— стабилен по температуре и по времени благодаря согласованным изменениям параметров транзисторов;
— обладает способностью усиливать только дифференциальные сигналы и "не реагировать" на синфазные напряжения;
— имеет высокую линейность и скорость нарастания, особенно каскады на полевых транзисторах (ПТ);
— обладает высокой устойчивостью за счёт того, что входной и выходной токи попадают в шины общего провода (земли) и питания, замыкаясь через генератор и нагрузку, что особенно важно в УВЧ.
Для наглядности ниже показана схема четырёхплечного моста как элемента, не обладающего дрейфом. Если мост сбалансирован, т. е. R1/R2 = R3/R4, то при изменении напряжения питания баланс не нарушается и ток нагрузки равен нулю.
В дифкаскаде роль резисторов играют транзисторы:
Входное сопротивление ДК на ВТ равно:
Rвх = 4h21э∙fт/Iэсм, где Iэсм — общий (суммарный) эмиттерный ток смещения. Коэффициент усиления по напряжению Ku = RкIэсм/2fт при Rк1 = Rк2.
Искажения ДК на биполярных транзисторах при малых сигналах:
Kr=Um4/4fт4,
в то время как каскад с ОЭ имеет Kr = Um2ft2/(fт + IэRэ)4, а при Rэ = 0 Krmax = Um2/fт2 где Um — амплитуда входного сигнала.
Нетрудно подсчитать, что дифкаскад имеет искажения в 100 раз меньшие, чем каскад с ОЭ с Rэ = 0 и Um = 5 мВ. В то же время, искажения каскада на транзисторах разной проводимости довольно значительны. Поэтому для их уменьшения целесообразно включить между эмиттерами транзисторов резистор 100 Ом и более. Перегрузочная способность ДК на ПТ примерно в 100 раз выше, т. к. Uoтc/ft = 100. Так, например, при Uoтc = 2,6 B, Uвхmах = 1,5 В при Кг = 1 % на выходе, в то время как для биполярных транзисторов при том же коэффициенте гармоник Uвхmах = 17 мВ. К недостаткам ДК на ПТ можно отнести меньший (примерно в 4 раза) коэффициент усиления и большее напряжение смещения, которое сводится к минимуму использованием интегральных сборок, а так же тщательной подборкой транзисторов по параметрам и установкой их на общем радиаторе. Кроме того, при замене резистора в эмиттерной цепи ДК на ГСТ образуется очень глубокая отрицательная ОС по синфазному сигналу и сильное ослабления дрейфа. Другой недостаток ДК (в том числе и на ВТ) заключается в том, что эквивалентная шумовая ЭДС симметричного ДК в 20,5 раз (на 3 дБ), несимметричного ДК с пассивным генератором тока — в 2 раза (на 6 дБ), а несимметричного ДК с активным генератором тока — на 7–8 дБ превышает при прочих равных условиях эквивалентную шумовую ЭДС каскада с ОЭ на одном транзисторе. Это вытекает из того, что источник сигнала подключён к обоим входам ДК последовательно:
Следовательно, и источники шума транзисторов подключаются к источнику сигнала также последовательно. Таким образом, эквивалентная плотность напряжения входного шума равна:
Еш = (eш1 + eш2)0,5 = 1,4∙eш (при eш1 = eш2).
Как выход из положения применяют параллельное включение транзисторов, что позволяет в n раз уменьшить шумы, где n — количество параллельно включённых транзисторов. Уменьшению шумов также способствует встречная динамическая нагрузка ДК с помощью отражателя тока, что эквивалентно симметричной нагрузке.
14. Увеличение нагрузочной способности и повышение линейности ДК и его симметрии с помощью введения резисторов Rэ (от 100 Ом до 1…2 кОм):
Верхнее значение Rэ определяется требуемым усилением напряжения Ku = Rк/Rэ, дрейфом нулевого потенциала и шумом сопротивления Rэ, т. к. оно включается последовательно с источником сигнала. Иногда с помощью конденсатора, включённого между эмиттерами, вводят коррекцию по опережению.
15. Схема дифкаскада, свободного от эффекта Миллера.
Введение следящей обратной связи в коллектор входного транзистора позволяет нейтрализовать входную ёмкость ДК (СК):
подстроечный резистор устанавливается в такое положение, при котором на верхней рабочей частоте напряжение на коллекторе транзистора равно входному.
16. Симметричный съём сигнала с помощью токового зеркала.
Позволяет уменьшить шумы и увеличить коэффициент усиления по сравнению с простым несимметричным ДК. Резистор RC-цепи по запаздыванию выбирают в пределах 68…680 Ом, конденсатор — в пределах 180…2200 пФ.
17. Компенсация ООС через ёмкости Ск транзисторов ДК с помощью дополнительных транзисторов.
Позволяет расширить полосу пропускания. Дополнительные транзисторы могут быть заменены конденсаторами небольшой ёмкости.
18. Применение каскодного усилителя повышает быстродействие более чем в 10 раз:
19. Прецезионный ДК со следящей связью.
Применение каскода со следящей связью позволяет не только подавлять эффект Миллера, но и нейтрализовать ёмкости Ск.
20. Применение полевых транзисторов в каскоде со следящей связью.
У дифференциальных усилителей, работающих в режиме большого сигнала, время нарастания и спада переходных процессов различно из-за более медленного разряда ёмкости нагрузки в момент отключения. Этот недостаток исключается в двухтактной схеме.
Схема сдвига уровня
В многокаскадных усилителях, не имеющих гальванической связи между каскадами и охваченных общей отрицательной обратной связью, возникает опасность самовозбуждения на инфранизкой частоте. Как известно, каждый переходной, а также блокирующий конденсатор вносит максимальный сдвиг по фазе на низких частотах до 90°. При наличии трёх и более таких фазовращателей возникает опасность самовозбуждения.
Самовозбуждение не возникает, пока коэффициент усиления при сдвиге фазы 180° меньше единицы (сплошная линия), и сразу же наступает как только коэффициент усиления становится равным или чуть больше 1 (пунктирная линия):