ламп равны по величине, но одно из них является инвертированным (сдвинутым по фазе на полпериода) по отношению к другому.

Обратимся теперь к входам: если закоротить сетку второй лампы g_V2 на землю, и подать синусоидальный сигнал на сетку первой лампы g _V1, то общий катодный ток будет повторять этот сигнал, и каскад будет работать аналогично катодному повторителю. При закороченной сетке триода V₂, эта лампа по сути управляется ее катодным током. Под действием синусоидального анодного тока, усиленное синусоидальное напряжение появится на ее аноде, и, следовательно, равное и противоположное ему по фазе напряжение появится и на аноде первой лампы V₁. Это суждение верно и для случая, когда входной сигнал приложен к сетке второй лампы g_V2, а сетка первой лампы заземлена.

Коэффициент усиления дифференциальной пары.

В случае, когда управляющий (входной) сигнал приложен между двумя сетками, то коэффициент усиления дифференциальной пары равен коэффициенту обычного каскада с общим катодом. При этом, выходное напряжение снимается между двумя анодами каскада. Следовательно, если рассмотреть отдельно напряжение между одним из анодов каскада и землей, то оно составит только половину выходного напряжения, и коэффициент усиления будет вдвое меньше.

Если использовать дифференциальную пару как фазорасщепитель (фазоинвертор), то есть одну из сеток заземлить, а на другую подать все входное напряжение, вместо того, чтобы подавать на каждую сетку половину входного напряжения, то на одной сетке будет все входное напряжение, а на другой никакого. Так как разность напряжений между двумя сетками будет такой же, как и в предыдущем случае, то и коэффициент усиления дифференциальной пары остается без изменения.

Выходное сопротивление дифференциальной пары.

При условии, что выходной сигнал дифференциальной пары сбалансирован, эквивалентные сопротивления r_вых, приведенные к каждому выводу являются идентичными и

равны аналогичному эквивалентному выходному сопротивлению обычного усилителя с общим катодом, которое может быть найдено, как параллельное включение (r_a | | R_H). Тем не менее, если загружен только один из выходов, выходное сопротивление значительно повышается. Эквивалентное сопротивление, приведенное в направлении земли (напряжения питания) через сопротивление R_H первой лампы, можно найти следующим образом:

В тоже время, цепь, образованная R_K попеременному току включена которое параллельно r_к:

Умножаем на (μ + 1):

Если теперь разделить на R_K (μ + 1), то получаем:

Со стороны второго анода последовательно приведено сопротивление r_a, умноженное на коэффициент (μ + 1):

Так как R_K стремится к ∞, правое выражение в знаменателе уменьшается до нуля, давая максимальное значение r_a:

Это высокое значение r_a становится существенным, когда рассматривается коэффициент реакции питающего напряжения дифференциальной пары.

Если R_H >> r_a, то выходное сопротивление (при условии, что только один выход нагружен) равно:

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) в дифференциальной паре.

Если подать одинаковые напряжения (например, +1 В) на обе сетки дифференциальной пары, то катодное напряжение также повысится на 1 В, ток катода остается неизменным, а значит анодные ток и напряжение не изменятся, потому что не изменяется величина напряжения, приложенного между сеткой и катодом V_СК любой из ламп. Дифференциальный усилитель реагирует только на разность между входными напряжениями или на дифференциальные сигналы. Подача одинакового сигнала на обе сетки называется синфазным сигналом и не вызывает отклика на выходе усилителя.

Это свойство подавления синфазного сигнала является существенным, поскольку оно также предполагает, что дифференциальный усилитель способен подавить помеху от источника промышленной частоты, источника питания или синфазную помеху во входном сигнале. Обратимся к этому свойству подробнее.

Выходное напряжение на каждом из выходов дифференциальной пары возникает путем падения на нагрузке за счет анодных токов ламп. Каждое из этих напряжений легко может быть найдено через анодные токи, используя закон Ома:

Каждый выходной сигнал (выходное напряжение) будет точной инвертированной (сдвинутой по фазе на полпериода) копией другого если i₁, = i₂, при условии, что два нагрузочных резистора равны. Существуют две основные причины по которыми эта идеальность может быть нарушена.

Первая причина связана с ответвлением тока на землю. Ток i₁, текущий в катодной цепи лампы V₁ разветвляется: часть тока ответвляется в R_K, а оставшаяся часть течет на катод лампы V₂, создавая ток i₂. Тем не менее, если R_K устремить к бесконечности, то токи выровняются: i₁, = i₂. Если μ₁ = μ₂ и R_H(1) = R_H(2)то коэффициент ослабления синфазного сигнала будет равен:

Из этого выражения следует, что нужно использовать электронные лампы с большим μ, и максимизировать отношение R_K к R_h. Например, вторая ступень сбалансированного предусилителя, разработанная в Американской Ассоциации звукозаписи (RIAA) использует источник неизменяющегося тока на лампах EF184 (r приемника = R_K ≈ 1 МОм), дифференциальную пару на Е88СС (μ = 32), R_H = 47 кОм, так что коэффициент ослабления синфазного сигнала ≈ 57 дБ.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала будет заметно хуже, если μ₁ ≈ μ₂ или R_H(1) ≈ R_H(2). Легкодоступные, недорогие, точные цифровые мультиметры, позволяют избежать неравенства нагрузочных резисторов, но точно подобрать электронный лампы с одинаковыми параметрами намного сложнее. Если μ₁ ≈ μ₂, то:

Это уравнение показывает, что большой μ лампы по-прежнему желателен, но и из равенство является важным.

Так как в линейном уравнении коэффициента ослабления синфазного сигнала не учтена возможная неодинаковость μ ламп, различие резисторов нагрузки и паразитная емкость, то любой теоретический расчет коэффициента ослабления синфазного сигнала, давший значение >60дБ должен рассматриваться с достаточной долей скептицизма. Тем не менее, полезно проверить, что сопротивление R_K достаточно высокое для уверенности, что прогнозируемый коэффициент ослабления синфазного сигнала >40дБ. 40 дБ — легко достижимый на практике коэффициент ослабления синфазного сигнала дифференциальной пары.

Информация

Продолжение