Дифференциальный усилитель, один из фундаментальных узлов современной радиоэлектроники. Его главная особенность заключается в том, что сигнал подаётся на оба входа одновременно, а усиливается именно разность входных напряжений. Именно это позволяет легко отличить дифференциальный усилитель на принципиальной схеме от других типов усилительных каскадов. В высокочастотной (ВЧ) технике такие схемы применяются во входных трактах приёмников, усилителях промежуточной частоты, измерительной аппаратуре и системах передачи данных.
Принцип работы дифференциального усилителя
В основе схемы лежит дифференциальная пара — два транзистора с общей цепью эмиттера (истока). Транзисторы могут быть:
- биполярными — классический вариант с высокой крутизной;
- полевыми — обеспечивают высокое входное сопротивление;
- баллистическими — наиболее высокочастотные решения.
Выходное напряжение определяется разностью входных сигналов:
Uвых = K · (Uвх1 − Uвх2)
Благодаря симметрии схемы синфазные помехи (наводки, пульсации питания, температурный дрейф) подавляются. Мера этого подавления — КОСС (коэффициент ослабления синфазного сигнала). Для обеспечения высокого значения КОСС необходимо обеспечить точное согласование резисторов и симметрию плеч схемы.
Базовая схема на операционном усилителе
Классическая схема дифференциального усилителя на ОУ представляет собой сочетание инвертирующего и неинвертирующего усилителей. Коэффициент усиления определяеться соотношением резисторов:
K = R2 / R1
При однополярном питании формула принимает вид:
Uвых = (1 + R4/R3) · (Uвх1 − Uвх2)
Для повышения входного сопротивления на входы устанавливают повторители напряжения, а для регулируемого усиления применяют схему на трёх ОУ (инструментальный усилитель).
Особенности полностью дифференциальных усилителей
В полностью дифференциальных схемах (с дифференциальным выходом) усиление при определённых конфигурациях оказывается вдвое больше, чем у инвертирующего усилителя (без учёта знака минус). Важным параметром является шумовая характеристика, определяемая спектральной плотностью входного белого шума и эффективной полосой шума.
Особенности ВЧ-диапазона
Усиление операционного усилителя, рассчитанное по постоянному току, неприменимо для высоких частот. При проектировании ВЧ-схем следует руководствоваться более сложными соображениями:
- Частота единичного усиления — должна многократно превышать рабочую частоту;
- Скорость нарастания выходного напряжения — определяет недопустимость искажений крутых фронтов;
- Паразитные ёмкости и индуктивности монтажа — критичны на ВЧ;
- Устойчивость — склонность к самовозбуждению в широкой полосе.
В малошумящих усилителях входных трактов высокочувствительной аппаратуры предпочтение отдаётся каскадам с общим эмиттером (ОЭ) и общей базой (ОБ). Схемы с ОЭ безусловно устойчивы в широкой полосе частот и имеют очень большой динамический диапазон, что делает их практически незаменимыми в многокаскадных усилителях промежуточной частоты.
Практические рекомендации по проектированию
- Обеспечьте симметрию топологии печатной платы — длины дифференциальных дорожек должны совпадать;
- Используйте прецизионные резисторы (допуск 0,1 % и лучше) для высокого КОСС;
- Размещайте блокировочные конденсаторы питания непосредственно у выводов микросхемы;
- Для измерения высоких напряжений применяйте специализированные решения (например, типа AD629) с делителем и выходным буфером;
- Минимизируйте петли обратной связи для исключения паразитных колебаний.
Области применения
Дифференциальные ВЧ-усилители широко используются:
- во входных каскадах схем с непосредственной связью и измерительных усилителях;
- в приёмных трактах радиосвязи и радаров;
- в драйверах АЦП с дифференциальным входом;
- в линейных драйверах высокоскоростных линий передачи данных.
Схема дифференциального усилителя ВЧ — это симбиоз классической симметричной схемотехники и специфических требований высокочастотного проектирования. Ключ к успешной реализации — строгая симметрия, точный подбор компонентов, грамотная разводка печатной платы и учёт частотных ограничений активных элементов. При соблюдении этих условий дифференциальный усилитель обеспечивает высокое подавление помех, стабильность рабочей точки и отличные динамические характеристики.
Примечание: конкретные адреса, телефоны и фамилии разработчиков в статье скрыты (*), поскольку не являются существенными для понимания схемотехники.