2363

ся на резисторах Rп. Резисторы R, Rп. и Rс находят по следующим расчетным формулам

где Uo —напряжение между коллектором и эмиттером транзистора рас-

считываемого каскада в режиме покоя; Uобсл и Iобсл — напряжение смещения и ток покоя цепи базы транзистора следующего каскада.

Коэффициент усиления тока каскада с потенциометрической связью

В этой формуле h21э — статический коэффициент передачи тока тран-

зистора вычисляемого каскада, а Rвх.тр.сл. . — входное сопротивление тран-

зистора следующего каскада по схеме с общим эмиттером. Стабилизация ре-

жимов работы транзисторов УПТ с потенциометрической связью обеспечи-

вается глубокой отрицательной обратной связью. Данный метод позволяет выполнить согласование режимов каскадов усилителя, как по постоянному,

так и переменному току. Однако введение во входную цепь усилителя и ме-

жду его каскадами дополнительных усилителей напряжения снижает сум-

марный коэффициент усиления устройства.

Недостатком рассмотренных усилителей постоянного тока является дрейф нуля, т.е. нестабильность нулевого значения выходного сигнала в от-

сутствии сигнала на входе.

1.2. Способы уменьшения дрейфа нуля в УПТ с гальванической связью

Основными причинами дрейфа нуля являются изменения параметров усилительных элементов и других радиокомпонентов из-за изменения темпе-

ратур в результате их старения, а также при изменении напряжения питания

11

схемы. Из-за этих факторов происходят изменения напряжений на электро-

дах, эти изменения усиливаются и поступают на выход.

В результате при отсутствии напряжения сигнала на входе усилителя на его выходе появляется напряжение, включающее медленно изменяющую-

ся постоянную составляющую Uдр.п и беспорядочные отклонения от нее ко-

лебания напряжения дрейфа Uдр.п. Постоянная составляющая напряжения обусловлена нагревом усилительных элементов при работе усилителя, их старением. Колебания напряжения дрейфа Uдр.к. от его среднего значения оп-

ределяются колебаниями напряжения питания и шумами. В УПТ дрейф нуля

— очень вредное явление в связи с тем, что он неразличим от усиливаемого полезного сигнала, искажает его и может недопустимо изменить режим рабо-

ты усилителя.

При разработке УПТ необходимо определение допустимой величины дрейфа. Для определения величины дрейфа накоротко замыкают вход усили-

теля и измеряют изменение выходного напряжения за выбранный промежу-

ток времени. Для неискаженного усиления приведенные ко входу ток или напряжение дрейфа должны быть меньше минимального расчетного тока или напряжения входного сигнала, при этом допустимая нестабильность опреде-

ляется по первому каскаду, в котором сигнал входа минимален.

Экспериментально установлено, что изменение температуры переходов транзисторов на 100С из-за его прогрева или изменения температуры окру-

жающей среды в обычном резисторном каскаде вызывает ко входу транзи-

стора напряжения дрейфа порядка 20мВ, дрейф такого же порядка вызывает-

ся и изменением напряжения источника питания каскада на 1-2В. В лампо-

вых УПТ дрейф нуля определяется изменением напряжений источника анод-

ного питания, изменение его на 10% вызывает приведенное ко входной цепи каскада напряжение дрейфа порядка 0,1-0,2В, такой же порядок имеет на-

пряжение дрейфа при изменении напряжения накала ламп с оксидным като-

дом на 10-15%.

12

Абсолютное значение дрейфа нуля для каждого каскада можно опреде-

лить согласно схеме (рис. 1.4.), где дрейф каждого каскада представлен в ви-

де эквивалентной ЭДС, действующей на входе идеального усилителя с коэф-

фициентом усиления Кi . Эту ЭДС обычно называют приведенным дрейфом.

Рис 1.4. Схема определения дрейфа нуля для каждого каскада операционного усилителя

Под приведенным дрейфом нуля усилителя (каскада) понимают такое эквивалентное напряжение, действующее на его входе, как и действие внеш-

них дестабилизирующих факторов.

Величину приведенного дрейфа одиночного каскада можно определить следующим образом:

ление.

Если входное напряжение усилителя равно нулю, то суммарное напря-

жение выходного дрейфа будет равно:

где К1, К2, К3 - коэффициенты усиления по напряжению соответст-

венно 1го ,2го ,3го каскадов.

Для приведенного выражения справедливо неравенство:

13

Если принять, что приведенное напряжение дрейфа U др для всех кас-

кадов одинаково, то из выражения (1.5) можно сделать вывод, что макси-

мальное влияние на дрейф выходного напряжения усилителя оказывает его первый каскад. Физически это очевидно, так как дрейф первого каскада дей-

ствует непосредственно на входе усилителя и воспринимается как изменение входного сигнала. Поэтому в усилителях постоянного тока в первую очередь необходимо максимально увеличивать коэффициент усиления первого кас-

када 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 не-

возможно выяснить, какая часть сигнала обусловлена изменением входной информации, а какая обусловлена дрейфом усилителя. Следовательно, с точ-

ки зрения уменьшения искажения входного сигнала необходимо стремиться к тому, чтобы полезная составляющая этого сигнала всегда была существен-

но больше составляющей приведенного дрейфа.

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

1)уменьшение величины влияющих на усилитель внешних деста-

билизирующих факторов;

2) снижение чувствительности усилителя к воздействию внешних дестабилизирующих факторов.

В схемах УПТ применяется чередование транзисторов p-n-p и n-p-n для обеспечения согласования уровней напряжения соединяемых каскадов. В

эмиттерную цепь первого транзистора включен стабилитрон для увеличения коэффициента усиления по напряжению. Отрицательная обратная связь на резисторах Rос и R1 обеспечивает стабилизацию режимов работы транзисто-

ров в УПТ(рис 1.5).

14

входных напряжений Uвх1 и Uвх2 происходит нарушение баланса моста, что вызывает появление выходного напряжения Uвых, пропорционального разба-

лансу.

Если элементы схемы (рис.1.6) полностью идентичны, выходное на-

пряжение не изменяется под действием различных дестабилизирующих фак-

торов, так как

и если мост сбалансирован, т.е.

Если параметры транзисторов идентичны, то изменение температуры приведет к одинаковым изменениям коллекторных токов обоих транзисто-

ров. В результате абсолютное значение выходного напряжения остается не-

изменным.

При анализе работы дифференциального усилителя, кроме дифферен-

циального 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 син-

фазного сигнала, у которого Uвх1=Uвх2, разность Uвх1 и Uвх2 равна нулю и на-

пряжение на выходе между точками 3 и 4 равно нулю. Эта особенность диф-

ференциального каскада подавлять синфазный сигнал является важным пре-

имуществом по сравнению с другими каскадами, т.к. в основном помехи

16

представляют синфазный сигнал, также как и напряжение дрейфа обоих его плеч, а поэтому дифференциальный каскад способен их сильно подавлять.

Рис.1.6. Схема дифференциального усилительного каскада:

а - схема подачи и съема напряжения с усилительного каскада,

б - эквивалентная мостовая схема дифференциального усилителя

Дифференциальный усилительный каскад выполнен на биполярных транзисторах VT1 и VT2 n-p-n типа, сопротивления резисторов в цепи кол-

лекторов Rк1 Rк2 . В цепь баз транзисторов, представляющие несиммет-

ричные входы подаются два источника сигнала Uвх1 и Uвх2, приемник сигна-

ла, сопротивление нагрузки Rн, включается между коллекторами транзисто-

ров — симметричный выход.

Рассмотрим режим работы дифференциального каскада, когда

0, т.е. при коротком замыкании входов (режим покоя). В этом

случае напряжения Uбэn на p-n переходе между базой и эмиттером транзисто-

ров одинаковы и поэтому их режимы будут мало отличаться. Если под дей-

ствием таких факторов как нагрев, изменения напряжения питания возрастут токи эмиттера Iэ1п и Iэ2п , а 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

17

Rэ увеличится, поэтому эмиттерные токи уменьшатся, в связи с этим умень-

шатся и коллекторные токи. Таким образом напряжение на сопротивлении Rн не будет изменяться Uвых.п Rк1 Iк1п Rк2 Iк2п , т.е. будет стабилизиро-

вано. Любые одинаковые изменения напряжения в одноименных плечах каскада не изменяют напряжения Uвыхп , т.е. дрейф нуля.

Свойства дифференциального каскада зависят от способа подачи сиг-

налов на его вход и способа снятия сигнала с выхода. (рис.1.6, а)

1.4. 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 сиг-

нал).

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 сигнал);

3вых. между точками 0 и 4 (несимметричный выходной сигнал).

1.4.1. Симметричный вход и симметричный выход

Для дифференциального симметричного сигнала (для полной симмет-

рии средняя точка генератора должна быть заземлена) ДУ представляет со-

бой два каскада ОЭ, объединенных общим сопротивлением Rэ. При симмет-

ричной подаче полезного сигнала Uвхд на входы 1 и 2, сигналы распреде-

18

ляются поровну между этими входами, поэтому можно считать, что на вход 1

При приложении симметричного сигнала Uвх между входами тран-

зисторов VT1 и VT2 входные напряжения получают одинаковые приращения разных полярностей в результате ток коллектора одного транзистора увели-

чивается на Ik , а другого уменьшится на столько же. При этом результи-

рующий 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)можно представить в виде двух каскадов ДУ с ОЭ(рис.1.7,б)

в)

Рис. 1.7. Дифференциальный усилительный каскад:

а – схема при симметричном входе,

б – схема эквивалентного преобразования,

в - эквивалентная схема одной половины дифференциального каскада.

19