Skhemotekhnika_PE

91

6.1 УПТ прямого усиления

УПТ с мостовым включением нагрузки и источника сигнала приведен на рис. 6.1.

Рис. 6.1

Переменный резистор RП служит для подстройки баланса моста, обра- зованного RК, УЭ и RЭ, R2 и RП/, RП// и R2, в диагональ которого включена на-

грузка RН. В сбалансированном мосте IН = 0 при еГ = 0. Эта подстройка но-

ходное сопротивление транзистора с ОС для постоянного тока.

Принцип работы УПТ основан на том, что под действием входного сигнала изменяется сопротивление УЭ по постоянному току, т.е. изменяется RII. Баланс моста нарушается и в цепи нагрузки возникает ток.

Недостатки УПТ прямого усиления:

а) малый коэффициент усиления (УПТ однокаскадный); б) зависимость напряжения смещения от внутреннего сопротивления

источника сигнала RГ;

в) отсутствие общей точки у входных 1 – 1 и выходных 2 – 2 клемм, что увеличивает уровень помех.

Для устранения этих недостатков применяют мостовую схему на вхо- де и несколько каскадов усиления.

92

6.2 Многокаскадные УПТ

Рассмотрим принципиальную схему двухкаскадного УПТ с мостовым включением нагрузки и источника сигнала и непосредственной межкаскад- ной связью (рис. 6.2).

Рис. 6.2

Режим работы транзистора VT2 в этом УПТ не зависит от значения или изменения внутреннего сопротивления источника сигнала RГ, т.к. на входе УПТ применена мостовая схема, а источник сигнала включен в диа- гональ сбалансированного моста. В усилителях на VT1 и VT2 используется эмиттерная стабилизация режима покоя. Способ непосредственной связи между каскадами требует включения резистора RК1, через который подается напряжение питания на коллектор VT1 и организуется базовое смещение для VT2. Через RК1 протекают токи IК1.П и IБ2.П. Одним из недостатков схемы является то, что из-за большой разницы напряжений UКЭ1.П и UБЭ2.П прихо- дится для компенсации большого UКЭ1.П увеличивать напряжение в цепи эмиттера URЭ2.П.

UБЭ2.П = UКЭ1.П + URЭ1.П – URЭ2.П,

RЭ велико, оно является сопротивлением цепи ОС, поэтому KU второго кас- када уменьшается.

Для организации смещения UБЭ2.П приходится обеспечивать > URЭ1.П. Это приводит двум негативным последствиям. Во-первых, при неизменном ЕК и режимах покоя VT1 и VT2 сопротивление RК2 прихо-

дится брать меньшим RК1 (сопротивление RК1 с транзистором VT1 и сопро- тивление RЭ1 образуют базовый делитель для VT2). Это увеличивает вход- ное сопротивление каскада на VT2 и уменьшает его коэффициент усиления. Во-вторых, увеличение URЭ2.П достигается за счет увеличения RЭ2, что при- водит к дополнительному снижению KU из-за действия ООС. Поэтому соз-

93

дать такой УПТ с числом каскадов больше трех не удается из-за заметного снижения KU последующих каскадов.

В УПТ с включением нагрузки в диагональ моста есть существенный недостаток: отсутствует общая точка для входной и выходной цепи. От это- го недостатка свободны УПТ с резистивной межкаскадной связью.

Главный недостаток всех подобных УПТ является нестабильность выходного напряжения в отсутствии входного сигнала, называемая дрей- фом нуля.

6.3 Дрейф нуля УПТ

Дрейф нуля – смещение нулевого положения выходного напряжения при отсутствии входного сигнала, возникает в УПТ из-за изменения пара- метров УЭ при изменении температуры, изменении напряжения питания схемы. В результате на выходе УПТ при отсутствии входного сигнала появ- ляется неконтролируемое напряжение, имеющее как медленно изменяю- щуюся постоянную составляющую UДР=, обусловленную температурным изменением параметров транзисторов, так и более быстрые отклонения UДР≈ из-за изменения напряжения питания.

Для УПТ дрейф нуля представляет собой очень вредное явление, т.к. в усилителях переменного тока UДР= не поступает в нагрузку благодаря кон- денсаторами фильтров или трансформаторам, а в УПТ составляющая дрей- фа поступает в нагрузку и не отличим от усиливаемых сигналов.

Для уменьшения дрейфа повышают стабильность питающего напря- жения, используют различные меры отвода тепла от транзисторов схемы: применение радиаторов, предварительный прогрев схемы и т.д. Из схемо- технических решений – введение ОС по температуре с помощью терморе- зисторов. Существенное уменьшение дрейфа нуля достигается в дифферен- циальном УПТ.

6.4 Дифференциальный УПТ

Для борьбы с дрейфом нуля применяют специальные схемы УПТ, так называемые дифференциальные (балансные) УПТ. Они построены по схеме четырехплечего моста (рис. 6.3).

Если мост сбалансирован, выполняется условие

R1 = R4 ,

R2 R3

то при изменении Е баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе RН ток равен нулю. С другой стороны, при пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R1, R2 или R3, R4 баланс моста также не наруша-

т.к. «сигнал» дрейфа является синфазным, одинаковым для обоих плеч кас- када.

Рис. 6.4

Пусть входные напряжения получат одинаковые приращения разных

В результате ток одного транзистора увеличивается на IК, а другого

– на IК уменьшится.

IК.1/ = IК.1 + IК; IК.2

При этом результирующий ток через резистор RЭ и падение напряже- ние на нем останется без изменений.

95

Если входное напряжение изменить только на одном входе, т.е.

UВХ.1/ = UВХ.1 + UВХ, то это приведет к изменению тока через VT1. Если бы VT2 отсутствовал, ток в его цепи изменился бы на 2 IК ( IК – приращение

тока от UВХ/2). При этом падения на RЭ увеличилось бы на URЭ/ = UВХ – UБЭ.1 ≈ 2 IК · RЭ. В действительности увеличение падения напряжения на RЭ приведет к уменьшению разности потенциалов UБЭ транзистора VT2 и ток его уменьшится, что уменьшит падение напряжения на RЭ. Потенциальная диаграмма для приращений напряжений приведена на рис. 6.5.

ливает разностный сигнал двух входов, причем токи обоих плеч меняются на одинаковую величину независимо от способа подачи входного сигнала. Это дает возможность при анализе ДУ рассматривать только одну его поло- вину, считая, что к входу ее приложена половина разности напряжений ме- жду входами, а RЭ = 0. Преобразованная схема имеет вид, показанный на рис. 6.6, не показаны сопротивления базовых делителей.

Рис. 6.6

Коэффициент усиления ДУ по напряжению на холостом ходу

96

Таким образом, в режиме холостого хода коэффициент усиления ДУ равен коэффициенту усиления каскада с ОЭ, идентичному одному плечу ДУ.

Выходное сопротивление каскада в два раза выше, чем у каскада с ОЭ

RВЫХ = 2 RК.

Входное дифференциальное сопротивление в два раза выше, чем у

каскада с ОЭ

RBX = DIUBX = 2 × h11.Э .

BX

При подключении сопротивления нагрузки RН коэффициент усиления уменьшается. Оценить влияние RН можно, представив выходную цепь ис- точником напряжения, с внутренним сопротивлением RВЫХ. При подключе- нии нагрузки на RН выделяется напряжение

Дифференциальное входное напряжение при сигналах UВХ.1, UВХ.2 не-

одинаковой полярности будет равно

UВХ = UВХ.1 – (– UВХ.2) = UВХ.1 + UВХ.2,

а дифференциальное выходное напряжение

UВЫХ = KU.Д · (UВХ.1 + UВХ.2).

При наличии двух синфазных входных сигналов дифференциальное выходное напряжение пропорционально разности UВХ.1 – UВХ.2

UВЫХ = KU.Д · (UВХ.1 – UВХ.2).

Найдем входное сопротивление каскада для синфазного сигнала. Схе- ма для такого сигнала показана на рис. 6.7. Схема замещения – на рис. 6.8.

100

используется в качестве диода. Ток IК.1 транзистора VT1 , протекающий че- рез транзистор VT3, создает падение напряжения UБЭ.3, определяющее на- пряжение UБЭ.4. Поскольку транзисторы VT3, VT4 близки по параметрам, ток IК4 будет близок к IК.1 (это свойство получило название токового зерка- ла). Выходной дифференциальный сигнал снимается с коллектора транзи- стора VT2. При еГ = 0схема находится в режиме покоя. Токи IК.1 = IК.2 = IК.4 ≈

≈ IЭ / 2. Ток IК.4 протекает через транзистор VT2; IН = 0, UВЫХ = 0. Предположим, что источник входного сигнала еГ имеет полярность,

показанную на рис. 6.12. Входной ток IВХ, протекающий под воздействием сигнала еГ, увеличивает ток IБ.1 и уменьшает ток IБ.2. Изменение базовых то-

IК.4 = IЭ / 2 + h21.Э · IВХ. При этом ток нагрузки IН = IК.4 – IК.2 = 2 h21.Э · IВХ. На- пряжение на выходе UВЫХ = 2 h21.Э · IВХ · RН. Подача входного напряжения

противоположной полярности вызывает изменение направления токов IВХ, IН и полярности напряжения UВЫХ.

Коэффициент усиления каскада по напряжению

При RГ = 0

K = h21.Э × RH .

U h11.Э

В многокаскадных УПТ RН является входным сопротивлением после- дующего каскада, величина которого с помощью средств современной схе- мотехники может быть обеспечена порядка нескольких сотен килом. По- этому коэффициент KU.Д в каскаде с динамической нагрузкой может дости- гать несколько сотен.

6.5 Усилители постоянного тока с преобразованием

Наименьшим дрейфом нуля из рассмотренных УПТ обладают ДУ. Однако, дрейф нуля отсутствует только при абсолютной идентичности плеч ДУ. Лучшие дифференциальные УПТ имеют дрейф нуля единицы мкВ/град.

В то же время возникает необходимость в измерении сверхмалых токов ≈ 1 нА и напряжений в единицы мкВ. В этом случае используются УПТ с преобразованием (УПТП). Они позволяют получить уровень дрейфа 10-2 – 10-1 мкВ/ 0С. В УПТП медленно изменяющийся сигнал преобразуется в переменный, изменение амплитуды которого повторяет изменение вход- ного сигнала. Затем производится усиление переменного сигнала и обрат- ное преобразование. Преобразование постоянного сигнала в переменный называется модуляцией, обратное преобразование – демодуляцией, поэтому