Причины и оценка дрейфа

Рисунок 2.50 – Дрейф нуля

Дрейф нуля (рисунок 2.50) возникает в усилителях из-за ряда дестабилизирующих факторов: 1) изменения температуры окружающей среды; 2) изменения давления и влажности окружаю­щей среды; 3) колебания напряжения источников питания; 4) ста­рения УЭ и других компонентов усилителя. Кроме того, в УЭ сказы­вается влияние помех, обусловленных эффектом «мерцания» (шумы со спектральной плотностью 1/ f). В результате действия указанных факторов на выходе УПТ при отсутствии сигнала па входе появляет­ся случайное неконтролируемое напряжение, имеющее как медленно изменяющуюся постоянную составляющую дрейфа U _др, так и случай­ные более быстрые отклонения дрейфа U _др~ от постоянной составляю­щей U _др.

Способы уменьшения дрейфа.

Можно отметить следующие основные способы уменьшения дрейфа нуля: уменьшение пределов изменения дестабилизирующих величин; применение схем термокомпенсации дрейфа; применение общей петли ООС; использование мостовых (ба­лансных) схем; применение полевых или составных транзисторов для уменьшения дрейфа по току; симметрирование плеч балансных схем; использование УПТ с преобразованием сигнала.

Дадим оценку этих способов. Уменьшение пределов изменения деста­билизирующих величин дает хорошие результаты и достигается следующим: 1) применяют электронные, магнитные или феррорезонансные стабилизаторы напряжения; проще стабилизировать с помощью элект­ронных стабилизаторов одно или два небольших напряжения пита­ния транзисторных усилителей; 2) применяют термостатирование, особенно транзисторных усилителей, однако термостатирование сов­местно со стабилизацией напряжения питания значительно услож­няет и удорожает аппаратуру, а поэтому используется лишь при осо­бой необходимости; 3) используют в УПТ вместо германиевых крем­ниевые транзисторы, имеющие значительно меньший обратный ток коллектора, а также полевые транзисторы, имеющие намного меньший входной ток.

Термокомпенсирующие элементы обычно включают в отдельные каскады УПТ, чаще первые. Термокомпенсация достигается введени­ем температурно-зависимых линейных и нелинейных резисторов в эмиттерные (истоковые) или базовые цепи транзисторов. Терморезис­торы можно использовать в качестве одного из резисторов делителя напряжения в цепи базы, либо как часть резис­тора в цепи эмиттера. Температурные зависимости прямых характе­ристик полупроводниковых диодов применяются в цепях без транзис­торов. Там же применяют транзисторы, создающие проти­вонаправленный дрейф, что используется и для компенсации дрейфа одного усилителя дрейфом другого. Однако термокомпенсационные схемы требуют, как правило, индивидуальной настройки в пределах всего рабочего диапазона температур, причем хороший эффект обыч­но достигается лишь в узком диапазоне. Взаимная компенсация дрей­фа двумя усилителями сильно усложняет аппаратуру.

Общая петля ООС по постоянному току широко используется для стабилизации усиления и уменьшения дрейфа в УПТ. При введении общей ООС по постоянному току по цепи ОС на каждый транзистор поступает в противофазе его собственный дрейф, прошедший петлю ОС. В итоге собственный дрейф каждого транзистора снижается.

Использование в УПТ балансных (мостовых) схем позволяет получить весь­ма существенное уменьшение дрейфа. В этом случае уменьшаются уровни дрей­фа, обусловленные изменением напряжения питания и температуры окружающей среды, а также старением элементов усилителя /Однако меньший дрейф обеспечивают симметричные балансные схемы, в которых УЭ образуют два плеча моста. Симметричные баланс­ные усилители можно построить как с последовательным, так и с параллельным включением УЭ по отношению к источнику питания.

Выводы: 1. Усилители постоянного тока предназначены для усиления медленно от 0 Гц. 2. Для обеспечения полосы пропускания от 0 Гц, в УПТ гальванические связи.3. Недостатком УПТ прямого усиления является низкий коэффициент усиления, а также дрейф нуля.изменяющихся во времени сигналов, частотных диапазон которых начинается

Контрольные вопросы:

1. Почему нельзя усиливать медленно изменяющиеся во времени сигналы с помощью усилителей переменного тока?

2. Как изменяется коэффициент усиления каждого последующего каскада УПТ на транзисторах с непосредственной связью между каскадами?

3. Какие меры применяют в УПТ с гальваническими связями для согласования выходных и входных напряжений?

4.За счет чего возникает «дрейф нуля» в УПТ?

5. Назовите методы устранения дрейфа нуля.

ЛЕКЦИЯ 29: Принцип работы дифференциальных усилителей (ДУ)

Усилители постоянного тока широко применяются в устройствах автоматики и вычислительной техники, в квазиэлектронных и электронных АТС, в телевидении, измерительной аппаратуре, в каналообразующей телеграфной аппаратуре, в аппаратуре ИКМ многоканальной связи.

Учебный материал этой лекции будет использован при изучении дисциплин: «Основы измерительной техники, метрологии и стандартизации», «Многоканальная электросвязь», «Коммутационные станции междугородних телефонных сетей».

Наибольшее распространение получил параллельный балансный усилитель, который часто называют дифференциальным (разностным). К несомненным достоинствам этого усилителя можно отнести подав­ление синфазных помех, возможность многокаскадного включения и симметрирования плеч (особенно в интегральных микросхемах), бо­лее гибкого, разностороннего использования за счет двух, а в послед­нее время и трех управляющих входов.

Принципи­альная схема простейшего базового

дифференциального усилителя (ДУ) с общей эмиттерной связью через резистор R_э приведена на рисунке 2.51: ЭДС источников сигнала включены между базами транзисторов и общим проводом, выходное напряжение U _вых.д снимается между кол­лекторами VТI и VТ2, цепи смещения транзисторов не показаны. Такую схему называют схемой с несимметричным входом и симметричным вы­ходом. Для уменьшения дрейфа используется принцип баланса моста. Плечи моста образованы резисторами R1 и R2 и выходными цепями транзисторов VТI и VТ2. В идеальном случае соответствующие элементы должны быть одинаковыми, у них должны одинаково изменяться па­раметры при изменении напряжения питания, температуры и старе­нии.

Если схема полностью симметрична, то при E =0 I _к1 R ₁= I _к2 R ₂, U _к.э1= U _к.э2. Поэтому U _вых.д=0 на симметричном выходе. Если схема полностью симмет­рична, то изменение Е, синфазное для обоих транзисторов, не нарушит баланса моста и останется U _вых.д=0. Аналогично при изменении тем­пературы одинаковое и синфазное изменение токов плеч I _к1 и I _к2 так­же не нарушит баланса моста. Теоретически в полностью симметрич­ной схеме ДУ дрейф нуля будет отсутствовать.

Реально же параметры транзисторов и резисторов имеют разброс, обладают разной скоростью старения и различной температурной за­висимостью. В результате этого дрейф не исчезает, но уменьшается в 10—100 раз по сравнению с обычным однокаскадным УПТ и в среднем равен 20- 100 мкВ/°С.

Способы включения ДУ и их особенности.

Встречаются четыре ос­новных способа включения ДУ в УПТ:

1) с симметричными входом и выходом (такой ДУ используется как промежуточный в трехкаскадных УПТ и операционных усилителях или как входной);

2) с симметричным входом и несимметричным выходом (подобный ДУ применяется как промежуточный в трехкаскадных операционных усилителях и пр.);

3) с несимметрич­ным входом и симметричным выходом (рисунок 2.51)—используется U _выхд(он может применяться как входной в трехкаскадных УПТ и опера­ционных усилителях);

4) с несимметричными входом и выходом (рисунок2.51 — используется U _вых2) (в этом ДУ вход второго транзис­тора (база VТ2) в общем случае заземлен по переменному току). Подоб­ное включение ДУ встречается в первых каскадах двухкаскадных опе­рационных усилителей и в других случаях. При этом может иметь место и разновидность схемы по переменному току, когда R1≈ 0. Рас­смотрим кратко особенности включения ДУ с несимметричным вхо­дом (см. рисунок 2.51).

Резистор R_Э создаёт в каждом транзисторе отрицательную обратную связь, уменьшающую усиление синфазных сигналов и дрейф нуля, а также амплитуду выходного напряжения всего каскада, поэтому

в практических схемах ДУ вместо резистора Rэ используют генераторы стабильного тока (ГСТ), обладающий большим динамическим и малым статическим сопротивлением.

Если использовать несимметричный вход (U_вх1), (при этом второй вход заземлить) и несимметричные выходы (U_вых1 и U_вых2), то ДУ представляет собой инверсный каскад соединенный по схеме с ОЭ. При этом каскад на VТI представ­ляет собой каскад с разделенной нагрузкой. Второй каскад на VТ2 является каскадом с ОБ. Усилитель имеет асимметричную схему.

Дрейфом по току практически можно пренебречь в ДУ на ПТ. Однако дрейф по напряжению в ДУ на ПТ может быть больше, чем в ДУ на БТ, особенно при асимметричной схеме. Это связано с малой глубиной ОС из-за малой крутизны ПТ при малых значениях токов стоков и невозможности применить R _ист очень большого номинала.

Дата добавления: 2014-11-16