1.5.1.4 Усилитель постоянного тока с преобразованием

Недостатком схем УПТ прямого усиления является сравнительно большое значение напряжения дрейфа - порядка единиц микровольт на градус - и уровня низкочастотного шума.

На практике измерений бывает необходимо усиливать малые токи порядка единиц наноампер и напряжения порядка единиц микро­вольт. Такая задача часто встречается при измерении неэлектрических величин, например температуры, давления, фототоков, токов иониза­ции, а также при измерении пьезоэлектрических

130

эффектов и т.п. Широ­кое применение усилители малых токов и напряжений получили в технике для целей автоматического контроля и управления, в цифровых измерительных приборах. В этом случае применяют УПТ с преобразо­ванием входного напряжения, достоинством которых являются малое значение температурного дрейфа (0,01...0,1 мкВ/К° и малая чувстви­тельность к изменениям напряжения источника питания и температуры окружающей среды.

В УПТ с преобразованием используется принцип модуляции-демодуляции. Указанный принцип заключается в том, что сигнал постоянного тока преобразуется в , затем усиливается и снова преобразуется с помощью демодулятора в сигнал постоянного тока. Поэтому такие усилители с промежуточ­ной модуляцией (М ) входного сигнала и с последующей демодуляци­ей ( ДМ) усиленного выходного сигнала называют усилителями типа МДМ .

Рисунок 1.59 – Структурная схема усилителя МДМ

Входное усиливаемое напряжение поступает на вход модулятора, который преобразует входное постоянное или медленно изменяющее напряжение в периодическую последовательность импульсов. В качестве напряжения несущей частоты используется сигнал синусоидальной или прямоугольной формы, частота которого определяется частотой генератора. Выходное напряжение модулятора усиливается усилителем переменного напряжения. Гальваническая развязка вход­ной и выходной цепей усилителя осуществляется, как и в обычном усилителе переменного напряжения, с помощью RC-связей.

Усиленный модулированный дискретный сигнал поступает на де­модулятор, в котором осуществляется синхронное детектирование. Для синхронного детектирования опорное напряжение с выхода гене­ратора поступает на демодулятор. Синхронное детектирование позво­ляет сохранить соответствующую полярность выходного напряжения. На выходе демодулятора ставится фильтр нижних частот, который от­фильтровывает несущую частоту и высшие гармоники. В результате получают напряжение той же формы, что и на входе усилителя.

Описанная схема УПТ с преобразованием, в частности, применяет­ся в качестве входного усилителя в цифровом вольтметре типа В7-23. Таким образом, дрейф нуля в схемах УПТ с преобразованием определяется дрейфом нуля на выходе модулятора и составляет сотые доли микровольта в минуту, изменения

131 напряжения дрейфа снижа­ются до тысячных долей микровольта.

Недостатком усилителей типа МДМ является ограничение верх­ней граничной частоты

( не более 0,1….0,2 частоты модуляции), а так­же необходимость использования источника модулирующего напряжения - генератора.

Усилители с преобразованием сигнала на дискретных элементах оказались громоздкими и ненадёжными, поэтому они не нашли широ­кого применения. Между тем, изготовить такие усилители по интегральной технологии на кристалле стандартных размеров нетрудно. Данное обстоятельство способствовало тому, что современные УПТ с

преобра­зованием представляют собой интегральные усилители.

Дополнительный материал к лекции 9 для самостоятельной работы

Усилитель постоянного тока на полевых транзисторах

В усилителях с непосредственными связя­ми могут быть использованы униполярные транзисторы и с изолированным затвором (МОП - транзисторы), и с управляющим р-п - переходом. Но особенно хорошо для этой цели подходят МОП -транзисторы. Поскольку затвор МОП - транзистора по существу действует как конденсатор, а не как p-n-переход, отпадает необходимость конденсаторах межкаскадных связей . По этой причине, теоретически отпа­дает проблема низкочастотных ограни­чений переменного сигнала. Однако на практике входная емкость в сочетании со внутренним сопротивлением источ­ника сигнала может образовать RC-фильтр верхних частот и тем самым вы­звать некоторое ослабление сигнала на низких частотах.

Рисунок 1.60 – Схема усилителя постоянного тока на МОП -

транзисторах

На рисунке 1.60 приведена схема трехкаскадного усилителя на МОП-

транзис­торах. Отметим, что все три транзис­тора одного типа и все три стоковых

сопротивления (R2, R3, R4) равны. Такая структура упрощает расчеты. На первый взгляд может показаться, что все три каскада работают при нулевом смещении.

132

Однако, при протекании тока в цепи стока на соответствующем стоковом резисторе создается некоторое падение напряжения, определяющее потенциал стока транзистора, а значит, и потенциал затвора транзистора следующего каскада. На затворе первого транзистора на­чальный потенциал по существу равен потенциалу стока транзистора последнего каскада благодаря наличию резистора обратной связи R₅. Через резистор R₅ в отсут­ствие сигнала ток не течет, за исключением тока утечки через затвор.

Рабочая точка. Определение подходящей рабочей точки усилителя означает

на­хождение компромисса между требуемым выходным сигналом, характеристиками МОП- транзистора и напряжением источника питания. Например, пусть требуемый на выходе усилителя сигнал характеризуется максимальным размахом напряжения 7 В, напряжение источника питания 24 В, и в цепи стока протекает ток I_с = 0,55 мА, если напряжение между затвором и истоком U_зи = 7 В. При этих условиях подходящей будет рабочая точка, когда потенциал стока равен 7 В, и обеспе­чивается без нелинейных искажений выходной сигнал с размахом 7 В. В процессе уси­ления потенциал стока будет изменяться в пределах от 3,5 В до 10,5 В, около рабочей точки 7 В. На стоковых резисторах в рабочей точке должно падать напряжение 24— 7 = 17 В при токе 0,55 мА, откуда следует, что резисторы R₂, R₃ и R₄ должны быть приблизительно равны 17/0,55 = 31 кОм (принимаем значение 30 кОм).

На последовательный резистор R₁ должен быть подан постоянный уровень, соответствующий рабочей точки. Например, если потенциал в рабочей точке равен - 7 В, то потенциал на входе также должен быть равен - 7 В. При каком –либо потенциале на входе рабочая точка будет смещаться.

Результирующее усиление напряжения зависит от коэффициента усиления без цепи обратной связи К_u.обр. и сопротивления резистора обратной связи R₅. Входное сопротивление схемы приблизительно равно R₁ , коэффициент усиления приблизительно равен отношению R₅/R₁. разумеется изменяя отношение R₅ /R ₁ , нельзя получить усиление, превышающее коэффициент усиления без обратной связи. Вообще, чем больше отношение коэффициента усиления с разомкнутой обратной связью к коэффициенту усиления с замкнутой обратной свзью, тем выше стабильность схемы.

Вопросы для самопроверки

1 Какую полосу частот усиливают усилители постоянного тока и какой вид

имеет их частотная характеристика ?

2 Какого вида межкаскадная связь используется в усилителях постоянного

тока и почему ?

3 Что называется дрейфом нуля усилителя постоянного тока ?

4 Назовите основную причину дрейфа нуля в транзисторных усилителях

постоянного тока .

5 Почему дрейф нуля у усилителях переменного тока отсутствует ?

133

6 Каковы способы снижения дрейфа нуля в усилителях УПТ .

7 Начертите структурную схему УПТ с преобразованием сигнала и поясните

её работу.

8 Какой принцип лежит в основе работы УПТ с преобразованием сигнала ?

9 Назовите недостатки в усилителях типа МДМ.

10 В какие каскады усилителя включаются термокомпенсирующие элементы ?

Примеры задач до темы лекции 9

Задача 1

Определите полный коэффициент усиления усилителя постоянного тока на рисунке 1.57, если величина резисторов R₃ = 1 кОм, R₂ =4,7 кОм, R₅= 500 Ом,

R₆ =1 кОм, R₇ =4,7 кОм , R₄ = 1 кОм.

Решение : 1 Величина сопротивления в цепи эмиттера транзистора VT₁ равна

R_э = ( R₄ + R ₅ ) ·R₃ / ( R₄ + R ₅ )+ R₃ ,

R_э = ( 1 + 0,5) ·1 / (1 +0,5 ) + 1 = 600 Ом

2 Коэффициент усиления напряжения первого каскада на транзисторе VT₁

равен

К_u1 = R₂ / R_э ,

К_u1 = 4700 / 600 = 7,8

3 Коэффициент усиления напряжения второго каскада на транзисторе VT₂

равен

К_u2 = R₆ / R₇ ,

К_u2 = 4700 / 1000 = 4,7

4 Полный коэффициент усиления напряжения двух каскадов равен

К_∑ = К_u1 · К_u2 ,

К_∑ = 7.8 · 4.7 = 36,7

Задача 2

Определить дрейф усилителя постоянного тока на рисунке 1.57, если полный коэффициент усиления К_∑ = 36,7, а выходное напряжение отклоняется из – за дрейфа на 0,2 В при увеличении температуры на 25^оС.

134

Решение : Дрейф ко входу усилителя постоянного тока равен

d = ∆U_вых / К_∑ Т⁰ ,

d = 0,2 / 36,7 ·25 = 217 мкВ /^оС.

Задача 3

Рассчитать основные параметры усилителя постоянного тока ( рисунок 1.60) на МОП- транзисторах, если напряжение питания Е= 24 В, ток стока транзисторов I_с = 0,55 мА. Максимальный выходной сигнал U_м = 7 В. и напряжение между затвором и истоком U_зи = 7 В. Общий коэффициент усиления по напряжению должен быть К_{∑ обр.св.} = 3000. Крутизна транзисторов S =1 мА/В.

Решение : При этих условиях рабочая точка, когда потенциал стока равен

Uс = 7 В, и обеспечивает без нелинейных искажений выходной сигнал с размахом 7 В. В процессе усиления потенциал стока будет изменяться в пределах от 3,5 В до 10,5 В, около рабочей точки 7 В.

1 На стоковых резисторах в рабочей точке должно падать напряжение

U_R = Е - Uс ,

U_R = 24 – 7 = 17 В,

2 Величина резисторов R_2,3,4 в стоках транзисторов равна

R_2,3,4 = U_R / Iс ,

R_2,3,4 = 17 / 0,55 ·10^-3 = 31 кОм

Выбираем стандартное значение резисторов R₂ = 30 кОм, R₃ = 30 кОм,

R₄ = 30 кОм.

3 Общий коэффициент усиления без обратной связи равен

К_u1 = К_u2 = К_u3 = R₁· S ,

К_u1 = К_u2 = К_u3 = 30 · 10³ · 1· 10^-3 = 30

К_∑ = 30 · 30 · 30 = 27000

4 Величина резистора R₅ в цепи обратной связи равен

R₅ = ( К_∑ / К_{∑ обр.св} ) · R₂ ·100 ,

135

R₅ = ( 27000/3000) 30 10³ 100 = 27 10⁶ Ом.

Стандартное значение резистора R₅ = 27 Мом

5 Величина резистора R₁ равна

R₁ = R₅ / К_{∑ обр.св} ,

R₁ = 27 10⁶ / 3 10³ = 9 10³ Ом .

Задачи для самостоятельной работы

1 Рассчитать основные параметры усилителя постоянного тока ( рисунок 1.60) на МОП- транзисторах, если напряжение питания Е= 14 В, ток стока транзисторов I_с = 0,25 мА. Максимальный выходной сигнал Uм = 5 В. и напряжение между затвором и истоком U_зи = 5 В. Общий коэффициент усиления по напряжению должен быть К_{∑ обр.св.} = 2000. Крутизна транзисторов S =1 мА/В.

2 Определить дрейф усилителя постоянного тока на рисунке 1.57, если полный коэффициент усиления К_∑ = 50, а выходное напряжение отклоняется из – за дрейфа на 0,1 В при увеличении температуры на 28^оС.

3 Определите полный коэффициент усиления усилителя постоянного тока на рисунке 1.57, если величина резисторов R₃ = 2 кОм, R₂ =6.2 кОм, R₅= 510 Ом,

R₆ =2 кОм, R₇ =6.2 кОм , R₄ = 2 кОм.

Литература

1. Гольцев В.Р., Богун В.Д.,Хиленко В.И. Электронные усилители. М.:

Стандарты, 1990. с.106…119

2 Колонтаевський Ю.П.,Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія i практикум.-К.: Каравела,2003.с.106..108. 3 Криштанович А.К., Трифонюк В.В. Основы промышленной электроники.-М.: Высшая школа, 1985.С. 118…122.

4 Джонс М.Х. Электроника – практический курс.М.: Постмаркет, 1999.

с.178... 181.

5 Ленк Дж.Д. Справочник по проектированию электронных схем / Пер. с

анг.В.И. Зубчука м Сигорского. Под ред. В.П. Сингорского. – К.: Техніка,

1979. с.97...99.

136

Лекция 10

Экспресс - проверка знаний пройденного материал :

1 Нарисуйте схему усилителя постоянного тока с использованием двух источников

питания

2 Нарисуйте структурную схему усилителя МДМ .

3 Нарисуйте схему усилителя постоянного тока на МОП - транзисторах

4 Напишите ключевые слова по теме «Усилители постоянного тока »

После изучения лекции 10 студент должен знать: работу дифференциального и операционного усилителя и их характеристики.

Уметь: пояснить работу дифференциального и операционного усилителя, а также уметь нарисовать схемы дифференциальных и операционных усилителей.

План ( логика ) изложения материала

1.5.2 Дифференциальные и операционные усилители

1.5.2.1 Дифференциальный каскад усилителя

1.5.2.2 Операционный каскад усилителя

Дополнительный материал к лекции 10 для самостоятельной работы

1.5.2 Дифференциальные и операционные усилители

1.5.2.1 Дифференциальный каскад усилителя

В усилительных каскадах транзисторы включить можно последова­тельно друг с другом по отношению к источнику электропитания, либо параллельно. Параллельные каскады более удобны для практического использования и для микроэлектронной технологии, а поэтому в настоящее время в основном и применяются.

Наиболее распространенным параллельным каскадом усилителя является дифференциальный каскад (ДК). Дифференциальным называется каскад, имеющий два симметрич­ных входа и дающий на выход напряжение, пропорциональное раз­ности входных сигналов ( “дифференциальный” означает разностный) .

На базы транзисторов VT₁ и VT₂, оба ОЭ, поступает симметрич­ный относительно общего провода сигнал, т.е. два равных противопо­ложных напряжения U'_bx и U''_bx.

Выходной сигнал снимается с вывода от коллектора этих двух транзисторов и равен сумме частичных выходных напряжений, разви­ваемых каждым транзистором на своем сопротивлении коллекторной нагрузки R₃ и R₅.

137

Рисунок 1.61- Дифференциальный каскад с симметричным выходом

В общей эмиттерной цепи транзисторов VT₁ и VT₂ включено сопротивление R₄, которое осуществляет эмиттерную стабилизацию исходного режима. Величина этого сопротивления может быть вдвое меньше, чем в одиночном каскаде, так как через него проходит постоян­ный ток двух транзисторов. Кроме того, резистор R₄ создает связь между эмиттерами по переменному току.

В положительный полупериод сигнала на первом входе на R₃ соз­даётся частичное выходное напряжение U'_вых с отрицательным зна­ком у выходного зажима около коллектора транзистора VT₁. Одно­временно на второй вход поступает отрицательная полуволна такого же сигнала, и не резисторе R₅ создается второе частичное напряже­ние U"_вых с положительным знаком около второго выходного зажима (у коллектора VT₂).

U_вых=U'_вых - U''_вых, ( 1.56)

Поскольку U'_вых = К·U'_вх и U''_вых = К·U''_вх, где К-коэффициент усиления напряжения, то

U_вых=К(U'_вх - U''_bx). ( 1.57)

т.е. выходное напряжение пропорционально разности входных.

При нормальной работе каскада на входе подаются противофаз­ные сигналы: U''_вх = -U'_вх. Разность противофазных сигналов равна сумме их абсолютных величин. Поэтому для действующих значений напряжений полезного сигнала.

U_вых=К(U'_вх + U''_вх)=U'_вых +U''_вых. ( 1.58)

Таким образом, коэффициент усиления дифференциального каска­да вдвое больше, чем для одного транзистора в схеме ОЭ. В каскаде нет отрицательной обратной связи по переменному току, так как токи двух транзисторов проходят через резистор R₄ в противоположных направлениях.

138

В случае попадания на оба входа сигнала в одной фазе выходное напряжение будет очень малым, равным разности U'_вых и U''_вых, а при симметрии схемы U_вых=0. Это означает, что каскад нечувствите­лен к синфазным помехам, наводимым на оба входа, а также к пуль­сациям и изменению питающего напряжения и одинаковым измене­нием параметров схемы при колебаниях температуры и старения элементов.

При синфазных сигналах переменные токи эмиттеров двух тран­зисторов проходят по общему эмиттерному сопротивлению R₄ в одном направлении и создают для обоих транзисторов глубокую отрицательную обратную связь по переменному току. Это еще в большой степени ослабляют чувствительность к синфазным помехам.

Эта особенность дифференциального каскада усиливать только дифференциальный сигнал и подавлять синфазный является очень важной и полезной, так как большинство видов помех является син­фазными по отношению к цепям дифференциального каскада, так же как и напряжение дрейфа обоих плеч, а поэтому дифференциальный каскад их сильно подавляет по отношению к полезному сигналу.

Отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала Кд к коэффициенту усиления синфазного сигнала Кс называют коэффициентом ослабления синфазного сигнала Коос.

Дифференциальный каскад в зависимости от способа подачи сиг­нала на его вход и способа снятия усиленного сигнала с выхода мо­жет быть использован различно. Так, сигнал на вход дифференциаль­ного каскада можно подавать следующими тремя способами :

1) между точками 1 и 2 (симметричный вход);

2) между точками 1 и 0 (несимметричный вход);

3) между точкам 0 и 2 (несимметричный вход)/

Сигнал с выхода каскада также можно снимать тремя способами:

1´) между точками З и 4 (симметричный выход);

2´) между точками 3 и 0 (несимметричный выход);

3´) между точками 0 и 4 (несимметричный выход).

Свойства дифференциального каскада сильно зависит от спосо­бов подачи и снятия сигнала. Наилучшие свойства каскад имеет в случае подачи симметричного сигнала между точками 1 и 2 и сня­тие симметричного же сигнала с точек 3 и 4.

Однако как источник сигнала, так и нагрузка далеко не всегда симметричны, и на практике очень часто приходится подавать на вход дифференциального каскада несимметричный сигнал по способу 1 или 3, а также и снимать усиленный сигнал несимметрично по способу 2' и 3'. В этих случаях свойства дифференциального каска­да ухудшаются :

• при подаче сигнала по способам 2 и 3 между входными зажи­мами каскада 1 и 0 (или 0 и 2 ) имеется большая постоянная составляющая напряжения, которую необходимо компенсиро­вать ;

• при снятии сигнала по способам 2'и 3' реализуется только половина

напряжения усиленного сигнала, в результате чего коэффициент усиления

каскада оказывается вдвое меньше, в дополнение к большой постоянной

139

составляющей напряжения между за­жимами 3 и 0 или 0 и 4 Для компенсации данных недостатков в схеме следует применять источник электропитания со средним выводом.

При работе ДК на следующий обычный каскад с несимметрич­ным входом усиленный сигнал с ДК снимают по способам 2' и 3' . В этих случаях компенсация дрейфа и подавления синфазных сигна­лов ДК снимают по способам 2' и 3'.

В этих случаях компенсация дрейфа и подавления синфазных сигна­лов ДК ослабляются и зависят только от величины сопротивления R₄ в общем проводе эмитирующих электродов, вводящего во вход­ную цепь каскада последовательную отрицательную обратную связь по току. Для симметричных входных сигналов (дифференциальных) эта обратная связь в каскаде отсутствует: при подаче на вход несим­метричного сигнала дифференциальный каскад работает как инвер­сный каскад с обратной связью, так как вносимая резистором R₄ об­ратная связь подает напряжение сигнала на ведомое плечо каскада. Для синфазных сигналов глубина отрицательной обратной связи, вносимой сопротивлением R₄ и подавляющей синфазные сигналы, здесь оказывается равной ( 1+2·S·R₄ ), где S- крутизна характеристи­ки выходного тока одного усилительного элемента каскада в точке покоя. Из сказанного следует, что подавление синфазных сигналов, а с ним и снижение дрейфа нуля у дифференциального каскада тем больше, чем выше крутизна характеристики усилительных элементов и чем больше величина R₄.

Увеличивать глубину обратной связи повышением крутизны ха­рактеристики усилительных элементов не удается, так как для увеличе­ния крутизны нужно увеличивать ток покоя, а это заставляет снижать сопротивление резистора R₄ при заданной величине допустимого па­дения на нем напряжения питания. Кроме того, при этом возрастает расход энергии на питание каскада.

Поэтому для повышения глубины обратной связи, улучшающей свойства каскада, следует увеличивать сопротивление резистора R₄. Но его нельзя брать слишком большим, так как через этот резистор проходит ток покоя обоих усилительных элементов и при чрезмерно большом сопротивлении падение напряжения питания будет недо­пустимо велико. Так, например, при токе покоя каскада 1мА и допус­тимом падении напряжения питания на резисторе R₄ 5В сопротивле­ние этого резистора должно быть равно

5/0.001 = 5000 Ом. При использовании в каскаде биполярных транзисторов и токе каждого из них 0,5 мА значение S составит около 0,02 А/В, что даст подавление синфазных сигналов в 1+ 2·0,02·5000≈200 раз, или 43 дБ, что обычно ока­зывается недостаточным. При использовании полевых транзисторов или пентодов подавление будет значительно меньше вследствие более низкой у них крутизны характеристики.

Для увеличения глубины обратной связи, при том же падении напряжения питания на R₄, в качестве последнего используют так называемый “ электронный резистор “ (стабилизатор тока или генератор стабильного тока ГСТ), у ко­торого сопротивление переменной составляющей тока много больше сопротивления постоянного тока ( рисунок 1.62). Генератор стабильного тока является, по существу, стабилизированным по постоянному току каскадом, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером.

Например . Делитель напряжения, состоящий из резисторов R₂ , R₃ и диод VD задает потенциал базы транзистора, который выше на 1 В потенциала шины

140

отрицательного питания Е = 9 В. Вычитая напряжение, на переходе эмиттер – база транзистора VT₃ , U_эб0 = 0,6 В, получаем на эмиттерном резисторе

R₁ = 220 Ом должно падать напряжение U _R1 = 0,4 В. Следовательно эмиттерный ток будет равен 2 мА ( 0,4/220), таким образом, благодаря ГСТ в цепи эмиттеров транзисторов VT₁ и VT₂ течет суммарный ток 2 мА. Применение диода VD в нижнем плече делителя напряжения обеспечивает температурную компенсацию. Разность потенциалов на диоде падает с ростом температуры точно так же, как это имеет место с разностью потенциалов между базой и эмиттером, так что в широком диапазоне температур приложенное к базе напряжение согласуется с тем, какое требуется транзистору для поддержания тока эмиттера 2 мА. Иногда роль диода может играть транзистора с замкнутыми накоротко коллектором и базой, что приводит к идеальному отслеживанию температурных изменений, такую схему называют токовым зеркалом.

Рисунок 1.62 – Транзисторный генератор стабильного тока (ГСТ).

Принцип работы схемы на рисунке 1.62 следующий. Входные сигналы не могут изменить суммарный ток I_э в эмиттерной цепи, они могут только по разному распределять его между транзисторами. Следовательно, при тождественно одинаковых U'_вх и U"_вх ( синфазный сигнал ) никакой из коллекторных токов не меняется и выходной сигнал не возникает. Сигнал на выходе появляется только в том случае, когда U'_вх и U"_вх различны, при этом в один из транзисторов будет отводится большая доля суммарного тока эмиттера, нежели в другой.

Такие каскады дают подавление синфазных помех порядка 80 дБ и более.

141