Привет всем, кто любит схемотехнику! Меня радует ваш интерес к теме и придаёт мотивации продолжать. В прошлой публикации мы познакомились с основами дифференциальной передачи сигнала.

Сегодня я хочу рассказать о входном дифференциальном каскаде на биполярных транзисторах, который стал фундаментом для развития операционных усилителей. Этот каскад обладает множеством достоинств и при этом схемотехнически красив и элегантен.

Зачем он нужен?

Я уже приводил эту аналогию в одной из статей, но она слишком хороша как наглядная иллюстрация, и придётся повториться.

Дифференциальный вход похож на руль велосипеда. Если в равной мере тянуть левую и правую рукоятку, руль не повернётся: он реагирует только на разность усилий, прилагаемых к сторонам.

Тем же образом работают рычажные весы: если на чашки положить одинаковую массу, то коромысло сбалансируется в горизонтальном положении. Добавление и изымание равных частей от обеих масс сохранит баланс. Весы показывают разность.

Забавно, что у этих аналогий есть ещё один неочевидный плюс. И весы, и руль имеют прочностный предел и могут физически сломаться от слишком высокой нагрузки на оба конца. Так же и реальный усилитель может необратимо разрушиться при слишком высоком уровне синфазного сигнала.

Дифференциальный каскад

Давайте взглянем на упрощённую схему. С первого взгляда заметна её симметрия.

Транзисторы включены по схеме с общим эмиттером, но их эмиттерные токи соединяются в одном узле, и ток далее протекает через источник тока. Под источником тока подразумевается некий обобщённый схемотехнический блок, задача которого — регулировать своё внутреннее сопротивление так, чтобы через выводы протекал ток неизменного значения. (В реальных схемах возможности таких источников тока ограничены, и у них нет собственного источника ЭДС).

Базы обоих транзисторов — это входы. А полезный и усиленный сигнал снимается с коллекторов.

Вы, наверняка, без труда узнаете пару усилителей из прошлых статей, эмиттеры которых подключены не на минусовую шину питания, а в общий узел. Обратите внимание на то, что в схеме два полюса питания: +12 вольт (Vcc), -12 вольт (Vee) и общий провод (GND).

Раздельное питание в подобных схемах является большим благом, так как позволяет создать энергетическую возможность для усилителя работать в области отрицательных значений сигнала. И это упрощает задание смещения по постоянному току.

Автоматическая термокомпенсация — хорошее свойство дифференциального каскада. Изменение падения напряжения на переходе база-эмиттер при изменении температуры происходит одинаково для обоих транзисторов (особенно если они выполнены на одном кристалле).

Кстати, важно упомянуть: к транзисторам диффпары предъявляются особые требования соответствия физических и электрических параметров. Их создают на едином кристаллическом субстрате. Расположенные рядом, они формируются в единых локальных физических и химических условиях (которые могут меняться даже в пределах единого процесса обработки большой кремниевой заготовки).

Как видно, каскад имеет два входа и два выхода. Чаще всего выход используется один, и схему можно изобразить чуть иначе.

Можно ещё внести изменение. Обратите внимание, что у левого транзистора пропал коллекторный резистор.

Задача R коллектора — преобразовать коллекторный ток в выходное напряжение. Если сигнал снимается с одного коллектора VT2 (правого по схеме), то коллекторный резистор соседа можно убрать, он не повлияет на работу транзистора, потому что транзистор находится в активном режиме и его ток управляется потенциалом базы. (Если говорить точнее, надёжно управлять транзистором через регулировку потенциала базы мы можем в случае, если имеется эмиттерный резистор, вносящий отрицательную обратную связь по току ценой снижения коэффициента усиления).

Без коллекторного резистора потенциал коллектора всегда равен Uкк (12 вольт в нашем случае).

Источник тока

Постоянство суммы токов обоих транзисторов обеспечивает источник тока в точке соединения транзисторных эмиттеров.

При равенстве значения напряжений на базах транзисторов коллекторные токи распределяются поровну и равны друг другу. Это равенство не изменится, если на базах увеличить или уменьшить напряжение в равной степени.

В шутку можно назвать верхний полюс источника тока (который обращён к эмиттерам диффкаскада) «точкой битвы» двух токов транзисторов. Какими бы они ни были, в источник тока может втекать определённое значение, не больше и не меньше.

Для лучшего коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС) источник тока должен стремиться к «идеальному», обладающему бесконечным внутренним сопротивлением.

Возможно, читатель удивится, как может быть, что через источник тока с бесконечным внутренним сопротивлением протекает ток.

Речь идёт о так называемом активном сопротивлении, и это понятие достойно отдельного разговора.

Если рассказать обобщённо, это не похоже на сопротивление пассивного резистора, выглядящее на вольт-амперной характеристике (ВАХ) как наклонная линия.

ВАХ идеального активного сопротивления выглядит как горизонтальная линия. Изменение напряжения никак не меняет значение тока.

Я предлагаю рассмотреть генератор тока на биполярном транзисторе. О свойстве транзистора стабилизировать ток в активном режиме написано в статье, посвящённой его рабочей точке.

Если кратко, суть очень простая: у нас есть эмиттерный повторитель, мы устанавливаем напряжение на эмиттерном резисторе такое, какое нам нужно, при помощи делителя на базе, через который протекает многократно больший ток, чем потребляет в себя база (это условие стабильности схемотехнического решения).

Я изобразил два идентичных источника тока, различается только точка, которую мы принимаем за нулевое значение. Слева наш внутрисхемный случай, справа — с привычным видом однополярного питания с заземлёнными эмиттерами.

Транзистор в таком виде становится со стороны коллектора генератором тока для части схемы, расположенной выше. Объединим его с диффкаскадом.

В схеме я установил источники синфазной помехи частотой 50 герц и амплитудой 200 милливольт на оба входа. Источник полезного сигнала амплитудой 10 милливольт (между прочим, полезный сигнал меньше помехи в 20 раз!). И схема восстанавливает сигнал.

Дисклеймер. Номиналы резисторов слегка отличаются от предыдущих схем, это не принципиально. Я придерживаюсь порицаемой некоторыми читателями практики интуитивной подгонки номиналов с контролем режимов без предварительных расчётов. Сразу хочу предупредить: так не стоит делать, если вы хотите создавать электронные устройства, от работы которых зависит жизнь и безопасность людей. А для хоббийного уровня — в самый раз. Тем более вы можете с полученными эмпирическими знаниями разобраться в матчасти уже с точки зрения математической модели.

Я использовал SPICE-default модели биполярных транзисторов в браузерном симуляторе Circuitjs. В применяющемся в промышленности симуляторе электроцепей SPICE схема работает корректно, но требует некоторой корректировки номиналов. Из моего малого опыта использования обоих симуляторов, в целом, режимы устанавливаются близкие.

Полная модель

В предыдущей статье мы собрали схему с расщепителем фазы на одном транзисторе и моделью линии передачи, в которую вклинивалась помеха на отдельном генераторе. Давайте соединим её с диффкаскадом, который рассмотрели выше.

Внимание: в прошлой схеме помеха была 50 Герц, а в этой — 18 килогерц; это сделано для наглядности, чтобы при исчерпании возможностей схемы подавлять синфазную помеху в сигнале проявлялся частокол. Попробуйте сами это увидеть — там есть ползунок уровня помехи.

Практическая реализация

В прошлой статье я дал необоснованное обещание сделать схему в железе. Но чем дольше я с ней возился в симуляторе, тем меньше хотел воплощать. Есть несколько соображений:

1. Основная проблема в подборе похожих по свойствам транзисторов. Если у вас нет заводской пары согласованных транзисторов (не очень часто встречающаяся радиодеталь), вам придётся перелопатить многие десятки, измеряя параметры, записывая их и подбирая схожие в пару. В какой-то момент мне пришла идея использовать для этой цели микросхему, известную хоббистам цифровой электроники — ULN2003A. Но это моё предположение, не проверенное на практике.

2. Жалко времени, деталей, текстолита на учебную схему, которую проще изучать в симуляторе.

3. Если хочется создать самодельный дифференциальный усилитель и настроить его, лучше делать уже готовый блок усилителя, без расщепителя и модели линии.

Заключение

Надеюсь, и у вас появляется ощущение того, что любую сложную схему можно понять, декомпозировав её работу до отдельных узлов.

Предлагаю проверить себя и попытаться ответить на вопросы, глядя на предоставленную упрощённую схему операционного усилителя P65, который продавался в виде отдельного экранированного блока с плоским разъёмом.

1. Как реализовано смещение баз транзисторов диффкаскада?
   

2. Почему вместо источника тока один резистор, разве так можно?

P.S.: Если кому-то захочется лучшего понимания, математически оформленных закономерностей и подробнее разобраться в вопросе, рекомендую цикл лекций «Основы радиотехники» МФТИ (тема публикации объясняется на девятом занятии).

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»