Учебное пособие 800596

где I кп - изменение коллекторного тока; Rк коллекторное

сопротивление.

Если входное напряжение усилителя равно нулю, то суммарное напряжение выходного дрейфа будет равно:

где К1, К2, К3 - коэффициенты усиления по напряжению соответственно 1го ,2го ,3го каскадов.

Для приведенного выражения справедливо неравенство:

К1К2К3>>К2К3>>К3.

Если принять, что приведенное напряжение дрейфа Uдр для

всех каскадов одинаково, то из выражения можно сделать вывод, что максимальное влияние на дрейф выходного напряжения усилителя оказывает его первый каскад. Физически это очевидно, так как дрейф первого каскада действует непосредственно на входе усилителя и воспринимается как изменение входного сигнала. Поэтому в усилителях постоянного тока в первую очередь необходимо максимально увеличивать коэффициент усиления первого каскада при максимальном уменьшении его дрейфа.

Величина дрейфа нуля одиночного каскада может быть уменьшена введением в него цепи ООС включением эмиттерных резисторов, однако это приводит к уменьшению коэффициента усиления. Следует отметить, что, так как напряжение приведенного дрейфа действует непосредственно на входе усилителя, то оно складывается с входным сигналом. Поэтому на входе невозможно выяснить, какая часть сигнала обусловлена изменением входной информации, а какая обусловлена дрейфом усилителя. Следовательно, с точки зрения уменьшения искажения входного сигнала необходимо стремиться к тому, чтобы полезная составляющая этого сигнала всегда была существенно больше составляющей приведенного дрейфа.

При проектировании усилителей постоянного тока используются два основных способа уменьшения приведенного дрейфа нуля усилителя:

213

1)уменьшение величины влияющих на усилитель внешних дестабилизирующих факторов;

2)снижение чувствительности усилителя к воздействию внешних дестабилизирующих факторов.

В схемах УПТ применяется чередование транзисторов p-n-p

иn-p-n для обеспечения согласования уровней напряжения соединяемых каскадов. В эмиттерную цепь первого транзистора включен стабилитрон для увеличения коэффициента усиления по напряже-

нию. Отрицательная обратная связь на резисторах Rос и R1 обеспечивает стабилизацию режимов работы транзисторов в УПТ (рис

2.89).

Рис. 2.89

Приведенное значение ко входу температурного дрейфа такого усилителя при изменении температуры на 10С

Едр.вх. min Е 2.2 мВ/Со.

2.8.3. УПТ на основе дифференциальных усилительных каскадов

Для уменьшения дрейфа нуля в УПТ широко применяются дифференциальные усилительные каскады. Свое название они получили потому, что они усиливают только дифференциальный (разностный) сигнал, т.е. разность напряжений сигнала между первым и вторым входами. Разность Uвх1-Uвх2 будет наибольшей, если Uвх1 ,Uвх2 противоположны по фазе.

По структуре такой каскад, по существу, состоит из двух каскадов, у которых используется общий эмиттерный резистор

214

(рис. 2.90). Элементы схемы образуют мост, в одну диагональ которого включен источник питания с напряжением Uп, а в другую – сопротивление нагрузки Rн. Условие баланса моста, при котором

Uвых=0:

из выражения определяем

RVT 1RK 2 RVT 2 RK1 .

При изменении выходных сопротивлений RVT1 и RVT2 под воздействием входных напряжений Uвх1 и Uвх2 происходит нарушение баланса моста, что вызывает появление выходного напряжения Uвых, пропорционального разбалансу. На рис. 2.90а показана схема подачи и съема напряжения с дифференциального усилительного каскада, а на рис. 2.90б эквивалентная мостовая схема дифференциального усилителя. Если элементы схемы (рис. 2.90) полностью идентичны, выходное напряжение не изменяется под действием различных дестабилизирующих факторов, так как

то любые изменения напряжения питания не вызовут изменений выходного напряжения.

Напряжение Uвых можно определить через коллекторные то-

ки:

U вых I k1 Rk1 I k 2 Rk 2 .

Если параметры транзисторов идентичны, то изменение температуры приведет к одинаковым изменениям коллекторных токов обоих транзисторов. В результате абсолютное значение выходного напряжения остается неизменным.

215

При анализе работы дифференциального усилителя, кроме дифференциального сигнала, рассматривают синфазный сигнал.

Если Uвх1 и Uвх2 имеют одинаковую фазу, то такой сигнал называется синфазным. При подаче на симметричный вход, между точками 1 и 2 синфазного сигнала, у которого Uвх1=Uвх2, разность Uвх1 и Uвх2 равна нулю и напряжение на выходе между точками 3 и 4 равно нулю. Эта особенность дифференциального каскада подавлять синфазный сигнал является важным преимуществом по сравнению с другими каскадами, т.к. в основном помехи представляют синфазный сигнал, также как и напряжение дрейфа обоих его плеч, а поэтому дифференциальный каскад способен их сильно подавлять.

Рис. 2.90.

Дифференциальный усилительный каскад выполнен на биполярных транзисторах VT1 и VT2 n-p-n типа, сопротивления резисторов в цепи коллекторов Rк1=Rк2. В цепь баз транзисторов, представляющие несимметричные входы подаются два источника сигнала Uвх1 и Uвх2, приемник сигнала, сопротивление нагрузки Rн, включается между коллекторами транзисторов — симметричный выход.

Рассмотрим режим работы дифференциального каскада, когда Uвх1=Uвх2=0, т.е. при коротком замыкании входов (режим покоя). В этом случае напряжения Uбэn на p-n переходе между базой и эмиттером транзисторов одинаковы и поэтому их режимы будут мало отличаться. Если под действием таких факторов как нагрев, изменения напряжения питания возрастут токи эмиттера Iэ1п и Iэ2п, а

216

соответственно и токи коллектора Iк1п, Iк2п, то напряжение на p-n переходе Uбэn на базе относительно эмиттера уменьшится, т.к. уменьшится напряжение на коллекторе, а напряжение на сопротивлении Rэ увеличится, поэтому эмиттерные токи уменьшатся, в связи с этим уменьшатся и коллекторные токи. Таким образом напряже-

ние на сопротивлении Rн не будет изменяться Uвых.п=Rк1∙Iк1п Rк2∙Iк2п, т.е. будет стабилизировано. Любые одинаковые изменения напря-

жения в одноименных плечах каскада не изменяют напряжения Uвыхп, т.е. дрейф нуля. Свойства дифференциального каскада зависят от способа подачи сигналов на его вход и способа снятия сигнала с выхода. (рис. 2.90а)

2.8.4. Основные принципы работы дифференциальных усилительных каскадов при различных способах подачи и съема сигнала

Сигнал можно подать на вход ДК следующими тремя способами:

1вх. между точками 1 и 2 (симметричный входной сигнал); 2вх. между точками 1 и 0 (несимметричный входной сигнал); 3вх. между точками 0 и 2 (также несимметричный входной

сигнал).

Сигнал с выхода каскада можно снимать тремя способами: 1вых. между точками 3 и 4 (симметричный выходной сигнал); 2вых. между точками 3 и 0 (несимметричный выходной сиг-

нал);

3вых. между точками 0 и 4 (несимметричный выходной сиг-

нал).

Симметричный вход и симметричный выход. Для диф-

ференциального симметричного сигнала (для полной симметрии средняя точка генератора должна быть заземлена) ДУ представляет собой два каскада ОЭ, объединенных общим сопротивлением Rэ. При симметричной подаче полезного сигнала Uвх на входы 1 и 2, сигналы распределяются поровну между этими входами, поэтому можно считать, что на вход 1 действует напряжение

217

При приложении симметричного сигнала Uвх между входами транзисторов VT1 и VT2 входные напряжения получают одинаковые приращения разных полярностей в результате ток коллектора одного транзистора увеличивается на Iк, а другого уменьшится на столько же. При этом результирующий ток через резистор Rэ останется без изменения, постоянным будет и падение напряжения на нем. Следовательно, резистор Rэ в данном случае не влияет на усиление дифференциального сигнала.

В этом случае дифференциальный усилительный каскад (ДУ) (рис. 2.91а) можно представить в виде двух каскадов ДУ с ОЭ (рис. 2.91б). На рис. 2.91в приведена эквивалентная схема одной половины дифференциального каскада.

в)

Рис. 2.91

Приращения коллекторного напряжения каждого из транзисторов схемы определяются коэффициентом усиления каскада с ОЭ по напряжению без обратной связи.

Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОЭ можно найти по формуле

218

Выходное сопротивление каскада с ОЭ можно определить на основании эквивалентной схемы (рис. 2.92 ) при нулевом входном сигнале, подав на выходные зажимы переменное напряжение

Uвых.

Рис. 2.92

Считаем, что ток коллектора, ответвляющийся в цепь базы ничтожно мал, поэтому выходной ток распределяется по двум параллельным ветвям, одна из которых содержит резистор Rк, а другая rэ и r*к. Так как r*к>> rэ, Rк, получим

Rвых э= Uвых r*к||Rк=Rкr*к/(Rк+r*к) Rк.

iвых

219

Так как, ДУ представлено в виде двух каскадов, то его выходное сопротивление, если пренебречь сопротивлением коллекторного перехода, в два раза выше, чем каскада с ОЭ:

Rвых 2Rк.

Входное сопротивление для разностного сигнала (дифференциальное сопротивление каскада) так же в два раза больше, чем у каскада с ОЭ.

Входное сопротивление каскада с ОЭ определяется из его эквивалентной схемы (рис.2.91в).

Так как входное напряжение Uвх складывается из падений напряжений на сопротивлении rб и rЭдиф, то можно записать так:

Uвх=U rб+Urэ=iб rб+rЭ (1+h21э) iб,

Таким образом, входное сопротивление для ДУ:

Rвх=2 rб+rЭ диф (1+h21э) =2h11э.

Входное сопротивление ДУ невелико и для его повышения можно включить в цепь эмиттера каждого транзистора равные по значению сопротивления резисторы R0 так, чтобы rЭ диф= rЭ диф+R0 . Снижение коллекторных токов также увеличивает rЭ диф, но при этом уменьшается коэффициент усиления.

При подключении нагрузки Rн к точкам 3 и 4 средняя точка будет всегда иметь нулевой потенциал, так как потенциалы симметричных точек Rн изменяются на одно и тоже значение, но в противоположном направлении.

Поэтому каждый из каскадов ОЭ симметричной балансной схемы будет нагружен на резистор R2н , при этом дифференциаль-

ный коэффициент усиления определяется

220

Как видно из формулы, дифференциальный коэффициент при подключении нагрузки уменьшается.

Так как действие синфазного сигнала приводит к одинаковому изменению коллекторных токов и напряжений транзисторов, то коллекторы транзисторов в схеме (рис. 2.91а) можно объединить, представив работу каскада эквивалентной схемой (рис. 2.93б).

Рис. 2.93

Тогда из эквивалентной схемы (рис. 2.93б) коэффициент усиления синфазного сигнала будет равен:

где Rвх.сф - входное сопротивление схемы для синфазных сигналов, которое также найдем из эквивалентной схемы (рис. 2.93б)

Так как

Rэ rэ,h21э Rэ rб , то Rвх.сф h21э Rэ .

Подставим значение Rвх.сф в выражение, получим

221