Усилители постоянного тока

ВВЕДЕНИЕ. 3

1.   ДРЕЙФ НУЛЯ УСИЛИТЕЛЯ.. 4

2.   ОДНОТАКТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ ПРЯМОГО УСИЛЕНИЯ.. 5

3.   УСИЛИТЕЛИ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ.. 8

4.   ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ.. 12

5.   СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ.. 15

6.   КОЭФФИЦИЕНТ ОСЛАБЛЕНИЯ СИНФАЗНОГО СИГНАЛА.. 18

7.   РАЗНОВИДНОСТИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ.. 20

8.   ТОЧНОСТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ.. 23

9.   Литература.. 26

ВВЕДЕНИЕ 

Усилителями постоянного  тока (УПТ) называются устройства, предназначенные  для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты. На рис. 1 приведена АЧХ для усилителя постоянного тока. Отличительной особенностью УПТ является отсутствие разделительных элементов, предназначенных для отделения усилительных каскадов друг от друга, а также от источника сигнала и нагрузки по постоянному току.

Таким образом, для осуществления  передачи сигналов частот, близких  к нулю, в УПТ используется непосредственная (гальваническая) связь. Непосредственная связь может быть использована и в обычных усилителях переменного тока с целью уменьшения числа элементов, простоты реализации в интегральном исполнении, стабильности смещения и т. д. Однако такая связь вносит в усилитель ряд специфических особенностей, затрудняющих как его выполнение, так и эксплуатацию. Хорошо передавая медленные изменения сигнала, непосредственная связь затрудняет установку нужного режима покоя для каждого каскада и обусловливает нестабильность их работы.

При разработке УПТ приходится решать две основные проблемы: согласование потенциальных уровней в соседних каскадах и уменьшение дрейфа (нестабильности) выходного уровня напряжения или  тока.

1.    ДРЕЙФ НУЛЯ УСИЛИТЕЛЯ

Применение усилительных каскадов в УПТ ограничивается дрейфом нуля. Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения. Этот эффект наблюдается и при отсутствии сигнала на входе. Поскольку дрейф нуля проявляется таким образом, как будто он вызван входным сигналом УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала. Существует достаточно много физических причин, обусловливающих наличие дрейфа нуля в УПТ. К ним относятся нестабильности источников питания, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы, помехи и наводки. Среди перечисленных причин наибольшую нестабильность вносят изменения температуры, вызывающие дрейф. Этот дрейф обусловлен теми же причинами, что и нестабильность тока коллектора усилителя в режиме покоя изменениями I_кбо, U_бэ0 и B. Поскольку температурные изменения этих параметров имеют закономерный характер, то в некоторой степени могут быть скомпенсированы. Так, для уменьшения абсолютного дрейфа нуля УПТ необходимо уменьшать коэффициент нестабильности S_нс.

Абсолютным дрейфом нуля , называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ обычно оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведенного ко входу усилителя: е_др= . Приведенный ко входу усилителя дрейф нуля не зависит от коэффициента усиления по напряжению и. эквивалентен ложному входному сигналу. Величина е_др ограничивает минимальный входной сигнал, т. е. определяет чувствительность усилителя.

В усилителях переменного  тока, естественно, тоже имеет место  дрейф нуля, но так как их каскады  отделены друг от друга разделительными  элементами (например, конденсаторами), то этот низкочастотный дрейф не передается из предыдущего каскада в последующий  и не усиливается им. Поэтому в  таких усилителях (рассмотренных  в предыдущих главах) дрейф нуля минимален и его обычно не учитывают. В УПТ для уменьшения дрейфа нуля, прежде всего, следует заботиться о его снижении в первом каскаде. Приведенный ко входу усилителя температурный дрейф снижается при уменьшении номиналов резисторов, включенных в цепи базы и эмиттера. В УПТ резистор R_Э большого номинала может создать глубокую ООС по постоянному току, что повысит стабильность и одновременно уменьшит K_U для рабочих сигналов постоянного тока. Поскольку здесь K_U пропорционален S_нс, то величина е_др оказывается независимой от S_нс. Минимального значения е_др можно достичь за счет снижения величин Rэ, R_б и R_r. При этом для кремниевых УПТ можно получить  Кремниевые УПТ более пригодны для работы на повышенных температурах.

Следует подчеркнуть, что  работа УПТ может быть удовлетворительной только при превышении минимальным входным сигналом величины Сдр. 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.

2.    ОДНОТАКТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ ПРЯМОГО УСИЛЕНИЯ

Однотактные УПТ прямого  усиления по сути своей являются обычными многокаскадными усилителями с  непосредственной связью. В таком  усилителе резисторы R_э1 и R_э2 не только создают местную последовательную ООС по току, но и обеспечивают необходимое напряжение  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 выше, будет падать усиление УПТ.

При разработке УПТ целесообразным является выбор эмиттерных резисторов по заданным значениям коэффициентов  усиления и S_нс, а рабочие напряжения  можно обеспечить путем дополнительных мер. На рис. 2 приведены принципиальные схемы двух вариантов каскадов УПТ, в одном из которых (а) потенциал эмиттера устанавливается за счет балластного сопротивления R_o во втором (б) — за счет применения опорного диода D. Отметим, что вместо опорного диода можно включить несколько обычных прямосмещенных р-п переходов. Часто используются сочетания обоих вариантов схем, приведенных на рис. 2.

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_K. Для устранения этого тока обычно включают генератор входного сигнала между базой транзистора Т1 и средней точкой специального делителя напряжения, образованного резисторами R₁ и R₂. На рис. 3 приведена принципиальная схема рассматриваемого входного каскада УПТ прямого усиления. При правильно выбранном делителе потенциал его средней точки в режиме покоя равен потенциалу покоя на базе первого транзистора.

Нагрузка усилителя обычно включается в диагональ моста, образованного  элементами выходной, цепи УПТ. На рис. 4 приведена принципиальная схема  такого выходного каскада УПТ. Рассматриваемый  здесь способ включения нагрузки используется для получения U_н=0 при Е_r=0. Номиналы резисторов R₃ и R₄ выбираются таким образом, чтобы напряжение средней точки делителя равнялось напряжению на коллекторе выходного транзистора в режиме покоя. При этом в нагрузке для режима покоя не будет протекать тока.  В каждом каскаде УПТ прямого усиления за счет резисторов в цепи эмиттера образуется глубокая ООС. Поэтому для определения входного сопротивления K_uoc каскада ОЭ здесь можно пользоваться формулами  и K_uОС = - R_кн/R_э соответственно. Обычно максимальное усиление свойственно первому каскаду, у которого R_к имеет наибольшее значение. Однако и в последующем каскаде УПТ, где R_к  меньше, все равно его номинал должен быть больше номинала R_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 в идеальном случае и 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  . 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_к с 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 выше 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. Отмеченные недостатки усилителей прямого усиления в значительной степени преодолеваются в УПТ с преобразованием (модуляцией) сигнала.

3.    УСИЛИТЕЛИ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ

При усилении малых сигналов постоянного тока или напряжения часто применяют усилители с  преобразованием постоянного тока в переменный. Такие УПТ имеют малый дрейф нуля, большой коэффициент усиления на низких частотах и не нуждаются в подстройке нулевого уровня. На рис. 5 приведена структурная схема усилителя с преобразованием постоянного тока в переменный. На этой схеме использованы следующие обозначения: М—модулятор. Ус—усилитель переменного тока, ДМ—демодулятор. Такой УПТ часто называют усилителем с модуляцией и демодуляцией (МДМ).

В УПТ с МДМ входной  сигнал постоянного напряжения U_вх (или тока) сначала преобразуется в пропорциональный ему сигнал переменного напряжения с помощью модулятора М, потом усиливается обычным усилителем Ус, а затем Демодулятором ДМ преобразуется в сигнал постоянного напряжения. Поскольку в усилителях переменного тока (например, с RC-связью) дрейф не передается от каскада к каскаду, то в МДМ усилителях реализуется минимальный дрейф нуля. Работу рассматриваемого усилителя удобно проиллюстрировать с помощью временных диаграмм напряжений (или токов) в основных точках схемы рис. 5, которые приведены на рис. 6. Преобразование постоянного U_вх в переменное осуществляется с частотой сигнала управления (модуляции) U_упр, обычно имеющего вид меандра. Для успешной работы УПТ с МДМ необходимо, чтобы частота сигнала управления была, как минимум, на порядок выше максимальной частоты входного сигнала.

Из многообразия возможных  вариантов построения модуляторных устройств наибольшее распространение  получили транзисторные модуляторы (прерыватели или малотоковые  переключатели). Рассмотрим работу простейшего транзисторного модулятора, принципиальная схема которого приведена на рис. 7.

Рис. 7

Здесь постоянное входное  напряжение U_вх приложено между эмиттером и коллектором n-p-n транзистора, который с помощью трансформатора Тр управляется сигналом U_упр. Транзистор работает как ключ, т. е. он имеет два рабочих состояния: открыт (режим насыщения) и закрыт (режим отсечки). Если в режиме отсечки сопротивление транзистора велико, то в режиме насыщения оно близко к нулю. В результате ток через транзистор будет прерываться с частотой сигнала управления. Этот ток и является входным сигналом для усилителя переменного тока Ус. Связь устройств М и Ус обычно осуществляется через разделительный конденсатор. Схема на рис. 7 обращает на себя внимание тем, что в ней представлен транзистор в инверсном включении. Действительно, в транзисторных модуляторах получило распространение инверсное включение транзистора. Дело в том, что дрейф нуля в УПТ с МДМ в основном определяется дрейфом модулятора, который обусловлен нестабильностью остаточных параметров транзистора (тока и напряжения). Известно, что транзистор в инверсном включений имеет существенно меньшие остаточные параметры, чем в прямом включении. Это преимущество инверсного включения транзистора особенно ярко проявляется в значении остаточного напряжения. Напомним, что остаточный ток планарного транзистора чрезвычайно мал и для прямого включения (десятые или сотые доли наноампер), поэтому использование инверсного включения имеет смысл именно для уменьшения остаточного напряжения.

С помощью формул Эберса-Молла  можно получить расчетные отношения  для остаточного напряжения прямого U_ост и инверсного U_остI включения транзистора при токах коллектора, близких к нулю:

Из (1) следует, что U_остI < U_ост, поскольку , т. е. при малых токах коллектора инверсное включение транзистора лучше подходит для использования в модуляторах. Современные транзисторы при  и оптимальном токе базы имеют .

Для качественных УПТ эту величину не всегда можно считать удовлетворительной. Меньшего остаточного напряжения можно достичь с помощью компенсированного модулятора (ключа) на двух инверсно включенных транзисторах, принципиальная схема которого приведена на  рис. 8. Здесь транзисторы включены встречно, и поэтому их остаточные параметры должны компенсировать друг друга. Так, для остаточного напряжения рассматриваемого модулятора U_остК можно записать: