Учебное пособие: Усилители постоянного тока и операционные усилители

Для УПТ прямого усиления изменение напряжения на входе первого каскада (неважно, по каким причинам – из-за изменения входного полезного сигнала или из-за изменения положения рабочей точки, например, в связи с изменением температуры, старения элементов или любых других дестабилизирующих факторов) усиливается этим и последующими каскадами. Это приводит к тому, что даже при отсутствии входного сигнала и компенсации U _{см вх} напряжение на выходе УПТ изменяется. Это явление получило название дрейфа нуля . Характеристика дрейфа для наиболее значимых дестабилизирующих факторов обычно приводится в технической документации на УПТ . Например, в параметрах операционных усилителей имеется показатель изменения напряжения смещения нуля при изменении температуры на один градус.

Напряжение дрейфа на выходе усилителя, даже при компенсации U _см ,может оказаться одного порядка с напряжением сигнала или даже больше его. Поэтому наряду с такими методами уменьшения дрейфа, как стабилизация напряжения источников питания, применение глубокой отрицательной обратной связи и другие, используют сугубо схемотехнические меры, связанные с рациональным выбором элементов и построением самих схем усиления.

Основными методами повышения устойчивости УПТ являются:

1. Применение балансных (мостовых) схем.

2. Преобразование постоянного напряжения в переменное и усиление переменного напряжения с последующим выпрямлением (усиление с модуляцией и демодуляцией сигнала – МДМ ).

1.4. Балансные схемы УПТ

Балансные УПТ строятся на основе схемы сбалансированного четырехплечного уравновешенного моста: два одинаковых усилительных элемента, работающие в идентичном режиме, образуют два плеча моста, а другими двумя плечами являются два одинаковых резистора R _к в их коллекторной цепи. Каскады могут быть выполнены как на основе биполярных, так и полевых транзисторов. Типовая балансная схема транзисторного УПТ приведена на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4. Балансная схема УПТ

Данная схема по существу представляет собой мост, плечами которого являются коллекторные резисторы R_к и внутренние сопротивления транзисторов VTI и VT2 . Резисторы R_б1 и R_б2 входят в делители напряжения источника витания и служат для выбора исходного режима работы транзисторов. В объединенную эмиттерную цепь включен резистор R_э . К одной из диагоналей поста подведена напряжение источника питания Е_к , а с другой – снимаются выходное напряжение (нагрузку каскада подключают между коллекторами транзисторов):

(6.3)

Для нормальной работы схемы необходима полная симметрия плеч. В этом случае в исходном состоянии (до поступления входного сигнала) мост окажется сбалансированным, а напряжение на его выходе будет равно нулю. Реально симметрия достигается, прежде всего, выбором согласованной пары (идентичных) транзисторов и вспомогательных элементов каскада (резисторов цепей смещения, стабилизации и т.п.). Нередко используются транзисторные сборки, в которых оба активных элемента выполняются в едином технологическом процессе на одной подложке, в непосредственной близости друг от друга. Если в схеме обеспечена абсолютная симметрия, то выходное напряжение не изменяется из-за действия дестабилизирующих факторов (температуры и других внешних факторов).

При полной симметрии плеч токи покоя обоих транзисторов, а также их отклонения в случае изменения режима (например, при изменении напряжения Е_к изменении температуры и т. п.) имеют равную величину. Потенциалы коллекторов при этом также равны или получают одинаковые приращения напряжений. Поэтому при одинаковом воздействии дестабилизирующих факторов на оба транзистора одновременно баланс моста не нарушается и выходное напряжение не появляется, т.е. напряжение дрейфа равно нулю.

При подаче входного сигнала любой полярности состояние транзисторов меняются в разных направлениях (один транзистор приоткрывается, другой призакрывается), так как на их базы действуют разные по знаку напряжения. Мост разбалансируется. Следовательно, потенциалы коллекторов транзисторов получают одинаковые по величине, но противоположные по знаку приращения. Появляется выходное напряжение, величина и полярность которого зависят только от величины и полярности входного напряжения. Таким образом, амплитудная характеристика балансной схемы принципиально не должна отличаться от прямой линии, проходящей через начало координат.

Вместе с тем на резисторе R_э не создается напряжение обратной связи для переменных составляющих токов ∆I_э1 и ∆I_э2 , вызванных действием полезного сигнала. Это объясняется тем, что токи эмиттеров обоих транзисторов под воздействием сигнала получают равные, но противоположные приращения (∆I_э1 = – ∆I_э2 ) так как потенциалы баз всегда противоположны друг другу (когда на базу VT1 от источника сигнала подается плюс, на базу VT2 – минус и наоборот). Следовательно, коэффициент усиления схемы не уменьшается.

Обратите внимание на то, что входное и выходное напряжения не связаны с потенциалом земли (общим проводом). Конечно, можно оперировать напряжением на каждом из таких входов или выходов по отношению к земле, однако в таких случаях принято использовать понятия дифференциального и синфазного напряжений. Дифференциальное напряжение представляет собой разность входных (выходных) напряжений:

U _диф = U ₁ – U ₂ .

Синфазное напряжение можно определить как полусумму напряжений:

. (6.4)

В таком случае напряжения на входе балансного усилителя можно представить следующим образом (рисунок 6.5).

Рисунок 6.5. Дифференциальное и синфазное напряжение

Дифференциальное напряжение равно нулю, если два входа каскада соединить между собой. В таком случае все входное напряжение представляет собой синфазное входное напряжение. В полностью сбалансированном балансном каскаде в этом случае выходное напряжение будет равно нулю, причем для любого значения синфазного сигнала. Таким образом, балансные усилители усиливают только дифференциальную составляющую и не усиливают синфазную составляющую.

При рассмотрении балансовых схем выделяют дифференциальные и синфазные коэффициенты усиления. Их величину можно определить таким образом.

При подаче на входы двух одинаковых, но противоположных по знаку напряжений (в этом случае синфазное напряжение равно нулю) транзисторы работают в противофазе. Поэтому при одинаковом воздействии на каждый из транзисторов одинакового напряжения баланс моста не нарушается и выходное напряжение не появляется. Воздействие дифференциальной составляющей приводит к разбалансу моста и было описано выше.

В реальных балансных схемах всегда имеется некоторая асимметрия. Поэтому напряжение дрейфа на выходе полностью не исчезает. Однако дрейф нуля в балансных схемах определяется разностью токов обоих транзисторов и поэтому значительно меньше, чем в обычных схемах прямого усиления. Также на выходе появляется сигнал, определяемый синфазной составляющей входного сигнала.

1.5. Дифференциальный усилитель. Входные токи смещения

При построении многокаскадных схем УПТ балансные каскады можно соединять друг с другом непосредственной связью. При этом коллекторы предыдущего каскада соединяются с базами последующего.

В некоторых случаях выходной сигнал в балансном каскаде снимается с одного из коллекторов, а входные сигналы поступают на базы обоих транзисторов (рисунок 6.6). Такая схема имеет симметричный вход и несимметричный выход (либо с коллектора VT1 , либо с коллектора VT2 ). Фаза выходного сигнала совпадает с фазой сигнала U_вх1 и противоположна фазе сигнала U_вх2 . Элементы схемы можно подобрать так, что выходное напряжение будет пропорционально разности входных напряжений, и в идеальном случае не будет изменяться, если напряжения U_вх1 и U_вх2 получают равные приращения одного знака. Такой усилительный каскад называют дифференциальным .

Рисунок 6.6 Балансная схема УПТ