Балансные каскады усилителей

Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока предназначены для усиления как постоянного, так и переменного сигналов. В связи с этим в них отсутствуют разделительные емкости, т.е. присутствует связь по постоянному току (гальваническая связь). В этих условиях на рабочую точку усилителя оказывают влияние постоянные помехи на входе, нестабильность источника питания и др. Эти помехи приводят к изменениям выходного напряжения – дрейфу нуля. Иными словами при нулевом входном напряжении на выходе появляется ненулевое выходное напряжение. Компенсировать эти изменения за счет обратной связи нельзя, т.к. обратная связь будет компенсировать все изменения, вызванные постоянным током, как входным напряжением, так и помехами. В связи с этим в усилителях постоянного тока применяются каскады, состоящие из двух транзисторов. Они обладают одинаковыми параметрами и включаются так, чтобы выходные напряжения вычитались друг из друга. Тогда, если на входах одинаковые напряжения, то и на выходах также одинаковые напряжения, вычитаясь, они дадут ноль. Если же на входах разные напряжения, то и на выходах сигналы разные и их разность не равна нулю. При этом помехи действуют на оба транзистора одинаково, поэтому не могут вызывать разных напряжений на выходах транзисторов. Т.е. одинаковые сигналы на входах – помехи – взаимоуничтожаются, а разность напряжение – полезный сигнал – усиливается. Такие каскады принято называть балансными или дифференциальными.

Балансный каскад на биполярных транзисторах

Простейший балансный каскад на биполярных транзисторах показан на рис. 16.1.

Рис. 16.1 Балансный каскад на биполярных транзисторах

Чтобы каскад компенсировал помехи, транзисторы и сопротивления коллекторов одинаковые, т.е.

. (16.1)

Если напряжения входов на базах одинаковые, то транзисторы VT1 и VT2 открыты одинаково, поэтому токи на коллекторах также одинаковые . Это означает, что выходные напряжения на коллекторах транзисторов равны друг другу . Следовательно, выходное напряжение каскада равно нулю .

Если напряжение на первом входе больше напряжения на втором входе , то первый транзистор открыт сильнее, следовательно, ток коллектора транзистора VT1 больше тока коллектора VT2 , значит напряжение , поэтому выходное напряжение каскада .

Если напряжение на втором входе больше напряжения на первом входе , то второй транзистор открыт сильнее, следовательно, ток коллектора транзистора VT2 больше тока коллектора VT1 , значит напряжение , поэтому выходное напряжение каскада .

В общем случае напряжение на выходе определяется соотношением

. (16.2)

Балансный каскад на полевых транзисторах

Полевые транзисторы обладают большим входным сопротивлением, поэтому, если требуется большое входное сопротивление, то балансные каскады строятся на полевых транзисторах. Схема каскада на полевых транзисторах показана на рис. 16.2. Транзисторы VT1 и VT2 и сопротивления и одинаковые, т.е.

, , . (16.3)

Если напряжения на затворах одинаковые, то в каналах транзисторов протекают одинаковые токи , следовательно напряжения на стоках одинаковые , а выходное напряжение каскада равно нулю .

Рис. 16.2 Балансный каскад на полевых транзисторах

Если напряжение , то ток в канале первого транзистора больше , следовательно , а выходное напряжение отрицательно .

Если напряжение , то ток в канале первого транзистора меньше, чем во втором , следовательно , а выходное напряжение положительно .

В общем случае выходное напряжение каскада определяется выражением

. (16.4)

Генератор тока

При увеличении сопротивления (см. рис. 16.1 и 16.2) уменьшается ошибка в балансных каскадах. Кроме того, если ток постоянный, коэффициент усиления каскада стабильный. В связи с этим вместо резистора используют генератор тока. Схема генератора тока с температурной стабилизацией для биполярного балансного каскада показана на рис. 16.3.

Ток через транзистор VT1 зависит от напряжения смещения , подаваемого в его базу. Транзистор VT2 используется в качестве диода. Он точно такой же как и транзистор VT1. Для p-n-перехода характерно, что при небольших токах (в начале ВАХ) повышение температуры вызывает повышение тока через переход (уменьшается сопротивление постоянному току ). Это значит, что при увеличении температуры ток возрастает, и напряжение на эмиттере транзистора VT1 тоже возрастает. Напряжение на коллекторе транзистора VT2 определяется по формуле делителя . Так как с ростом температуры уменьшается, то напряжение в коллекторе VT2 возрастает, т.е. увеличивается напряжение в базе VT1. Тогда напряжение между базой и эмиттером транзистора VT1 остается постоянным и ток коллектора не меняется.

Рис. 16.3 Генератор тока на биполярных транзисторах