Параллельно балансный усилительный каскад представляет собой два усилительных канала, реализующие мост, два плеча которого представляют собой резисторы, а два других — усилительные транзисторы. Выходное напряжение при этом снимается с диагонали моста в точках соединения усилительных транзисторов с нагрузочными резисторами. Для питания каскада (моста) используется другая диагональ с последовательно включенным источником стабильного тока. Источник стабильного тока реализуют транзисторы VT3 VT4 и резисторы R1 R2 R3. Использование источника тока позволяет дополнительно стабилизировать режим работы усилительного каскада. Питание каскада обычно осуществляют от двух источников напряжения равного номинала, но противоположной полярности.
Механизм работы источника тока сводится к тому, что транзистор VT3 поддерживается работающим в схеме включения с общей базой при фиксированном входном токе эмиттера. Между точками A и B параллельно включается две ветви, поэтому
I_э^{VT3}\cdot R1+U_{бэ}^{VT3}=I_э^{VT4}\cdot R2+U_{бэ}^{VT4}
Транзистор VT4 используется в диодном включении (U_{бк}\equiv 0)
I_{R2}\approx I_{R3}=\displaystyle\frac{|-E_{к2}|-U_{бэ}^{VT4}}{R2+R3}\approx \displaystyle\frac{|-E_{к2}|}{R2+R3}
Тогда, поскольку \alpha\to 1,
I_к^{VT3}\approx I_э^{VT3}=\displaystyle\frac{\displaystyle\frac{|-E_{к2}|}{R2+R3}\cdot R2+U_{бэ}^{VT4}-U_{бэ}^{VT3}}{R1}
Термозависимые входные напряжения транзисторов входят в выражение в виде разности, осуществляя температурную компенсацию изменений.
I\equiv I_к^{VT3}\approx \displaystyle\frac{|-E_{к2}|\cdot R2}{R1\cdot (R2+R3)}=const.
При дальнейшем рассмотрении работы каскада целесообразно заменить фрагмент схемы источником стабильного тока.
Для реализации каскада используются транзисторы VT1 VT2 с близкими эксплуатационными характеристиками, а резисторы Rк1 Rк2 с равными номиналами (Rк1=Rк2= Rк).
В режиме покоя U_{вх1}=U_{вх2}=0
U_{вых1}=E_{к1}-I_к^{VT1}\cdot R_{к1}
U_{вых2}=E_{к1}-I_к^{VT2}\cdot R_{к2}
U_{вых}=0 \left\{\begin{array}{ll}{I_к^{VT1}=I_к^{VT2}}\\{R_{к1}=R_{к2}}\end{array} \right.
В режиме покоя выходное напряжение, снимаемого с моста, отсутствует. Температурная стабильность параметров каскада обуславливается тем, что температура воздействует на оба транзисторных канала одновременно, и свойства транзисторов меняется симметрично. В этом случае режим баланса каскада не может быть нарушен, поскольку равными остаются токи каналов.
Работа параллельно-балансного каскада с синфазным входным сигналом
Синфазным называют входной сигнал, подаваемый одновременно на оба входа усилительного каскада.
Из схемы видно, что подача любого допустимого синфазного сигнала не меняет баланса между токами усилительных каналов каскада, поскольку входное напряжение усилительных транзисторов остаются тождественно равными друг другу.
Таким образом, при любом допустимом синфазном входном сигнале выходное напряжение каскада остаётся равным нулю. Говорят, что параллельно балансный каскад не чувствителен к синфазному входному напряжению.
Работа параллельно-балансного каскада с дифференциальным входным сигналом
Дифференциальным будем считать сигнал, подаваемый между входами каскада и реализующий единый контур входного тока в управляющей цепи усилительных транзисторов.
Учитывая, что каскад не чувствителен к синфазному сигналу, потенциал одного из входов можем условно принять равным нулю.
Определение потенциала входного контура относительно земли схемы обеспечивает возможность протекания базовых токов покоя усилительных транзисторов. Обрыв любого из входов является недопустимым с точки зрения правильности работы параллельно балансного каскада.
Схема параллельно-балансного усилительного каскада с дифференциальным входным сигналом имеет вид:
Подача дифференциального входного сигнала вызовет появление контурного входного тока, направление которого определяется полярностью сигнала. Характерно, что токи базы транзисторов во входном контуре направлены встречно, поэтому с одним из них входной ток всегда будет направлен одинаково, а с другим — встречно, что в свою очередь приведёт к увеличению тока базы одного из транзисторов и уменьшению тока базы другого.
Разбаланс базовых токов транзистора приведёт к разбалансу их коллекторных токов и свою очередь, изменению падения напряжения на резисторах Rк1 и Rк2, таким образом формируя отличное от нуля выходное напряжение каскада.
I_{бVT1}^п=I_{бVT2}^п=I_{б}^п
I_{кVT1}^п=I_{кVT2}^п=I_{к}^п=\displaystyle\frac I 2
I_{б}^п=\displaystyle\frac{I}{2\cdot \beta}
E_г\neq 0\Rightarrow I_{вх}=\displaystyle\frac{E_г}{R_г+2\cdot r_{вх}^э}
I_б^{VT1}=I_б^п+I_{вх}
I_б^{VT2}=I_б^п-I_{вх}
I_к^{VT1}=I_к^п+\beta\cdot I_{вх}=\displaystyle\frac I 2+\beta\cdot I_{вх}
I_к^{VT2}=I_к^п-\beta\cdot I_{вх}=\displaystyle\frac I 2-\beta\cdot I_{вх}
U_{вых1}=E_к-I_к^{VT1}\cdot R_к=E_к-R_к\cdot \displaystyle\frac I 2-\beta\cdot R_к\cdot I_{вх}
U_{вых2}=E_к-I_к^{VT2}\cdot R_к=E_к-R_к\cdot \displaystyle\frac I 2+\beta\cdot R_к\cdot I_{вх}
Положительное приращение потенциала базы первого транзистора приводит к увеличению его токов базы и коллектора, соответственно возрастает падение напряжения на коллекторном резисторе, а потенциал первого выхода уменьшается. Говорят, что выход 1 противофазен по отношению ко входу 1, поскольку изменение отношения потенциалов на них противоположны, при этом на выходе 2 потенциал увеличивается, поскольку уменьшаются токи базы и коллектора транзистора VT2, и следовательно, падение напряжения на резисторе Rк2.
Вход 1 и выход 2 у каскада синфазны. Можно сказать, что для входа 2 выходы меняются ролями.
Таким образом, выходное напряжение каскада Uвых=Uвых2-Uвых1 можно определить как
U_{вых}=E_к-\displaystyle\frac{I\cdot R_к}{2}+\beta\cdot I_{вх}\cdot R_к-E_к+\displaystyle\frac{I\cdot R_к}{2}+\beta\cdot I_{вх}\cdot R_к
U_{вх}=I_{вх}\cdot 2r_{вх}^э\Rightarrow K_U=\displaystyle\frac{U_{вых}}{U_{вх}}=\beta\cdot\displaystyle\frac{R_к}{r_{вх}^э}
В практических схемах может использоваться выходной сигнал, снимаемый не дифференциально, а с одного из выходов относительно земли схемы, при этом коэффициент передачи каскада уменьшается вдвое.
Усилительный каскад, предназначенный для преобразования выходного сигнала относительно общего провода схемы (с одного из выходов) является упрощённым вариантом параллельно балансного каскада и получил название дифференциального каскада.