Файл: С.Н. Гринфельд Физические основы электроники уч. пособие.doc

Минимального значения е_дрможно достичь за счет снижения величинR_э,R_биR_к. Следует подчеркнуть, что работа УПТ может быть удовлетво­рительной только при превышении минимальным входным сигна­лом величиныe_др. Поэтому основной задачей следует считать всемерное снижение дрейфа нуля усилителя.

С целью снижения дрейфа нуля в УПТ могут быть использова­ны следующие способы:

• применение глубоких ООС;

• использование термокомпенсирующих элементов;

• преобразование постоянного тока в переменный и усиление переменного тока с последующим выпрямлением;

• построение усилителя по балансной схеме и др.

7.2. Однотактные усилители прямого усиления

Однотактные УПТ прямого усиления по сути своей являются обычными многокаскадными усилителями с непосредственной связью. В таком усилителе резисторы в цепи эмиттера не только создают местную последователь­ную ООС по току, но и обеспечивают необходимое напряжение U_{бэ п}в своих каскадах. В многокаскадном усилителе наблюдается последовательное повышение потенциала на эмиттере транзистора каждого последующего каскада. Необходи­мость повышения потенциалов эмиттера от каскада к каскаду обусловлена тем, что за счет непосредственной связи потенциал коллектора у каждого последующего транзистора оказывается выше, чем у предыдущего.

Обеспечить необходимый режим покоя в каскадах рассматриваемого усилителя можно и за счет последовательного уменьшения номиналов коллекторных резисторов от каскада к каскаду (R_к1 > R_к2). Однако в этом случае, как и в рассмотренном в разделе 7.1, будет падать усиление УПТ.

На рис. 7.2, приведены принципиальные схемы двух вариантов каскадов УПТ, в одном из которых (рис. 7.2, а) потенциал эмиттера устанавливается за счет балластного сопротивления R_oво втором (рис. 7.2, б) – за счет применения опорного диодаD. Отметим, что вместо опорного диода можно включить несколько обычных прямосмещенныхp-n-переходов. Часто используются сочетания обоих вариантов схем.

При разработке УПТ необходимо обеспечивать согласование потенциалов не только между каскадами, но и с источником сигнала и нагрузкой. Если источник сигнала включить на входе усилителя между базой первого транзистора и общей шиной, то через него будет протекать постоянная составляющая тока от источника питания E_к. Для устранения этого тока обычно включают генератор входного сигнала между базой транзистора Т₁(рис. 7.3) и средней точкой специального делителя напряжения, образованного резисторамиR₁иR₂. При правильно выбранном делителе потенциал его средней точки в режиме покоя равен потенциалу покоя на базе первого транзистора.

Н

Рис. 7.3. Способ подачи входного сигнала УПТ (а), способ включения нагрузки (б)

В каждом каскаде УПТ прямого усиления за счет резисторов в цепи эмиттера образуется глубокая ООС. Обычно максимальное усиление свойственно первому каскаду, у которого R_кимеет наибольшее значение. Однако и в последующем каскаде УПТ, гдеR_кменьше, все равно его номинал должен быть больше номиналаR_э.

В многокаскадных УПТ прямого усиления может происходить частичная компенсация дрейфа нуля. Так, положительное приращение тока коллектора, первого транзистора вызовет отрицательное приращение тока базы и, следовательно, тока коллектора второго транзистора. В результате суммарный дрейф нуля второго каскада может оказаться меньше, чем в отсутствие первого каскада и в идеальном случае сведен к нулю. Заметим, что полная компенсация дрейфа нуля возможна лишь при специальном подборе элементов и только для некоторой конкретной температуры. Хотя на практике это почти и недо­стижимо, тем не менее, в УПТ с четным числом усилительных каскадов наблюдается снижение дрейфа нуля.

Способ построения УПТ на основе непосредственной связи в усилительных каскадах с глубокой ООС может быть использован для получения сравнительно небольшого коэффициента усиления (в несколько десятков) при достаточно большом U_вх ≥ 50 мВ. Если в таких УПТ попытаться повысить К_u, то неизбежно получим резкое возрастание дрейфа нуля, вызванного не только температурной нестабильностью, но и нестабильностью источников питания. Отметим, что применение традиционных методов уменьшения влияния нестабильностей Е_кс помощью фильтрующих конденсаторов здесь не дает желаемого результата (слишком низкие частоты).

Для снижения температурного дрейфа в УПТ прямого усиления иногда применяют температурную компенсацию. В настоящее время в качестве термокомпенсирующего элемента обычно используется диод в прямом смешении, включенный в цепь базы транзистора. Принцип построения таких устройств практически одинаков для усилителей постоянного и переменного тока. Все рассмотренные УПТ имеют большой температурный дрейф (e_др составляет единицы милливольт на градус). Кроме того, в них отсутствует зримая компенсация временного дрейфа и влияния низкочастотных шумов. Эти факторы могут оказаться даже более существенными, чем температурный дрейф нуля.

7.3. Дифференциальные усилители

7.3.1. Схема дифференциального каскада и ее работа при подаче дифференциального и синфазного входных сигналов

В настоящее время наибольшее распространение получили диф­ференциальные (параллельно-балансные или разностные) усилители. Такие усилители просто реализуются в виде монолитных ИС и широко выпускаются отечественной промышленностью (К118УД, КР198УТ1 и др.). Их отличает высокая стабильность работы, малый дрейф нуля, большой коэффициент усиления дифференциального сигнала и большой коэффициент подавления синфазных помех.

На рис. 7.4 приведена принципиальная схема простейшего варианта дифференциального усилителя (ДУ). Любой ДУ выпол­няется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами R_к1 и R_к2, а два других – транзисторами Т₁ и Т₂. Сопротивление нагрузки включается между коллекторами транзисторов, т.е. в диагональ моста. Сразу отметим, что резисторы R₀₁ и R₀₂ имеют небольшие значения, а часто и вообще отсутствуют. Можно считать, что резистор R_Э подключен к эмиттерам транзисторов. Питание ДУ осуществляется от двух источников, напряжения которых равны (по модулю) друг другу. Таким образом, суммарное напряжение питания ДУ равно 2Е.

И

Рис. 7.4. Схема дифференциального каскада

Для того чтобы ДУ мог качественно и надежно выполнять свои функции, а также в процессе длительной работы сохранять свои параметры и уникальные свойства, в реальных усилителях требуется выполнить два основных требования. Рассмотрим эти требования последовательно.

Первое требованиесостоит в симметрии обоих плеч ДУ. По этому требованию необходимо обеспечить идентичность параметров каскадов ОЭ, образующих ДУ. При этом должны быть одинаковы параметры транзисторов Т₁и Т₂, а также выполнялось условие:R_к1 =R_к2(иR₀₁ =R₀₂). Если первое требование выполнено полностью, то больше ничего и не требуется для получения идеального ДУ. Действительно, приU_вх1 =U_вх2 = 0 достигается полный баланс моста, т.е. потенциалы коллекторов транзисторов Т₁и Т₂одинаковы, следовательно, напряжение на нагрузке равно нулю. При одинаковом дрейфе нуля в обоих каскадах с общим эмиттером (плечах ДУ) потенциалы коллекторов будут изменяться всегда одинаково, поэтому на выходе ДУ дрейф нуля будет от­сутствовать.

За счет симметрии общих плеч ДУ будет обес­печиваться высокая стабильность при изменении напряжения питания, температуры, радиационного воздействия и т.д. Но как обеспечить симметрию общих плеч в ДУ? На первый взгляд, может показаться, что решить этот вопрос довольно просто. Действительно, всегда можно подобрать пары транзисторов и резисторов с весьма близкими параметрами. Если собрать ДУ на таких дискретных элементах, т, может быть, и будет получен желаемый результат, но только в относительно небольшой промежуток времени.

С течением времени параметры транзисто­ров и резисторов будут изменяться различным образом в соот­ветствии с законами своей собственной структуры, естественно, что на них различным образом будут влиять и внешние факторы, а следовательно, нарушится симметрия плеч со всеми вытека­ющими отсюда последствиями. В конечном счете, можно за­ключить, что на дискретных элементах (изготовленных в разное время и в разных условиях) осуществить выполнение первого требования для ДУ практически невозможно. Это объясняет тот факт, что прекрасные свойства ДУ не нашли должного использования в дискретной электронике.

Приблизиться к выполнению первого основного требования для ДУ позволила микроэлектроника. Ясно, что симметрию общих плеч ДУ могут обеспечить лишь идентичные элементы, в которых все одинаково и которые были изготовлены в аб­солютно одинаковых условиях. Так, в монолитной ИС близко расположенные элементы действительно имеют почти одинаковые параметры. Следовательно, в монолитных ИС первое требование к ДУ почти выполнено.

Второеосновноетребованиесостоит в обеспечении глубокой ООС для синфазного сигнала. Синфазными называются одинаковые сигналы, т.е. сигналы, имеющие равные амплитуды, формы и фазы. Если на входах ДУ (см. рис. 7.4) присутствуютU_вх1 =U_вх2, причем с совпадающими фазами, то можно говорить о поступлении на вход ДУсинфазного сигнала. Синфазные сигналы обычно обусловлены наличием помех, наводок и т.д. Часто они имеют большие амплитуды (значительно превышающие полезный сигнал) и являют­ся крайне нежелательными, вредными для работы любого усилителя.