4.6. Повторители напряжения

Эмиттерный повторитель (рис. 4.16б) является усилителем с последовательной ООС по напряжению (т.к. при ). В данном случае, т.е.. Так как ток базы на порядок меньше коллекторного токабудем считать, что. Тогда напряжение на выходе эмиттерного повторителя запишем как

,

,

. (4.21)

Из (4.21) видим, что коэффициент усиления эмиттерного повторителя по напряжению меньше единицы, а выходное напряжение находится в фазе с входным напряжением, т. е. повторяет его поскольку ивеличины положительные.

Рассмотрим истоковый повторитель. Как видно из рис. 4.17а, он представляет собой каскад на полевом транзисторе с общим истоком. На основании предположения, что разделительные и блокировочная емкости даже на самой низкой частоте усиливаемого сигнала имеют пренебрежимо малое сопротивление, принципиальную схему (рис. 4.17а) преобразуем к виду, показанному на рис. 4.17б. Заменив в схеме рис. 4.17б полевой транзистор его эквивалентной схемой (рис. 3.15), переходим к эквивалентной схеме режима колебаний, представленной на рис. 4.17в.

Для этой схемы с учетом того, что

u_ЗИ= u_З – u_И = u_ВХ – u_ВЫХ, (4.22)

записываем уравнение для правого узла

.

После перестановки имеем:

,

откуда получаем формулу, определяющую коэффициент передачи сигнала по напряжению

.

(4.23)

Эта формула показывает, что в рассматриваемой схеме сигнал не инвертируется, а величина коэффициента передачи напряжения k не превышает единицу, приближаясь к ней при сравнительно больших значениях крутизны S ВАХ ЭП. Причиной тому, что k<1, является присущая каскаду отрицательная обратная связь, выраженная уже в исходном соотношении (4.22), определяющем напряжение, управляющее током транзистора. Поскольку для всех каскадов с общим коллекторным электродом величина коэффициента передачи напряжения k близка к единице, их называют повторителями.

Рис. 4.17. Каскад на полевом транзисторе с общим стоком (истоковый повторитель): а) принципиальная схема, б) промежуточные эквивалентные схемы, в) окончательная эквивалентная схема для определения k, г), д) эквивалентные схемы для определения R_ВЫХ.К

Из схемы рис. 4.17в очевидно, что входное сопротивление каскада, равно

R_ВХ.К = R_З. (4.24)

Выходное сопротивление каскада R_ВЫХ.К определяют отношением R_ВЫХ.К = u_ВЫХ/i_ВЫХ , полагая, что u_ВХ= 0, а к выходу каскада подключен источник напряжения u_ВЫХ. Используя эквивалентные преобразования схемы рис. 4.17, представленные на рис. 4.17г и рис. 4.17д, находим выходной ток

i_ВЫХ =( G_ВН + G_И+ S) u_ВЫХ.

Отсюда следует, что у рассмотренного повторителя

.

(4.25а)

Если S >> G_ВН + G_И, тогда

RВЫХ.К 1/ S.

(4.25б)

Последние соотношения показывают, что в сравнении с каскадом с общим инжекторным электродом повторители обладают низким выходным сопротивлением. Причиной этого свойства каскада является указанная выше отрицательная обратная связь.

4.7. Усилители постоянного тока

Во многих случаях применения радиоэлектронных устройств приходится иметь дело с сигналами, частоты которых близки к нулю. Например, в автоматических системах управления, при исследовании медленно протекающих процессов в физике, биологии и медицине. Для усиления медленно меняющихся во времени сигналов применяют усилители постоянного тока (УПТ).

УПТ присущ дрейф нуля – самопроизвольное появление медленно изменяющегося сигнала на выходе при отсутствии входного сигнала. Дрейф нуля практически отсутствует в схемах УПТ построенных на принципах балансного моста и называемых дифференциальными усилителями.

Схема симметричного дифференциального усилителя (ДУ) показана на рис. 4.18. Дифференциальные усилители строятся по принципу балансного моста, плечи которого образуют с транзистором VT1 и резисторс транзистором VT2. В одну диагональ моста подведено напряжение от источника питания, а в другую диагональ включен резистор нагрузки. В ДУ подбирают пару транзисторов со строго идентичными характеристиками, устанавливают одинаковыми их режимы,,тоже выбирают одинаковыми. На резисторесоздается падение напряжения за счет эмиттерных токов транзисторов, которое является напряжением отрицательной обратной связи.

Симметричный дифференциальный усилитель имеет два входа (причем ) и один диагональный выход. Поэтому в этом случае выходное напряжение равно

, (4.26)

где ,– коэффициенты усиления каскадов на транзисторе VT1 и VT2 соответственно.

Рис. 4.18. Схемы симметричного дифференциального усилителя

При разностном входном сигнале напряжения на входах ДУ коллекторные токи имеют приращения противоположных знаков. Поэтому приращения эмиттерных токов также будут иметь противоположные знаки. В результате этого на резисторе образуется приращение напряжения

.

Если каскады усилителей на транзисторе VT1 и VT2 обладают одинаковыми параметрами, то и. Поэтому для разностного входного сигнала каждое плечо ДУ можно представить как усилитель на резисторах с общим эмиттером (рис. 4.19а) с коэффициентом усиления

, (4.27)

где –крутизна проходной ВАХ транзистора, – сопротивление резистора в цепи коллектора.

Качество работы ДУ характеризуется коэффициентом усиления разностного сигнала. Согласно (4.26) коэффициент усиления ДУ разностного сигнала при идентичности плеч и с учетом того, что, равен

. (4.28)

Дестабилизирующие факторы, например, такие, как изменение температуры, напряжения питания, порождают напряжения, которые действуют на оба входа в фазе. Такие сигналы называют синфазными (). При синфазном входном сигнале приращения напряжений на входах ДУ имеют одинаковые знаки, и, следовательно, приращения эмиттерных токов также будут иметь одинаковые знаки. В результате этого на резистореобразуется приращение напряжения

,

которое в случае идентичности усилительных каскадов на транзисторе VT1 и VT2 будет равным . Поэтому для синфазного входного сигнала каждое плечо ДУ представляет усилитель, охваченный отрицательной обратной связью (ООС) с коэффициентом обратной связи(рис. 4.19б).

а) б)

Рис. 4.19. Схемы, представляющие одно плечо симметричного

дифференциального усилителя:

а) для разностного входного сигнала,

б) для синфазного входного сигнала

Коэффициент передачи усилителя с ООС определяется выражением

Так как , то коэффициент усиления синфазного сигнала одного плеча ДУ равен

.

Степень компенсации дрейфа нуля ДУ характеризуют коэффициентом ослабления синфазного сигнала

.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала одного плеча ДУ

. (4.29)

_{Из анализа формулы (4.29) можно видеть, что синфазный сигнал будет подавляться тем сильнее, чем больше} . Поэтому, вместо в интегральных схемах ДУ применяют источник тока. Для примера на рис. 4.20 показана схема ДУ с источником тока, который выполнен на транзисторе VT3. Применение источника тока для синфазных сигналов обеспечивает постоянство , т.е.и высокое дифференциальное сопротивление, практически, при этом, согласно (4.29),. Так как, согласно (4.26), коэффициент усиления синфазного сигнала ДУ равен разностии

_,

то в качественных ДУ достигает 80-120 дБ.

ДУ на дискретных элементах даже при тщательном подборе транзисторов имеет значительно худшие температурные параметры, чем ДУ в интегральном исполнении. Если у одиночного биполярного транзистора температурный дрейф составляет 2,5 мВ/К, то у современных ДУ в интегральном исполнении – 1-10 мкВ/К.

Рис. 4.20. Дифференциальный усилитель с высоким

В интегральных схемах (ИС) резисторы и транзисторы изготавливаются в одних технологических условиях, поэтому имеют близкие параметры. Кроме того, они находятся настолько близко друг к другу, что при изменении окружающей температуры и разогреве ИС протекающими токами их температура почти одинакова.