Глава IV Усилители с ок и об.

4.1. Усилитель с ок.

Усилитель с ОК показан на рис.4.1.

Нетрудно показать, что U⁰_вых=U⁰_э=U⁰_б-U* .

рис.4.1. эмиттерный повторитель

Если U_б° увеличится на +∆U_б°, то U_вых увеличится на ту же величину. Следовательно фазы выходного и входного сигналов совпадают, т. е. каскад не инвертирует фазу входного сигнала.

Из рис 4.1 Определим U_кэ

U_кэ=E_п-U_вых.

Линия нагрузки.

Суммируя постоянные напряжения вокруг коллектора, получим U_кэ+I_эR_э-E_п=0, следовательно I_к=I_э равен

Ic= . (4.1)

Линия нагрузки, определяется последним выражением, показана на рис.4.2.

рис.4.2.

Коэффициент усиления по напряжению показан на рис 4.3а.

Uвых=iэRэ

Uвх=iэ(Rэ+rэ)

рис.4.3а. Коэффициент усиления по напряжению

Т огда имеем: U_вых=U_вх |_Rэ=∞≈U_вх , т.е.

K_U= |_Rэ»∞≈1. (4.2)

Эмиттерный повторитель.

Схему на рис.4.1. часто называют эмиттерным повторителем, т. к. его K_U≈1. Основное преимущество эмиттрного повторителя – это высокое входное и низкое выходное сопротивление, поэтому R_вх≈β(r_э+R_э), R_вых≈r_э║R_э│_Rэ»rэ≈r_э. Эмиттерный повторитель часто используется в качестве буферного каскада.

Схема Дарлингтона.

Эта схема (рис.4.3б.) позволяет получить наибольшее входное сопротивление. Из рис.4.3. следует, что

R_вх1=(r_э1+R_вх1)β₁=β[r_э1+β₂(r_э2+R_э)]≈β₁β₂R_э. (4.3)

рис.4.3б. Схема Дарлингтона

Rвх1=(R1||R2)||R^/вх

Пример.

Если β1≈β2=100, а R_э=1кОм, то R_вх=104кОм=10МОм .

Предельное значение входного сопротивления схемы Дарлингтона определяется сопротивлением коллекторного перехода Т1 (см. пунктир на рис.4.3.).

Rвх.max ≤rк(т1)

Схемы смещения ЭП приведены на рис.4.4.а и б. (?)

4.2. Непосредственная связь между каскадами. Усилители постоянного тока.

Усилители с непосредственными (гальваническими) связями между каскадами называют усилителями постоянного тока (УПТ). УПТ являются основой для построения интегральных схем операционных усилителей – самого массового микроэлектронного изделия.

УПТ имеют коэффициент усиления отличный от нуля при частоте (?). Существует ряд трудностей при построении УПТ. Одной из таких трудностей является задача согласования потенциалов в точках подключения источника сигнала ко входу усилителя, в точках непосредственного соединения каскадов и в точках подключения нагрузки к выходу усилителя. Другой, более сложной задачей, является обеспечение стабильности режимных токов каскадов при действии дестабилизирующих факторов, таких как изменения температуры окружающей среды, напряжения питания и других.

При изменении температуры происходят приращение токов, которые за счет непосредственной связи между каскадами передаются на вход усилителя и приводят к изменениям входного напряжения. Изменения выходного напряжения, не связанные с входным напряжением и обусловленные внутренними процессами в усилители, называются дрейфом нуля усилителя.

Абсолютный дрейф нуля обычно определяется как максимальное изменение выходного сигнала при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Приведенный ко входу дрейф усилителя вычисляется путем деления абсолютного дрейфа на коэффициент усилителя:

U^ВХ_ДР=U_ДР^ВЫХ/K_U. (44)

Приведенный к входу дрейф не зависит от коэффициента усиления и эквивалентен ложному сигналу.

Величина ограничивает минимальный входной сигнал, т. е. по существу определяет чувствительность усилителя. Задача уменьшения температурного дрейфа нуля особенно важна для многокаскадных УПТ, ввиду большой зависимости параметров транзисторов от температуры.

Пример.

Рассмотрим эти проблемы на конкретном примере схемы УПТ (рис.4.5.).

рис.4.5. Схема усилителя постоянного тока.

Согласование потенциалов источника сигнала и входа усилителя (базы транзистора Т1) осуществляется применением двух источников питающих напряжение (Е_п⁺ и Е_п^-). Из рис.4.5. видно, что R_кз<R_к2<R_к1, а R_эз>R_э2>R_э1. Поэтому коэффициент усиления каждого следующего каскада будет уменьшаться

К_U=К_U1∙К_U2∙K_U3, (4.5)

где К_U3<К_U2<К_U1.

Следует заметить, что коэффициент усиления интегрального ОУ составляет 100000 (100дБ). Для увеличения усиления между каскадами ставится схема сдвига постоянного уровня. Основная функция схемы сдвига – понизить напряжение на эмиттере последующего каскада, что позволяет уменьшить величину резистора R_э2. Чаще всего схемы сдвига строятся либо на основе схемы эмиттерного повторителя, либо на основе каскада с ОЭ на дополняющем транзисторе (pnp-типа).

На рис.4.6.а приведена схема сдвига уровня, на рис 4.6б схемы сдвига, спроектированная на основе схемы с ОЭ:

рис 4.6а схема сдвига уровня

рис 4.6а схема сдвига, спроектированная на основе схемы с ОЭ:

каждая из этих схем включается, например, между вторым и третьим каскадами. Из рис.4.6.а видно, что напряжение U_к2°=U_эг° понижается на величину U_сдв с помощью резистора R_сдв. U_сдв=(U_эп⁰-U*)-I_сдв·R_сдв , где I_сдв= .

Недостатком схемы сдвига на рис.4.6.а является то, что она уменьшает усиление для полезного сигнала

К_сдв= . (4.6)

Схема сдвига уровня рис.4.6.б не уменьшает коэффициент усиления , т.к. обычно R_i»R_сдв.

Пример.

Следовательно усиление 3-его каскада составит К_U≈-R_кз/R_эз=-10.6/2.4=-4.4 .

Плата за увеличение усиления – это дополнительная мощность потребления ЭП:

P=|Eп⁺ + Eп^-|∙Iсдв=40В∙1мА=40мВт

В некоторых случаях, вместо Rсдв используются либо n-последовательно включенных диодов, либо стабилитрон, имеющий фиксированное напряжение Uсдв=Uст.

Широкое распространение получила схема сдвига уровня на дополняющих транзисторах (рис.4.6.в).

рис.4.6.в схема сдвига уровня на дополняющих транзисторах

На рис.4.6в схема сдвига выполнена на транзисторе pnp-типа, одновременно является и вторым усилительным каскадом. Сдвиг постоянного уровня осуществляется за счет падения напряжения между коллектором и эмиттером транзистора Т_х . Такая схема сдвига позволяет получить набольший коэффициент усиления двух последовательно включенных каскадов.

Теперь рассмотрим вторую проблему УПТ, связанную с температурной нестабильностью рабочей точки. Заземлим источниками входного сигнала и пусть ∆Т=40⁰С, а т.к. U*=−2мв/град напряжение база-эмиттер, соответствующее коллекторному току 1мА, приблизительно уменьшается на 2мВ при повышении температуры на один градус. Это обстоятельство наглядно иллюстрируется на рис.4.7. с помощью фиктивного источника напряжения на базовом выводе. Напряжение этого источника равно нулю при комнатной температуре и увеличивается на 2мВ при повышении температуры на один градус. Этот источник включается последовательно с изображенным на рис.4.7 источником напряжения сигнала, что приведет к следующей величине дрейфа напряжения коллектора при отсутствии сигнала.

рис.4.7. фиктивный источник напряжения на базовом выводе

Пример.

Таким образом, при повышении температуры на 40⁰С напряжение на базе увеличится на 40⁰∙2мВ/град=+80мВ.

Теперь рассчитаем приращение напряжения на выходе усилителя рис.4.5. при заземленном входе: U_вых1=−( ), U=(Uвых1+ T⁰С)КU₂

Приведенный ко входу дрейф составит

U^др_вх= . (4.7)

При большом коэффициенте усиления УПТ приращения напряжения на его выходе в рабочем диапазоне температур может составлять десятки вольт. Таким образом приведенный к входу дрейф определяет нижний предел усиливаемого сигнала.