Фриск том 2

-электронных (магнитных, феррорезонансных) стабилизаторов, для стабилизации питающих напряжений входных каскадов.

-термостатирования транзисторных усилителей (возможно с одновременной стабилизацией).

Применение схем термокомпенсации предполагает:

-введение температурно-зависимых линейных или нелинейных резисторов в эмиттерные (истоковые) или базовые цепи. Терморезисторы с различным знаком ТКR можно использовать в качестве одного из резисторов базового делителя или как часть резистора в цепи эмиттера. В микросхемах наибольшее распространение получило применение в качестве термозависимого элемента прямосмещенный диод (стабилитрон) или транзистор в диодном включении (рис.2.45)

Рис.2.45

Благодаря диоду или транзистору в базовой цепи создается дополнительный источник напряжения U БЭ (транзистор VT1), зависящий от температуры, по своим характеристикам аналогичный источнику нестабильности U БЭ (транзистор VT2). Результатом является уменьшение нестабильности коллекторного тока транзистора VT2. При R1>>R2 и надежном тепловом контакте между транзистором VT2 и термокомпенсирующим диодом (транзистор VT1) это влияние может быть полностью скомпенсированным.

Применение транзистора в диодном включении значительно снижает чувствительность тока коллектора VT1 к изменению питающих напряжений. При R2=0 схема вырождается в схему “токового зеркала”, широко применяемого в аналоговой схемотехнике.

Терморезисторы находят ограниченное применение из-за сложности подбора с достаточной точностью закона изменения напряжения на его выводах от температуры (сопротивления) совпадающего с законом изменения напряжения на базе транзистора. Другим аспектом этих ограничений является отсутствие технологических возможностей реализовать это в ИМС, использующих монолитную подложку.

Глубокая общая отрицательная обратная связь широко используется в УПТ для уменьшения дрейфа и стабилизации усиления. Напряжение ОС по постоянному току вводится на каждый транзистор в противофазе с выходным напряжением, что снижает собственный дрейф каждого транзистора. Однако дрейф нуля всего усилителя оказывается близок по величине к дрейфу одного каскада усилителя, охваченного местной ОС. Это обусловлено тем, что на транзистор отдельных каскадов может воздействовать усиленные дрейфы как предшествующих, так и последующих каскадов, что усложняет борьбу с дрейфом. Введение глубокой ООС в многокаскадных усилителях делает актуальной проблему устойчивости. Значит, для сохранения устойчивости необходимо принимать дополнительные меры, что усложняет конструкцию. Кроме того, введение глубокой ООС уменьшает коэффициент усиления на один каскад, то есть требует увеличения общего числа усилительных каскадов.

Использование балансных (мостовых) схем в УПТ значительно снижает уровень дрейфа напряжения (тока) обусловленного синфазными воздействиями от источников

270

различной природы (изменением напряжения питания, температуры окружающей среды, старением АЭ). Наибольшее распространение в аналоговых схемах, выполненных по дискретной и интегральной технологии, получил параллельный балансный (дифференциальный) усилитель, обладающий свойством подавления синфазных помех, дающий возможность каскадного включения усилителей и симметрирования плеч балансных схем. Основной составной его частью является эмиттерно-связанная пара транзисторов VT1 и VT2 с идентичными характеристиками. На базе этой конфигурации, являющей основной частью УПТ, так же реализуются устройства функционального преобразования, перемножения сигналов. При этом дифференциальные усилители (ДУ) могут строиться с параллельным питанием от двух (рис.2.1, 2.2) или от одного (рис.2.46) источников.

Рис.2.46

Дифференциальный усилитель имеет два входа и предназначен для получения напряже-

ния на выходе Uвых , пропорционального разности потенциалов на его входах | U вх1 –

U вх2|.

В зависимости от назначения чаще всего используются следующие схемы включения ДУ:

•с симметричным входом и выходом (рис.2.46, выходное напряжение снимается между точками 3 – 4).Такой ДУ используется как входной в ОУ или как промежуточный в трехкаскадных УПТ или ОУ.

•с симметричным входом и несимметричным выходом (выходное напряжение снимается между точками 3 (или 4) и общей шиной – “землей”). Такой ДУ применяется как промежуточный в ОУ или УПТ и др.

•с несимметричным входом и симметричным выходом (напряжение U вх 1 (или U вх 2)) подается на один из входов ДУ, а выходное напряжение снимается между точками 3 — 4).

Такой ДУ может применяться как входной в УПТ или ОУ.

•с несимметричны входом и выходом (напряжение U вх 1 (или U вх 2)) подается на один из входов ДУ, а выходное напряжение снимается между точками 3 (или 4) и “землей”. Такой ДУ используется в качестве первого каскада простых двухкаскадных ОУ. При этом часто одно из плеч ДУ применяет включение БТ с ОК (например, R2 ≈ 0).

При использовании дифференциальных усилителей на БТ в качестве входных каскадов в составе ИС, обычно требуется обеспечить низкий уровень шума, высокое входное сопротивление, малое значение входного тока. Это реализуется выбором режима работы БТ с малыми коллекторными токами (порядка 0,1…. 1 мА) или применением ПТ.

Характерной особенностью ДУ является его нечувствительность к синфазному сигналу,

т.е. когда напряжения U вх1 и U вх2 совпадают по амплитуде и фазе (полярности). Используемые в качестве нагрузки резисторы R1 и R2, обладающие равными сопротивлениями,

ивыходные цепи идентичных транзисторов VT1 и VT2 образуют сбалансированный

мост с диагональю между точками 3 и 4. Через резистор R э протекает суммарный ток I э1 + I э2 , создавая напряжение U Rэ = (I э1 + I э2) R э последовательной по току отрицательной ОС. Усиливаемый сигнал обычно подается в другую диагональ моста – между базовыми выводами транзисторов (выводы 1 и 2). При этом оба вывода изолированы от общего провода либо используется один источник сигнала с симметричным выходом. Для сбалансированного моста и отсутствии сигнала на входе коллекторные токи I к1 = I к2 и напряжения

271

U кэ1 = U кэ2 и выходное напряжение (между точками 3 – 4) Uвых = U кэ1 — U кэ2 = 0. Воздействие дестабилизирующих факторов, например, наводки по цепи питания, изменение

температуры внешней среды, приводит к одинаковому изменению коллекторных токов и напряжений транзисторов. В результате выходное напряжение Uвых = 0, что указывает на отсутствие дрейфа — подавление синфазных электрических помех, вне зависимости от природы и источника их появления.

Практически дрейф полностью не исчезает, в основном из-за разброса параметров транзисторов ДУ, вызывающего некоторую асимметрию плеч моста.

Напряжение на резисторе R э определяет глубину последовательной ООС по току в режиме покоя, уменьшая в такое же число раз, коэффициент усиления ДУ. С ростом величины сопротивления увеличивается и глубина ООС, повышая стабильность показателей ДУ. Обычно в ДУ используют два источника питания Е+ и Е- относительно земли. Наличие второго источника питания позволяет подавать сигналы на входы ДУ, не применяя дополнительные источники компенсирующих напряжений (рис.2.42). При питании от одного источника базовые выводы транзисторов подключены к источникам с ненулевым значением постоянных потенциалов (к делителю напряжения). Симметрия схемы в этом случае достигается выравниванием напряжений на базах транзисторов (относительно земли) U б01= U б02 путем подбора сопротивлений в резистивных делителях. Возникновение разности потенциалов U0 = U б01 — U б02 не приводит к заметным изменениям тока через резистор R э, но вызывает перераспределение токов между ветвями схемы. В результате, ток коллектора одного транзистора возрастает, а другого уменьшается, что снижает подавление синфазного сигнала.

При несимметричном выходе напряжение усиленного сигнала снимают с выводов 3 — 0 (“земля“) или 4 – 0 (рис.2.46). Такая схема ДУ используется в УПТ при работе на несимметричную нагрузку.

Рис.2.47

Для сохранения в ДУ свойства подавления синфазного сигнала при несимметричном выходе целесообразно увеличивать значение R э, увеличивая глубину ООС. Однако, высокие требования к подавлению синфазной составляющей входного сигнала (60 80 дБ) не могут быть обеспечены только увеличением резистора R э в эмиттерной цепи базовой схемы (рис.2.1) ДУ. Причиной этого является необходимость применения источников питания с неприемлемо высоким напряжением, для рекомендуемых режимов транзисторов по постоянному току.

Коэффициент усиления синфазного сигнала ДУ с симметричным входом и несиммет-

ричным выходом Кс = U вых1 / U вх = U вых2 / U вх, U вх1 = U вх2 = U вх. Поскольку в ДУ действует ООС, то

где R = R1 = R2 – cопротивление нагрузки каскада по переменному току,

входное сопротивление ДУ при одинаковых транзисторах в ДУ и синфазном воздействии при условии, что коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ h12 = 0 и R н << R вых оэ ( h11э − входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с ОЭ).

272

При противофазном входном воздействии (рис.2.46), когда |U вх1| = |U вх2|, а фазы противоположны, то баланс моста нарушается. Если, например, потенциал базы транзистора VT1 относительно корпуса увеличивается, то потенциал базы VT2 уменьшается. Это приводит к одинаковым по знаку, но противоположным по знаку изменениям коллекторных токов I к1 и I к2. Потенциалы коллекторов транзисторов VT1 и VT2 так же изменяются на равную величину: потенциал коллектора VT1 уменьшается, а VT2 – возрастает. Вследствие этого, между коллекторами транзисторов VT1 и VT2 возникает разность потенциа-

резисторе R э напряжения ООС, поэтому коэффициент усиления будет равен коэффициенту усиления по напряжению одного плеча ДУ без ООС, нагруженного на сопротивление Rн≈ = R 0,5Rн /(R + 0,5Rн) , где R = R1 = R2 . Тогда, в соответствие с выражением для коэффициента усиления резисторного каскада в области средних частот,

Степень ослабления синфазного сигнала в ДУ оценивается коэффициентом ослабления

Cоотношение (2.6) показывает, что при выбранном режиме работы транзисторов, степень подавления синфазного сигнала определяется величиной сопротивления резистора Rэ. То есть при синфазном воздействии сильной помехи, например, пульсации напряжения источника питания, в выходном сигнале ее уровень будет значительно снижен (на глубину ООС, создаваемой Rэ).

Включение ДУ в УПТ с несимметричным входом и выходом (рис.2.48, используется Uвых2), при этом вход транзистора VT2 (база) по переменному току может быть заземлен.

Рис.2.48

При такой конфигурации схемы ДУ каскад на транзисторе VT1 является каскадом с разделенной нагрузкой, а каскад на транзисторе VT2 включен по схеме с ОБ.

Если выход симметричный (снимается усиленное напряжение Uвых), то ДУ представляет собой инверсный каскад с эмиттерной связью; при этом каскад на VT1 представляет собой каскад с разделенной нагрузкой. Каскад на транзисторе VT2 является каскадом с ОБ. Напряжение ООС, действующее на Rэ , обусловлено разностью токов эмиттеров I э1 и I э2 вследствие асимметрии схемы ДУ, который оценивается коэффициентом асимметрии

273

Снижение асимметрии добиваются увеличением резистора Rэ, т.е. увеличением глубины ООС.

Как видно из рассмотрения свойств ДУ, обычно входящего в УПТ, повышение стабильности показателей, снижение дрейфа, уменьшение асимметрии увеличивается с ростом сопротивления в цепи эмиттера, определяющего глубину ООС. Включение в цепь эмиттерной связи БТ, который по своим свойствам близок к идеальному генератору тока, обладающему бесконечно большим сопротивлением, позволяет значительно увеличить сопротивление ООС (генератор стабильного тока ГСТ, рис.2.3) . Реальное значение внутреннего сопротивления БТ составляет величину от 50 кОм до 100 кОм, что определяется наклоном выходных характеристик транзистора. При этом сопротивление БТ (Q2) по сигналу, определяемое его динамической нагрузкой (транзисторы Q1,Q3 в активном режиме) оказывается незначительным. Генератор стабильного тока по существу является стабилизированным по постоянному току каскадом, в котором транзистор Q2 включен по схеме с ОЭ. Делитель напряжения, состоящий из R3, R4 и диода D1, задает потенциал на базе транзистора Q2. Применение делителя в нижнем плече делителя напряжения обеспечивает температурную компенсацию. Разность потенциалов на диоде падает с ростом температуры точно так же, как разность потенциалов между базой и эмиттером. Такое включение диода и транзистора обеспечивает поддержание постоянного значения тока транзистора при изменении температуры. В ИМС роль диода играет точно такой же открытый переход база-эмиттер (рис.2.4), что приводит к идеальному отслеживанию температурных изменений; такую схему называют токовым зеркалом.

На базе ДУ можно реализовать усилитель, управляемый напряжением. Поскольку коэффициент усиления ДУ определяется суммарным током эмиттеров (h21э), а при симметричном выходе, результирующие изменения напряжения покоя одинаковы на коллекторах обоих транзисторов, то можно управлять усилением ДУ, изменяя суммарный ток эмиттеров. В этом случае, изменяя напряжение на базе транзистора ГСТ (U упр), получаем сигнал на симметричном выходе ДУ пропорциональный произведению U вх1 и U упр. На этом принципе действует аналоговый перемножитель с изменяемой крутизной (схема Гильберта).

8 Список литературы

1.Амелин М.А., Амелина С.А. Программа схемотехнического моделирования MicroCap8. М.: Горячая линия -Телеком, 2007. – 464 с.

2.Усилительные устройства / под ред. Головина О.В. М.: Радио и связь, 1993. — 353

с.

3.Фриск В. В., Логвинов В. В. Основы теории цепей, основы схемотехники, радиоприемные устройства. Лабораторный практикум на персональном компьютере. – М.: СО-

ЛОН-ПРЕСС, 2008. – 608 с.

4.Павлов В.Г., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. М.: Ра-

дио и связь, 1997. – 367 с.

5.Интегральные микросхемы: Справочник/ Б.В. Тарабрин, Л.Ф. Лунин и др.; Под ред Б.В. Тарабрина. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 528 с.

6.Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник/ К.М. Брежне-

ва,Е.И.Гантман, и др., Под ред. Е.Л. Перельмана. – М.: РиС, 1992. — 656 с.

7. Разевиг В.Д. Применение программ P-CAD и PSpiсe для схемотехнического моделирования на ПЭВМ, в 4-х вып. М.: Радио и связь, 1992.

274

Лабораторная работа №4

ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ НА ИМС

С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

1 Цель работы

Изучение свойств двухкаскадного резистивного усилителя, реализованного на интегральной микросхеме (ИМС) и, охваченного цепями внутренней или внешней, местной или общей, частотно — зависимой или частотно — независимой отрицательной обратной связью; исследование частотных характеристик усилителя при различных способах организации ОС с использованием системы схемотехнического моделирования МС9.

2Задание

2.1Расчетная часть

Рассчитать глубину обратной связи в области средних частот, организованной в двухкаскадном усилителе на ИМС за счет цепи:

2.1.1общей внешней частотно-независимой обратной связи;

2.1.2местной внутренней частотно-независимой обратной связи во втором каскаде;

2.1.3местной внутренней частотно-независимой обратной связи в первом каскаде;

2.1.4общей внутренней частотно-независимой обратной связи;

Вариант расчетной части задается преподавателем

2.2 Экспериментальная часть

Для модели принципиальной схемы двухкаскадного усилителя, с выбранным вариантом организации цепи обратной связи, используя систему схемотехнического моделирования МС9:

2.2.1определить режимы транзисторов по постоянному току;

2.2.2рассчитать сквозную амплитудно-частотную характеристику усилителя; определить коэффициент усиления и нижнюю и верхнюю граничную частоту при М = 3 дБ;

2.2.3оценить температурную стабильность коэффициента усиления;

2.2.4исследовать свойства усилителя во временной области;

2.2.5определить величину входного сопротивления усилителя;

2.2.6исследовать устойчивость усилителя с общей обратной связью; определить глубину обратной связи.

3 Описание принципиальной схемы усилителя

В зависимости от варианта организации обратной связи принципиальная схема двухкаскадного усилителя может выглядеть по-разному. В лабораторной работе будет исследоваться усилитель (рис.4.1), обладающий общей частотно-независимой обратной связью, когда роль цепи (обратной связи) ОС выполняет двухполюсник — резистор R9.

275

Например, библиотека диодов, транзисторов, ОУ в отличие от МС8 теперь сформирована

в текстовом файле (рис.4.3.4) в папке (рис.4.3.5).

После загрузки файла C:\MC9DEMO\data\VУнчИМС.CIR, в центральном окне редактора должна появиться (рис.4.4) принципиальная схема усилителя (если она была ранее записана в эту папку).

Рис.4.4

Следует убедиться в соответствии параметров компонентов вызванной схемы и, приведенных в описании.

Если полученные методические материалы не содержат дискету с файлом принципиальной схемы усилителя, то ее следует ввести самостоятельно, выбрав режим FILE в меню главного окна (рис.4.2), которое представлено командами: File, Edit, Components,

(каталог содержит более 100 аналоговых и цифровых компонентов). Каталог команды

278

Components можно редактировать, создавая новые разделы иерархии и вводить в них новые компоненты (например, транзисторы отечественного производства).

Меню Analysis предлагает виды анализа введенной принципиальной схемы.

Меню Help позволяет обратиться к встроенному файлу помощи и оценить, на предлагаемых примерах, возможности программы.

Создание принципиальной схемы усилителя

При отсутствии в папке (рис.4.3.3) принципиальной схемы исследуемого усилителя необходимо ввести компоненты принципиальной схемы, находясь в окне схем.

Ввод резисторов

Создание принципиальной схемы начинается с выбора курсором пиктограммы компонента принципиальной схемы на строке основных компонентов (рис.4.2) и нажатием ле-

Перемещение компонента на экране производится при нажатой левой кнопке, а при необходимости изменить положение компонента, щелкают правой кнопкой при нажатой левой кнопке. При отпускании левой кнопки местоположение компонента фиксируется и

в окне (рис.4.3.7) ниспадающего меню (рис.4.5) появляется

название компонента и предложение (рис.4.3.8) присвоить ему позиционное обозначение (например, R1) с возможностью указывать его на принципиальной схеме.

PART — предлагаемое позиционное обозначение может быть изменено на любое другое

при активизации указанной строки левой кнопкой мыши.

Рис.4.5

RESISTANCE — величина компонента или его величина и температурный коэффициент (ТС) изменения сопротивления в модели резистора при изменении температуры.

279