Привет любителям транзисторной схемотехники! Предлагаю создать самодельный стенд для изучения дифференциального (или как ещё называют, балансного) способа передачи аналогового сигнала.
Тема будет разбита на две статьи. В этой рассмотрим основную суть и разберём работу узла, называемого расщепителем фазы. В последующей рассмотрим основу входного каскада интегральных операционных усилителей — дифференциальный усилительный каскад на биполярных транзисторах.
Задача создания этого стенда — понять на базовом уровне, как работает надёжный и устойчивый к помехам способ передачи сигнала.
Дифференциальный способ передачи сигнала представляет собой метод, при котором информация кодируется как разность между двумя комплементарными сигналами. Вместо использования одного проводника относительно общей «земли», как в традиционных схемах, дифференциальная передача использует пару проводников, по которым передаются сигналы противоположной полярности. Полезная информация извлекается на принимающей стороне путём вычисления разности потенциалов между этими линиями.
В аналоговой технике дифференциальный подход нашёл широкое применение в аудиотехнике, системах связи и измерительной аппаратуре. Классическим примером является балансная линия в профессиональном звукооборудовании, где микрофонные сигналы передаются по экранированной витой паре с использованием XLR-разъёмов.
Аналогичным образом снимается и передаётся сигнал биопотенциалов организмов. Например, при исследовании электрической активности мозга, мышц, сердца.
Основное преимущество дифференциального метода в аналоговых схемах — устойчивость к электромагнитным помехам. Поскольку внешние наводки воздействуют на оба проводника примерно одинаково, они становятся синфазными помехами, которые эффективно подавляются на приёмной стороне. Дополнительно уменьшается влияние земляных контуров и обеспечивается высокая помехозащищённость в сложных электромагнитных условиях.
К недостаткам можно отнести увеличение количества компонентов, более сложную схемотехнику и, как следствие, более высокую стоимость реализации. Также требуется тщательное согласование параметров комплементарных цепей для минимизации асимметрии, которая может снизить эффективность подавления синфазных помех.
Дифференциальная передача сигнала в современной технике распространена очень широко:
Знакомая многим «витая пара» стандарта Ethernet.
USB всех форматов.
HDMI использует технологию TMDS (Transition Minimized Differential Signaling) для передачи видео и аудио данных.
DisplayPort — также применяет дифференциальную передачу для видеосигналов.
LVDS (Low-Voltage Differential Signaling) — используется во внутренних интерфейсах LCD-дисплеев и высокоскоростных платах.
RS-422/RS-485 — промышленные последовательные интерфейсы с повышенной помехоустойчивостью.
PCI Express — использует дифференциальные пары для высокоскоростной передачи данных.
SATA/eSATA — интерфейсы для подключения накопителей.
CAN-шина — применяется в автомобильной электронике.
Профессиональное аудиооборудование — балансные аудиолинии для передачи сигнала с микрофонов, инструментов. Используется трёхпроводные разъёмы XLR или TRS «джек».
▍ Модель
Фазорасщепитель на одном биполярном транзисторе представляет собой интересное схемотехническое решение, которое, по сути, является усилителем со 100% отрицательной обратной связью. Это элегантная комбинация каскадов с общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ) в одной схеме.
Сердцем конструкции выступает биполярный транзистор, работающий в активном режиме. Делитель напряжения на базе обеспечивает необходимое смещение, фиксируя рабочую точку транзистора в линейной области. Это позволяет схеме работать без искажений при умеренных уровнях входного сигнала.
Ключевой особенностью данного фазорасщепителя является использование одинаковых по сопротивлению резисторов в коллекторной и эмиттерной цепях. При подаче сигнала на базу транзистора, напряжение на коллекторе изменяется в противофазе к входному сигналу (как в каскаде с ОЭ), в то время как напряжение на эмиттере повторяет входной сигнал по фазе (как в эмиттерном повторителе). Таким образом, между коллектором и эмиттером образуется разность фаз в 180 градусов, что и требуется от фазорасщепителя.
Такая схема находит применение в аудиотехнике, особенно в усилителях, работающих в режиме push-pull (двухтактном режиме), где необходимы противофазные сигналы для управления выходными транзисторами. Также она применяется в модуляторах, генераторах и других устройствах, требующих симметричных сигналов.
К достоинствам схемы относятся простота, экономичность (используется всего один транзистор). Среди недостатков можно отметить чувствительность к разбросу параметров резисторов и транзистора. Недостаточную электрическую симметрию выходов и невысокий коэффициент усиления, что иногда требует дополнительных усилительных каскадов.
▍ Интерактивная модель
Добавим в модель линию передачи и источник сигнала помехи.
Обратите внимание на то, что выходы развязаны по постоянному току парой конденсаторов. Эта развязка из-за того, что на эмиттере и на коллекторе транзистора есть значительная доля постоянного напряжения из-за протекающего тока покоя.
Для подмешивания сигнала в модель линии передачи применена схема так называемого пассивного сумматора, для чего добавлены резисторы на выходы расщепителя, для повышения внутреннего сопротивления источника сигнала.
Попробуйте уменьшить их на порядок и посмотрите, к чему это приведёт :)
В качестве приёмника сигнала применён операционный усилитель (разумеется, его виртуальная модель) с двуполярным питанием (+12 В, земля, -12 В) и включённый по схеме дифференциального усилителя.
В дальнейшем мы заменим его на самодельный транзисторный диффкаскад.
Проведите эксперименты по нарушению симметрии линии, попробуйте подключить конденсатор небольшой ёмкости на «землю», изменяйте значение резисторов, смотрите, как на это реагирует выходной сигнал.
▍ Некоторые общие выводы
Чем ниже сопротивление линии, тем ниже уровень наведённой помехи. Наводка «закорачивается» через сопротивление цепи.
Чем выше уровень сигнала, тем выше значение соотношения сигнал/шум. Например, в качестве эталонной меры сигнала в бытовой радиоаппаратуре выбран 1 вольт (0 dBV = 1 В RMS).
Понижение уровня сигнала наводки, достигается качественным экранированием и отдалением линий передачи от источника помех.
Для эффективного подавления синфазной помехи важна геометрическая и электрическая симметрия линий дифференциальной пары.
Для глубокого подавления синфазной помехи важна согласованность физических параметров входных каскадов дифференциального усилителя. Для этого применяют различные технологические и топологические методы при изготовлении микросхем. Прецизионную подгонку лазером, тщательным тестированием отдельных устройств и п. р.
Разумеется, получение противофазного сигнала возможно не только транзисторным каскадом расщепителя. Для этой цели могут быть применены трансформаторы со средним отводом одной из обмоток. Также схемы на операционных усилителях и специализированные микросхемы.
В следующей публикации мы рассмотрим дифференциальный каскад на транзисторах. И соберём всё в виде реального устройства.
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»
sdy
Много неточностей и ляпов, например, симметричная цепь аудио почему то называется дифференциальной парой. Это по физике неверно. Одно дело симметричность сопротивлений / импедансов относительно земли, другое дело передача сигнала со сдвигом фазы. Тут же понятно, что это разные по смыслу системы?