Усилители постоянного тока (дополнения)

УПТ должны обладать амплитудно-частотной характеристикой в виде:

Здесь необходима непосредственная связь источника входного сигнала с входной цепью усилителя и аналогичная связь между каскадами. Наличие этой связи обусловливает особенности задания точки покоя (рабочей точки) транзисторов в УПТ. Так, в усилителях с RC-связью режим каждого каскада по постоянному току определяется только элементами каскада, и параметры этого режима рассчитывают индивидуально для каждого каскада.

В УПТ отсутствуют элементы, отделяющие каскады по постоянному току. Поэтому здесь выходное напряжение определяется не только полезным сигналом, но и ложным сигналом, создаваемым за счёт изменения во времени параметра режимов каскадов по постоянному току. Особенно нежелательны здесь изменения режима по постоянному току в первых каскадах.

Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом усилителя. Его причинами являются нестабильность напряжений питания схемы, температурная и временная нестабильность параметров транзисторов и резисторов. Напряжение дрейфа выходного напряжения ΔU_{вых др} обычно определяют при закоротке на входе (e_r=0) по приращению выходного напряжения. Качество усилителя оценивают по напряжению дрейфа (где К_U-коэффициент усиления усилителя).

Параметры режима покоя каскада рассчитывают с учётом элементов, относящихся к выходной цепи предыдущего каскада и входной цепи последующего каскада. Резисторы R_э предназначены также для создания необходимого базового напряжения U_эбА в режиме покоя.

Радикальным средством уменьшения дрейфа УПТ является применение параллельно-балансных (дифференциальных) каскадов. По приведённой схеме построены каскады микросхем К1УТ181, К1УТ221. Она используется также во входных каскадах многих УПТ интегрального исполнения.

На транзисторе Т3 собрана схема источника тока I_э=I_э1+I_э2, в которую входят R₁, R₂, R₃ и источник E_к2. Транзистор Т4 в диодном включении предназначен для повышения стабильности I_э в зависимости от изменения температуры (элементы температурной компенсации).

Дифференциальный каскад допускает подачу входных сигналов от двух источников (на оба входа) или от одного источника:

I_б≈0

В последнем случае входной сигнал подаётся на базу одного из транзисторов или между обеими базами входа U_вх1 и U_вх2, при этом называют дифференциальными. Суммарные напряжения питания схемы Е_э=Е_э1+Е_э2. С помощью источника Е_э снижают потенциал эмиттеров транзисторов Т1 и Т2 относительно земли. Это позволяет подавать сигналы на входы усилителя без введения дополнительных компенсирующих напряжений (ранее было).

Здесь дрейф существенно меньше, поскольку его величина определяется разностным дрейфом двух близких по параметрам усилительных каналов. Идентичность транзисторов Т1 и Т2 легко достигается при микросхемном исполнении (единый технологический процесс на кристалле полупроводника).

Рассмотрим работу схемы при наличии входного сигнала U_вх1 положительной полярности.

Входной ток I_вх - увеличивает ток базы Т1 и уменьшает ток базы Т2. при этом I_э1, I_к1 увеличиваются, а токи I_э2, I_к2 уменьшаются. Изменение токов обоих транзисторов происходит на одну и туже величину, поскольку I_э1+I_э2=I_э=const. Напряжение U_к1=E_к1-I_к1R_к1 уменьшается, что вызывает приращение Δ U_к1 противоположное по знаку (проинвертированные напряжению e_r). Напряжение U_к2=E_к1-I_к2R_к2 увеличивается, что создаёт приращение напряжения Δ E_к2 того же знака, что и e_r. Таким образом, для рассматриваемого способа передачи входного сигнала выход каскада с коллектора Т1 является инвертирующим. Сигнал, снимаемый с обоих коллекторов, называется дифференциальным.

U_вых=U_к2- U_к1=Δ U_к2+Δ U_к1.

Большие значения напряжения на входе вызывают большие значения выходного напряжения. Это происходит до тех пор пока ток базы Т2 (I_б2) становится равным нулю, а ток I_э протекает только через один из транзисторов (Т1). При этом: U_вых1= U_к1= E_к1-αI_эR_к≈ E_к1-I_эR_к; U_вых2= U_к2= E_к1.

U_вых=U_к2- U_к1≈ I_эR_к.

С иными знаками приращений будут напряжения при изменении полярности входного напряжения.

Схема дифференциального усилительного каскада допускает подачу входных сигналов одновременно на оба входа. Дифференциальное напряжение при сигналах U_вх1, U_вх2 неодинаковой полярности будет равно U_вх= U_вх1 + U_вх2, дифференциальное выходное: U_вых=К_Uд(U_вх1 + U_вх2).

Представляет интерес также подключение входных напряжений, совпадающих по фазе (синфазных сигналов). Дифференциальный каскад позволяет решать часто встречающуюся задачу на практике сравнения с высокой значений напряжений входных сигналов или увеличения их разности. Кстати, отсюда название “дифференциальный каскад”. При этом U_вых=К_Uд(U_вх1 - U_вх2).

При подаче на входы двух сигналов одинаковой полярности необходимо учитывать возможность появления на выходах так называемой синфазной ошибки.

Если U_вх1 > U_вх2, то напряжение U_вх можно рассматривать, как синфазное напряжение E_синф, приложенное к обоим входам одновременно, а разность U_вх1 - U_вх2= e_r, как дифференциальное входное напряжение.

При e_r=0 напряжение баланса U_бал= U_к1 + U_к2, не должно изменяться. Однако наличие E_синф приводит к повышению напряжения U_кэ транзистора Т3, что вызывает изменение тока I_эк, соответственно токов эмиттера и коллектора транзисторов Т1 и Т2 и уменьшению напряжения баланса U_бал. При подаче синфазной ЭДС другой полярности уравнение баланса увеличивается на Δ U_бал. При e_r>0 коллекторные напряжения получают приращения относительно U_бал± U_бал. То есть ± U_бал проявляется на выходах как величина синфазной ошибки при усилении. При одинаковых параметрах транзисторов Т1, Т2 наличие синфазной ЭДС вызывает появление синфазной ошибки на дифференциальном выходе каскада. Учёт синфазных ошибок усиления важен в многокаскадных УПТ с дифференциальным каскадом на входе.

При интегральном исполнении дифференциальных усилительных каскадов вместо резисторов R_к широко используют транзисторы, выполняющие функцию динамических нагрузок каскада. Эти схемы позволяют обеспечить существенно большие значения коэффициента усиления K_Uд, чем при применении резистивных нагрузок. Рассмотрим примет:

Транзисторы Т3, Т4 p-n-p типа близки по параметрам. Т3 – работает в режиме диода. Ток I_к1 создаёт напряжение U_бэ3, равное входному напряжению U_бэ4. Поэтому ток I_к4 будет близок к I_к1 (близки параметры транзисторов). Это свойство получило название токового зеркала.

При e_r=0 схема находится в режиме покоя (баланса): I_к1= I_к2= I_к4= I_э/2; I_н=0; U_вых=0 (ток I_к4 протекает через транзистор Т2).

Входной ток I_вх увеличивает ток I_б1 и уменьшает ток I_б2. при этом изменяются и коллекторные токи:

, . Так как I_к4= I_к1, то . При этом . Напряжение . Коэффициент усиления каскада по напряжению:

. При R_r=0
.

Коэффициент усиления по напряжению дифференциального каскада с R_r (без вывода):

Из уравнений (1) и (2) видно, что К_U зависит от R_н, а К_Uд ещё и от R_к.

В многокаскадных УПТ R_н является входным сопротивлением последующего каскада, величина которого может быть обеспечена порядка сотен КОм. Создание же сопротивлений R_н подобной величины при интегральном исполнении затруднён, поскольку разностные слои на поверхности кристалла микросхемы занимали бы чрезмерно большую площадь. Поэтому К_U в каскаде с динамическими нагрузками на порядок выше.

Дата добавления: 2014-01-07