АНАЛ.ЭЛЕКТРОНИКА / theory

того, для стабилизации режима покоя в УМ-АВ также применяют эмиттерную стабилизацию− резисторы R3 и R4. Термотабилизации часто необходима, так как оконечные транзисторы рассеивают значительную мощность.

Для сохранения приемлимых значений КПД (0,5-0,6) необходимо выдерживать R3 0,1RН, в противном случае на R3 выделяется заметная по сравнению с РН мощность.

	+E
	Iо
Uвх
R2	R3
	Есм
R1	R4	Rн
	IО
		-E

Рис. 4.35. УМ класса АВ с регулируемой цепью смещения и эмиттерной стабилизацией точки покоя

Все рассмотренные варианты двухтактных схем класса В путем дополнения их цепью смещения переводятся в класс АВ.

Типовая схема выходного каскада класса АВ приведена на рисун-

ке 4.36.

Составные транзисторы VT2-VT4 и VT3-VT5 (схема Дарлингтона) образуют комплементарный эмиттерный повторитель. Цепь смещения, содержащая источники тока Io и транзистор VT1, обеспечивают класс АВ выходных транзисторов.

120

	Io	E+
		VT2
Uвх
R1	VT1	VT4
		R3

R2	R4		Rн
		VT3	VT5
	Io		E

Рис. 4.36. Типовая схема выходного каскада

При отсутствии удовлетворяющих требуемым параметрам мощных p-n-p транзисторов VT5 применяют квазикомплементарный эмиттерный повторитель – рис. 4.37. Маломощный p-n-p транзистор VT2 и мощный n-p-n VT4 образуют мощный составной p-n-p транзистор.

E+

VT1

VT3

R1

Rн

VT2

VT4

R2

E

Рис. 4.37 Выходной каскад на квазикомплементарных транзисторах

121

Достоинством составных транзисторов на разнотипных транзисторах является естественная компенсация зоны нечувствительности: предоконечные транзисторы являются одновременно элементами цепи смещения. Достоинство схемы состоит также в хороших частотных свойствах и малых фазовых искажениях.

E+

Io

VT1

VT3

Uвх

Rн

VT2

VT4

Io

E

Рис. 4.38. Выходной каскад на разнотипных составных транзисторах

122

5. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ И ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

5.1. Усилители постоянного тока (УПТ). Стабильность точки покоя. Балансные схемы.

В УПТ исключено применение разделительных и блокировочных конденсаторов. Основная проблема УПТ – температурная стабильность. Рассмотрим усилитель ОЭ.

+Eк

Rк

VT1 Uвых

Eсм

Uвх

Рис. 5.1. УПТ ОЭ

Типовые параметры и сигналы:

RК=1 кОм, h21Э = 100, h11Э=1 кОм.

KU RK 100 , UВХ=10 мВ, UВЫХ=−1 В.

h11Э

Предположим, что температура изменилась на Т= 5 С0 . Температурный коэффициент прямого напряжения на кремниевом p-n-переходе составляет Т= 2мВ/град.

UБЭ= Т Т=( 2мВ/град) ( 5 град)= 10 мВ

UВЫХ(Т)= UБЭ КU = 1 В

Невозможно различить сигнал и помеху в виде изменения темпера-

туры.

Для нейтрализации температурной нестабильности применяют балансные схемы.

В балансных схемах температурный дрейф UБЭ двух одинаковых транзисторов одинаково усиливается и нейтрализуется при симметричном выходе – нагрузка включена между коллекторами.

123

U ВЫХ U К1 U К 2 U ОК1 U ВХ К U U ОК1
U ВХ К U (UОК1 U ОК 2 ) U ВХ К U	(5.1)

Балансные схемы реализуются как для рассмотренного включения ОЭ, так и во всех других: ОБ, ОК, ОИ, ОС.

+Eк

Rк1	Rк2

VT1

VT2

Rн

Eсм1

Uвх

E см2

Рис. 5.2. Балансная схема Недостаток простой балансной схемы: температурный дрейф уси-

ливается, а затем вычитается. Поэтому, во-первых, при значительных дрейфах транзисторы могут “выпадать” из активного режима, а, во вторых, компенсация реализуется только при симметричном выходе.

Наиболее полно компенсация погрешностей происходит в ДУ.

5.2. Дифференциальный усилитель. Расчет по постоянному току.

Свое название усилитель получил благодаря основному свойству, отличающему его от других усилителей: усиливается сигнал, равный разности входных напряжений или разностный (дифференциальный) сигнал.

Дифференциальный усилитель имеет два входа. Входные сигналы U ВХ1 и U ВХ 2 подаются на базы транзисторов. Эмиттеры через общий резистор R0 подключены к отпирающему эмиттерные переходы источнику напряжения –Еэ. В случае идеальной симметрии плеч одинаковые изменения токов через транзисторы при изменении температуры или напряжения питания вызывают одинаковые изменения коллекторных напряжений. Выходное напряжение ДУ, равное разности коллекторных напряжений, при этом не изменяется.

124

			+EК
	Rк1		Rк2
	Uвых1	Iк2	Uвых2
IБ1
	Iк1		IБ2
Uвх1	VT1	VT2	Uвх2
	Iэ1 Iэ2

I0=const

R0

-EЭ

Рис. 5.3. Дифференциальный усилитель

Статика ДУ: U ВХ1 U ВХ 2 U ОБ1 U ОБ 2 0,UОБЭ1 UОБЭ2

EK UОКБ1 IОК1RК1 UОКБ 2 IОК 2 RК 2

IО IОЭ1 IОЭ2 2IОЭ

EЭ UОБЭ1 IО RО UОБЭ2 IО RО

U

		+Eк
	Iок1 Rк1= Iок2 Rк2			Uк2
Uк		Uвых2
			Uвых
		Uвых1		Uк1
	Uокб1=Uокб2		Uвх
0
	Uобэ1=Uобэ2

Uбэ1 Uбэ2

Io Rо

-Eэ

t

Рис. 5.4. Потенциальная диаграмма ДУ

125

(5.2)

(5.3)

(5.4)

В исходном состоянии из−за неидентичности транзисторов, в первую очередь из− за неравенства напряжений UБЭ, коллекторные токи не равны, на выходе формируется остаточное «ошибочное» напряжение

U0ВЫХ UК1 U К 2 IOК1RК1 IOК 2 RК 2 .

Для устранения начального смещения на выходе ДУ применяют операцию балансировки. Коллекторная балансировка осуществляется с помощью балансировочного резистора RБ в коллекторной цепи транзистора:

Рис. 5.5. Коллекторная балансировка ДУ

Несимметрия начальных токов коллекторов IК1 и IК 2 компенсируется дополнительной противоположной несимметрией резисторов RН . В ДУ на дискретных транзисторах значительная (десятки милливольт) начальная несимметрия плеч часто исключает коллекторную балансировку. В таких ДУ применяют подбор транзисторов по напряжениям UБЭ или эмиттерную балансировку (стабилизацию):

Рис. 5.6. ДУ с эмиттерной стабилизацией.

126

Включение последовательно с эмиттерными переходами резисторы RЭ1 и RЭ2 за счет напряжений IЭ1RЭ1 и IЭ2 RЭ2 выравнивают токи через транзисторы и балансируют ДУ. Кроме того, резисторы Rэ стабилизируют усиление ДУ на более низком уровне.

5.3 Дифференциальный и синфазный сигналы

ДУ содержит два входа и два (иногда один) выхода.

Рис. 5.7. Сигналы ДУ

Сигнал, подаваемый между входами ДУ, называется разностным или дифференциальным сигналом:

U Д U ВХ 1 U ВХ 2

(5.5)

Сигнал, подаваемый одновременно на оба входа усилителя относительно общей шины, называется синфазным сигналом. В качестве синфазного принимают среднее арифметическое значение входных напряжений (с учетом полярностей или фаз):

UСФ 0,5 UВХ1 UВХ 2

(5.6)

Так как потенциалы баз и напряжения на эмиттерных переходах получают при синфазном сигнале одинаковые (синфазные) приращения, то токи через транзисторы изменяются слабо и дифференциальный усилитель не усиливает синфазный сигнал.

127

Входные сигналы через UД и UСФ можно представить в виде:

U ВХ 1

U СФ

0,5U Д ,

(5.7)

U ВХ 2

U СФ

0,5U Д .

(5.8)

Рис. 5.8. Представление сигналов ДУ в виде комбинацииU Д и UСФ

Пример определения входных сигналов ДУ.

UВХ1 2,1В, U ВХ 2 =2 В.

Дифференциальный входной сигнал

U Д U ВХ 1 U ВХ 2 =2,1− 2=0,1 В.

Синфазный входной сигнал

UСФ 0,5 U ВХ1 U ВХ 2 =0,5(2,1+2)=2,05≈2 В.

U ВХ 1 U СФ 0,5U Д =2,05+0,05, В.

U ВХ 2 U СФ 0,5U Д =2,05–0,05, В.

По способу снятия выходного сигнала (или способу подключения нагрузки) различают несимметричные выходы — напряжения снимаются с коллекторов транзисторов относительно общей шины, и симметричный выход — напряжение снимают между коллекторами. Следовательно, при несимметричном выходе

U ВЫХ1 U К1 ,

U ВЫх2 U К 2 ,

128

а при симметричном выходе

U ВЫХ U ВЫХ1 U ВЫХ 2 .

(5.9)

Достоинство симметричного выхода по сравнению с несимметричными −наиболее полная реализация основных полезных свойств ДУ, недостаток — незаземленность нагрузки.

ДУ по-разному реагируют на дифференциальный и синфазный сигналы: имеет различные коэффициенты усиления по дифсигналу KU и синфазному KСФ , различные входные сопротивления − RВХ для дифсигнала и RСФ для синфазного. Анализировать свойства ДУ удобно раздельно по каждому сигналу.

5.4. Параметры ДУ для дифференциального сигнала: входное со-
противление, коэффициент усиления.
Сигнальные токи ДУ при подключению UД показаны на рис. 5.9.
	Rк1		+E
		Rк2
Uвых1			Uвых2
IБ1	Iк1	Iк2	IБ2
+
UД	Iэ1	Iэ2
-
	R0		Io=const
		-E
Рис. 5.9. Сигнальные токи ДУ при подключению UД

129