4.5 Дифференциальный усилительный каскад
Для стабилизации характеристик усилительных каскадов в последнее время, особенно при разработке интегральных микросхем, широкое распространение получили дифференциальные усилители. Особенность его схемотехнических решений позволила повысить стабильность параметров, увеличить при этом коэффициент усиления, подавить синфазные сигналы и температурные воздействия внешней среды.
Синфазными называются сигналы или помехи, воздействующие на разные входы устройства и имеющие одинаковую фазу (одну полярность).
Функционально дифференциальный усилительный каскад представляет собой мостовой усилитель, в состав которого входят два усилительных звена включенных параллельно по схеме с ОЭ.
Типовая схема дифференциального каскада на биполярных транзисторах приведена на рисунке 4.8. Элементы усилителя образуют мостовую схему (см. рисунок 4.9). Плечи моста – сопротивления в коллекторной цепи соответствующих активных элементов - RК1 , RК2 и непосредственно сопротивления самих транзисторов (нелинейные элементы) - VT1, VT2. В одну диагональ включают источник питания, в другую – сопротивление нагрузки RН, на котором выделяется полезный (усиленный) сигнал UВЫХ.
Условие баланса моста (нулевой сигнал в измерительной диагонали) стандартно:
Изменение баланса моста приводит к появлению напряжения в нулевой диагонали. Разбалансировка моста возникает при изменении RVT1 или RVT2 , либо и того и другого совместно (сопротивления RК1 и RК2 согласно схеме являются неизменными и чаще всего равны друг другу).
Рисунок 4.8 – Принципиальная схема дифференциального усилительного каскада на биполярных транзисторах
Рисунок 4.9 – Схема замещения дифференциального усилительного каскада на биполярных транзисторах
5 Усилители постоянного тока
Как правило, выходные сигналы датчиков различных технологических параметров (температура, давление, расход и т. д.) являются малыми по величине и медленно изменяющимися во времени, причем скорость изменения может быть и нулевой. Для передачи подобных сигналов и дальнейшего преобразования их необходимо усилить. Использовать в качестве усилительных устройств каскады с индуктивными и емкостными связями нерационально, поэтому для усиления постоянных и медленно изменяющихся напряжений применяют усилители с гальваническими связями между отдельными частями, которые называют усилителями постоянного тока.
Усилитель постоянного тока (УПТ) – это усилитель, который способен эффективно усиливать постоянные или медленно изменяющиеся сигналы.
5.1 Последовательные усилительные каскады
Для получения схемы усилителя достаточно удалить из усилительного каскада все реактивные элементы и соединить их последовательно, т. е. коллектор предыдущего каскада с базой последующего. На рисунке 7.1 представлен трехкаскадный усилитель с гальваническими связями.
Рисунок 5.1 – Трех каскадный усилитель постоянного тока
Очевидно, что данная схема по сравнению с исходной будет иметь преимущества (меньше габариты, возможность применения интегральной технологии при изготовлении).
Однако, удаление из конструкции разделительных конденсаторов значительно усложняет проектирование и настройку УПТ. При проектировании гальванически связанных усилительных каскадов возникают две сложные технические задачи. Первая из них – согласование режимов работы усилительных каскадов по постоянному и переменному току, вторая – поиск пути компенсации дрейфа нуля активных элементов.
Для согласования
каскадов по постоянному току, на первый
взгляд, достаточно чтобы напряжение на
эмиттерном резисторе последующего
каскада компенсировало бы напряжение
покоя транзистора предыдущего каскада,
для чего необходимо выполнить соотношение
для второго каскада:
.
Таким образом, нормальная работа
усилителя возможна при RЭ1<
RЭ2<
RЭ3
и т.д.
Решить вопрос последовательной компенсации напряжения покоя транзистора предыдущего каскада, можно, например, используя стабилитрон (см. рисунок 7.2).
Рисунок 5.2 – Схема УПТ со стабилитронным согласованием режима по постоянному току
Нормальная работа
предложенной схемы возможна при
.
Но, с учетом того, что коэффициент усиления каскада пропорционален:
,
соответственно, начиная с третьего каскада обеспечить КU>1 достаточно трудно и, следовательно, в состав УПТ их можно включить не более двух.
Обобщая вышесказанное, следует выделить характерные недостатки схем УПТ с последовательными гальваническими связями:
- сложно обеспечить неизменность напряжения рабочей точки транзисторов;
- в отсутствии входного сигнала на выходе УПТ будет присутствовать напряжение, обусловленное режимом покоя транзистора оконечного каскада.
В определенной мере устранить смещение нуля выходного напряжения можно введением дополнительного делителя на входе-выходе (изображен пунктиром, см. рисунок 5.1). Температурные воздействия компенсируют введением отрицательных обратных связей, которые с другой стороны снижают коэффициент передачи УПТ (например, RЭ1, RЭ2, RЭ3, см. рисунок 5.3).
Рисунок 5.3 – Схема УПТ со сдвигом рабочей точки каскадов за счет дополнительного источника с отрицательным напряжением
Однако, предложенные пути решения ведут к необходимости дополнительного процесса настройки каждого усилителя, что препятствует использованию интегральной технологии в производстве, увеличивают рассеиваемую мощность.
С учетом того, что эквивалентный коэффициент передачи УПТ находится как:
,
где Кi – коэффициент передачи соответствующего каскада, величину дрейфа (смещения) нуля на выходе можно представить в виде выражения:
Не вызывает сомнения, что
.
Следовательно, основной вклад в погрешность работы УПТ вносит первый каскад и его параметры. Доля влияния на погрешность нуля второго и последующих каскадов УПТ на превышает на практике 2÷3%. Поэтому в проектировании стремятся поднять как можно больше коэффициент усиления первого каскада и максимально снизить дрейф его нуля.
Величина дрейфа нуля приведенного ко входу первого каскада (усилителя) используется как одна из важнейших характеристик усилителей постоянного тока. Для качественного усиления сигналов постоянного и квазинизкочастотного переменного токов выбирают УПТ с дрейфом нуля много меньше величины амплитуды усиливаемого параметра.
Рисунок 5.4 – УПТ с транзисторами разной структуры
Для уменьшения влияния напряжения покоя транзистора предыдущего каскада, применяют схемы УПТ с транзисторами разной структуры (см. рисунок 5.4). В этом случае напряжение на базе второго каскада инвертируется противоположной структурой транзистора (больше напряжение на базе – меньшая степень открытия транзистора VT2).
Одним из путей снижения дрейфа выходного напряжения при усилении малых значений амплитуд сигналов постоянного тока является использование метода модуляции-демодуляции, который заключается в том, что амплитуду постоянной составляющей, подаваемую на вход первого усилительного каскада, модулируют знакопеременным сигналом, усиливают переменную составляющую, а затем на выходе демодулируют, выделяя полезную информацию (см. рисунок 5.5). Временные диаграммы работы устройства представлены на рисунке 5.6.
У
М, Д – модулятор, демодулятор на основе аналогового мультиплексера соответственно; У – усилитель переменного тока; СР – разделительная емкость на входе и выходе усилителя
Рисунок 5.5 – Схема УПТ с двойным преобразованием
УПТ построенные на основе принципа модуляции-демодуляции называют М-ДМ усилителями или УПТ с двойным преобразованием
Рисунок 5.6 – Временные диаграммы работы М-ДМ УПТ
К недостаткам М-ДМ усилителей относятся низкая полоса пропускания, необходимость дополнительной фильтрации модулирующей частоты.
Повышение качества характеристик УПТ заключается в выполнении первых каскадов в виде дифференциальных (рассмотрены выше, см. раздел 4.5).
6 ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
6.1 Характеристики идеальных операционных усилителей
В современных условиях развитие электроники характеризуется тем, что при проектировании аппаратуры используют не дискретные элементы (диоды, транзисторы, резисторы, конденсаторы), а более сложные функционально законченные узлы, изготавливаемые по интегральной технологии. Именно в такой форме используют достоинства усилителей постоянного тока.
Многокаскадный усилитель постоянного тока, выполненный в форме интегральной схемы (ИС) и удовлетворяющий определенным требованиям называется операционным усилителем (ОУ).
ОУ характеризуется следующими электрическими параметрами:
- коэффициент усиления по напряжению равен бесконечности (Ку реальных усилителей 104 - 106);
- входное сопротивление ОУ стремится к бесконечности (входные токи лежат в диапазоне 10 -6 – 10-9 A);
- выходное сопротивление стремится нулю (в реальных условиях Rвых единицы кОм);
- коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю;
- напряжение смещения нуля равно нулю;
- полоса усиливаемых частот стремится к бесконечности (частота среза реальных ОУ лежит в диапазоне 104-105 Гц).
Название «операционный усилитель» элемент получил в связи с тем, что в свое время он являлся элементарной ячейкой аналоговых вычислительных машин, используемых для реализации различных математических операций над аналоговыми сигналами. В дальнейшем мы рассмотрим схемные решения для выполнения сложения и вычитания, возведения в степень и извлечения квадратного корня, умножения, деления и т.д. аналоговых напряжений и токов, где в качестве активных элементов применяют ОУ.
ОУ в интегральном исполнении имеет два входа (инвертирующий и неинвертирующий, см. рисунок 8.1), вход подачи сигнала смещения нуля, выводы частотной коррекции Uf и выходного сигнала Uвых, выводы для подключения двух полярного источника питания + Uп, -Uп и общего провода. Инвертирующий вход обозначается по аналогии с цифровыми интегральными схемами в форме зачеркнутого кружка.
Все современные ОУ на входе имеют дифференциальный каскад (ДК). Если ДК выполнен на биполярных транзисторах входные токи составляют единицы mА, при полевых транзисторах в ДК – единицы nA.
Частотный диапазон современных ОУ ограничен частотами 105 Гц (см. рисунок 8.2).
Рисунок 6.1 – Обозначение ОУ на принципиальных схемах
Рисунок 6.2 – Усредненная АЧХ ОУ