Диференціальний каскад складається з двох однакових каскадів посилення з ОЕ, мають в емітерах загальний резистор Rе.
Диференціальний каскад має два входи і два виходи, а також два джерела живлення Е1 і Е2. включених послідовно.
Принцип дії диференціального каскаду заснований на його симетрії, яка передбачає рівність опорів в колекторах Rк1 = Rк2 = Rк і ідентичність параметрів транзисторів VT1 і VT2.
Нехай диференційний каскад строго симетричний і напруги на його входах івх1 = івх2 = 0. На резисторі Rе буде діяти напруга,
де - напруга на прямосмещенного емітерний переходах транзисторів VT1 і VT2.
Через резистор Rе буде протікати постійний струм
В силу симетрії схеми в ланцюзі емітерів будуть протікати однакові струми, рівні половині струму, що протікає через резистор Rе.
У ланцюгах колекторів транзисторів будуть протікати рівні струми.
Напруги на виходах каскаду будуть також рівні
Оскільки потенціали колекторів в диференціальному каскаді можуть змінюватися від 0 до напруги джерела живлення Е1. то для забезпечення максимальної амплітуди неспотвореного вихідної напруги напруги на колекторах в стані спокою слід встановити на рівні половини напруги джерела Е1.
Дозволивши це рівняння щодо Rк / Rе отримаємо:
Найчастіше (хоча і не обов'язково) Е1 = Е2. В цьому випадку Rк = Rе.
Таким чином, в стані спокою диференційний каскад являє собою збалансований міст. Одне плече моста утворено транзистором VT1 і резистором RK1. a інше транзистором VT2 і резистором Rк2. На одну діагональ моста подано напругу від джерел живлення, а з іншої діагоналі знімається вихідна напруга.
В силу симетрії диференціального каскаду утворений їм міст буде збалансований за будь-яких однакових змінах струмів в плечах моста незалежно від причин, що викликали ці зміни.
Наприклад, зі зростанням температури струми колекторів будуть збільшуватися через зменшення і збільшення
Це призведе до зменшення і, проте їх різниця залишиться
Зміна вихідної напруги підсилювача постійного струму з плином часу або при впливі дестабілізуючих факторів при називають дрейфом нуля.
З наших міркувань випливає, що в ідеально симетричному диференціальному каскаді дрейф нуля відсутня.
Подамо на входи підсилювача рівні напруги одного знака. Такі напруги називають синфазними. Нехай ці напруги позитивні. Тоді струми емітерів і струми колекторів кілька збільшаться. В силу симетрії схеми збільшення струмів колекторів будуть однакові, а отже, вихідна напруга залишиться рівним нулю.
Таким чином, в ідеально симетричному диференціальному каскаді синфазних напруги не впливають на вихідну напругу.
Подамо на вхід диференціального каскаду напруги, рівні по модулю, але протилежні за знаком. Такі напруги називають диференціальними.
Нехай для конкретності, і
Під впливом диференціального сигналу струми колекторів отримають збільшення, рівні по модулю і протилежні за знаком:,,. Потенціал колектора транзистора VT1 одержить збільшення, а потенціал колектора транзистора VT2 - приріст
Тоді вихідна напруга
.
Таким чином, ідеально симетричний диференціальний каскад реагує тільки на диференціальне вхідна напруга, що і відображено в його назві.
Порівнюючи знаки вхідних напруг і напруг і, можна помітити, що вихід 1 є інвертуючим по відношенню до входу 1, а вихід 2 - неінвертірующего.
Оцінимо основні параметри диференціального каскаду, для чого складемо заміщення.
Знайдемо вхідний опір диференціального каскаду для диференціальної складової вхідного сигналу.
Нехай між базами транзисторів VT1 і VT2 включений джерело сигналу з е. д. з. , Що має відвід від середньої точки.
Згідно з другим законом Кірхгофа можна скласти таке рівняння балансу напруг для контуру, утвореного джерелом вхідного сигналу і елементами,,,;
Але в силу симетрії схеми,
Тоді, приймаючи до уваги, що, отримаємо
Оскільки вираз в квадратних дужках є вхідний опір каскаду з ОЕ, то можна зробити висновок, що вхідний опір диференціального каскаду для диференціального сигналу в 2 рази більше вхідного опору каскаду з ОЕ, складеного з тих же елементів і працює в тому ж режимі
Якщо джерело сигналу підключений між базами транзисторів, а його середня точка заземлена, то кажуть, що диференційний каскад має симетричний вхід.
Легко показати, що провідник, що з'єднує середню точку джерела сигналу з загальним проводом схеми, можна вилучити.
Дійсно, через цей провідник, протікають рівні по модулю і протилежні за знаком струми баз транзисторів VT1 і VT2, тобто сумарний струм через нього дорівнює нулю, і його можна вилучити зі схеми, не порушуючи розподіл струмів і потенціалів в схемі.
Такий вхід, коли джерело сигналу підключений між базами транзисторів і не має середньої точки, також буде симетричним.
Якщо джерело сигналу підключений між базами транзисторів VT1 і VT2 і одна з них при цьому з'єднана із загальним проводом схеми, то кажуть, що диференційний каскад має несиметричний вхід.
Нехай сигнал поданий на базу транзистора VT1, а база транзистора VT2 з'єднана із загальним проводом.
Оцінимо вхідний опір диференціального каскаду для диференціального сигналу при несиметричному вході.
У цьому випадку вхідний опір диференціального каскаду є вхідний опір каскаду з ОЕ на транзисторі VT1, в емітер якого включено опір, рівний паралельно з'єднаним Rе і вхідного опору каскаду з ПРО на транзисторі VT2.
Таким чином, якщо при симетричному вході вхідний опір диференціального каскаду для диференціального сигналу, то при несиметричному вході буде трохи менше.
Відмінності обумовлені тим, що при симетричному вході змінна складова напруги на резисторі Rе дорівнює 0, в той час як при несиметричному вході на резисторі Rе матиме місце змінна складова
Відповідно, через резистор Rе буде протікати змінна складова струму
Звідси випливає, що при несиметричному вході буде менше, на величину струму т. Е. Симетрія схеми порушується, хоча і незначно.