Skhemotekhnika_PE
.pdf91
6.1 УПТ прямого усиления
УПТ с мостовым включением нагрузки и источника сигнала приведен на рис. 6.1.
RK |
I |
III |
R2 |
|
R1 |
|
RН |
RП/ |
– |
|
2 |
|||
|
|
2 |
|
|
VT1 |
|
IH |
RП |
EК |
|
|
RП// |
|
|
1 |
|
+ |
|
RГ |
II IV |
R3 |
|
|
||
|
еГ |
RЭ |
|
|
|
||
|
1 |
|
|
Рис. 6.1
Переменный резистор RП служит для подстройки баланса моста, обра- зованного RК, УЭ и RЭ, R2 и RП/, RП// и R2, в диагональ которого включена на-
грузка RН. В сбалансированном мосте IН = 0 при еГ = 0. Эта подстройка но-
сит название установки нуля. условие баланса моста |
RI |
= |
RIII |
, или для |
|||||||
R |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
||
|
|
|
|
|
|
/ |
|
II |
|
IV |
|
|
R |
= |
R + R |
|
|
|
|
|
|||
данной схемы |
K |
|
2 |
П |
|
, где RВЫХ.ОС = (UКЭ.П + URЭ.П) / IК.П – вы- |
|||||
R |
R |
+ R |
// |
||||||||
|
ВЫХ .ОС |
|
3 П |
|
|
|
|
|
|
ходное сопротивление транзистора с ОС для постоянного тока.
Принцип работы УПТ основан на том, что под действием входного сигнала изменяется сопротивление УЭ по постоянному току, т.е. изменяется RII. Баланс моста нарушается и в цепи нагрузки возникает ток.
Недостатки УПТ прямого усиления:
а) малый коэффициент усиления (УПТ однокаскадный); б) зависимость напряжения смещения от внутреннего сопротивления
источника сигнала RГ;
в) отсутствие общей точки у входных 1 – 1 и выходных 2 – 2 клемм, что увеличивает уровень помех.
Для устранения этих недостатков применяют мостовую схему на вхо- де и несколько каскадов усиления.
92
6.2 Многокаскадные УПТ
Рассмотрим принципиальную схему двухкаскадного УПТ с мостовым включением нагрузки и источника сигнала и непосредственной межкаскад- ной связью (рис. 6.2).
|
|
R1 |
|
|
|
|
|
R3 |
RK1 |
|
|
|
URK1.П |
|
|
|
RK2 |
|
|
R5 |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RН |
|
|
|
|
– |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
еГ |
|
|
|
|
|
|
IK1.П |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RП |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
RГ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
EК |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
VT1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VT2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UKЭ1.П |
|
|
|
|
|
|
|
|
R6 |
|
+ |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 |
|
|
|
|
|
R4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
URЭ2.П |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RЭ1 |
|
|
|
URЭ1.П |
|
|
|
RЭ2 |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 6.2
Режим работы транзистора VT2 в этом УПТ не зависит от значения или изменения внутреннего сопротивления источника сигнала RГ, т.к. на входе УПТ применена мостовая схема, а источник сигнала включен в диа- гональ сбалансированного моста. В усилителях на VT1 и VT2 используется эмиттерная стабилизация режима покоя. Способ непосредственной связи между каскадами требует включения резистора RК1, через который подается напряжение питания на коллектор VT1 и организуется базовое смещение для VT2. Через RК1 протекают токи IК1.П и IБ2.П. Одним из недостатков схемы является то, что из-за большой разницы напряжений UКЭ1.П и UБЭ2.П прихо- дится для компенсации большого UКЭ1.П увеличивать напряжение в цепи эмиттера URЭ2.П.
UБЭ2.П = UКЭ1.П + URЭ1.П – URЭ2.П,
RЭ велико, оно является сопротивлением цепи ОС, поэтому KU второго кас- када уменьшается.
Для организации смещения UБЭ2.П приходится обеспечивать > URЭ1.П. Это приводит двум негативным последствиям. Во-первых, при неизменном ЕК и режимах покоя VT1 и VT2 сопротивление RК2 прихо-
дится брать меньшим RК1 (сопротивление RК1 с транзистором VT1 и сопро- тивление RЭ1 образуют базовый делитель для VT2). Это увеличивает вход- ное сопротивление каскада на VT2 и уменьшает его коэффициент усиления. Во-вторых, увеличение URЭ2.П достигается за счет увеличения RЭ2, что при- водит к дополнительному снижению KU из-за действия ООС. Поэтому соз-
93
дать такой УПТ с числом каскадов больше трех не удается из-за заметного снижения KU последующих каскадов.
В УПТ с включением нагрузки в диагональ моста есть существенный недостаток: отсутствует общая точка для входной и выходной цепи. От это- го недостатка свободны УПТ с резистивной межкаскадной связью.
Главный недостаток всех подобных УПТ является нестабильность выходного напряжения в отсутствии входного сигнала, называемая дрей- фом нуля.
6.3 Дрейф нуля УПТ
Дрейф нуля – смещение нулевого положения выходного напряжения при отсутствии входного сигнала, возникает в УПТ из-за изменения пара- метров УЭ при изменении температуры, изменении напряжения питания схемы. В результате на выходе УПТ при отсутствии входного сигнала появ- ляется неконтролируемое напряжение, имеющее как медленно изменяю- щуюся постоянную составляющую UДР=, обусловленную температурным изменением параметров транзисторов, так и более быстрые отклонения UДР≈ из-за изменения напряжения питания.
Для УПТ дрейф нуля представляет собой очень вредное явление, т.к. в усилителях переменного тока UДР= не поступает в нагрузку благодаря кон- денсаторами фильтров или трансформаторам, а в УПТ составляющая дрей- фа поступает в нагрузку и не отличим от усиливаемых сигналов.
Для уменьшения дрейфа повышают стабильность питающего напря- жения, используют различные меры отвода тепла от транзисторов схемы: применение радиаторов, предварительный прогрев схемы и т.д. Из схемо- технических решений – введение ОС по температуре с помощью терморе- зисторов. Существенное уменьшение дрейфа нуля достигается в дифферен- циальном УПТ.
6.4 Дифференциальный УПТ
Для борьбы с дрейфом нуля применяют специальные схемы УПТ, так называемые дифференциальные (балансные) УПТ. Они построены по схеме четырехплечего моста (рис. 6.3).
Если мост сбалансирован, выполняется условие
R1 = R4 ,
R2 R3
то при изменении Е баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе RН ток равен нулю. С другой стороны, при пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R1, R2 или R3, R4 баланс моста также не наруша-
|
|
94 |
ется. Заменив резисторы R2, R3 транзисторами, получим параллельную ба- |
||
лансную схему, называемую дифференциальным УПТ. |
||
|
+ E |
Сопротивления делителей Rij задают режим ра- |
|
|
боты транзисторов рис. 6.4. |
R1 |
R4 |
Предположим, что схема симметрична, т.е. |
|
RН |
RК1 = RК2, параметры VT1 и VT2 одинаковы, режимы |
|
работы транзисторов одинаковы. В этом случае при |
|
|
|
|
|
|
равных входных сигналах UВХ1 = UВХ2, т.е. |
R2 |
|
|
|
R3 |
UВХ = UВХ1 – UВХ2 = 0. |
|
|
|
Сигнал UВХ1 = UВХ2 называется симметричным |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
синфазным (совпадающим по фазе). |
|
|
|
|
|
Симметричный дифференциальный усилитель |
|
Рис. 6.3 |
|
|||
|
|
(ДУ) не усиливает синфазный сигнал. |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Это позволяет в идеальной схеме полностью подавить дрейф нуля, |
т.к. «сигнал» дрейфа является синфазным, одинаковым для обоих плеч кас- када.
|
|
|
|
|
+ EК |
|
RK1 |
|
|
RK2 |
R21 |
|
R11 |
|
|
|
|
|
1 |
UВЫХ |
2 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
VT1 |
VT2 |
|
|
UВХ.1 |
R12 |
|
RЭ |
|
R22 UВХ.2 |
|
|
|
|
|
Рис. 6.4
Пусть входные напряжения получат одинаковые приращения разных
полярностей |
1 |
UBX , т.е. UВХ = UВХ1 – UВХ2 = UВХ – на входе каскада при- |
|||
|
2 |
|
|
|
|
сутствует дифференциальный (разностный) сигнал. |
|
||||
|
|
UBX .1/ = UBX .1 + |
UBX ; UBX .2 |
/ = UBX .2 − |
UBX . |
|
|
|
2 |
|
2 |
В результате ток одного транзистора увеличивается на IК, а другого
– на IК уменьшится.
IК.1/ = IК.1 + IК; IК.2
При этом результирующий ток через резистор RЭ и падение напряже- ние на нем останется без изменений.
95
Если входное напряжение изменить только на одном входе, т.е.
UВХ.1/ = UВХ.1 + UВХ, то это приведет к изменению тока через VT1. Если бы VT2 отсутствовал, ток в его цепи изменился бы на 2 IК ( IК – приращение
тока от UВХ/2). При этом падения на RЭ увеличилось бы на URЭ/ = UВХ – UБЭ.1 ≈ 2 IК · RЭ. В действительности увеличение падения напряжения на RЭ приведет к уменьшению разности потенциалов UБЭ транзистора VT2 и ток его уменьшится, что уменьшит падение напряжения на RЭ. Потенциальная диаграмма для приращений напряжений приведена на рис. 6.5.
|
Б1 |
|
Б2 |
UВХ.1 = UБЭ.1 + URЭ; |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
= |
URЭ + UБЭ.2; |
|
|
|
|
UБЭ.1 |
|
|
UБЭ.2 |
|
UВХ.1 = UБЭ.1 + URЭ + URЭ + UБЭ.2. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
UBX.1 |
|
Э |
|
|
|
U =0 Пренебрегаем |
в первом приближении UБЭ.1,2, |
|||||||
|
|
|
|
|
|
BX.2 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
URЭ |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UВХ.1 = 2 URЭ, URЭ = UВХ / 2. |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При этом приращение |
|
||
|
|
|
Рис. 6.5 |
|
||||||||||
|
|
|
|
UБЭ.1 = |
UВХ/ 2; |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UБЭ.2 = – |
UВХ/ 2. |
|
|
|
При этом ток каждого плеча меняется на |
IК. Таким образом, ДУ уси- |
ливает разностный сигнал двух входов, причем токи обоих плеч меняются на одинаковую величину независимо от способа подачи входного сигнала. Это дает возможность при анализе ДУ рассматривать только одну его поло- вину, считая, что к входу ее приложена половина разности напряжений ме- жду входами, а RЭ = 0. Преобразованная схема имеет вид, показанный на рис. 6.6, не показаны сопротивления базовых делителей.
|
|
+ (EК – URЭ) |
RK1 |
|
RK2 |
UВЫХ |
2 |
|
1 |
|
|
VT1 |
VT2 |
|
+ UВХ/2 |
|
– UВХ/2 |
Рис. 6.6
Коэффициент усиления ДУ по напряжению на холостом ходу
K |
= UВЫХ = |
UВЫХ .1 |
− |
UВЫХ .2 ; |
U .XX |
UВХ |
UВХ .1 |
− |
UВХ .2 |
|
96
DUВЫХ .1 = -DUВЫХ .2 = |
DUВЫХ ; |
DUВХ .1 = -DUВХ .2 = |
DUВХ ; |
||||
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
K |
= |
DUВЫХ .1 |
= h |
RK |
. |
|
|
|
|
||||||
U .XX |
|
DU |
ВХ .1 |
21.Э R |
|
||
|
|
|
|
BX |
|
Таким образом, в режиме холостого хода коэффициент усиления ДУ равен коэффициенту усиления каскада с ОЭ, идентичному одному плечу ДУ.
Ke.XX = h21.Э |
|
|
RK |
|
|
|
|
. |
|
R |
Г |
+ R |
||
|
|
BX |
Выходное сопротивление каскада в два раза выше, чем у каскада с ОЭ
RВЫХ = 2 RК.
Входное дифференциальное сопротивление в два раза выше, чем у
каскада с ОЭ
RBX = DIUBX = 2 × h11.Э .
BX
При подключении сопротивления нагрузки RН коэффициент усиления уменьшается. Оценить влияние RН можно, представив выходную цепь ис- точником напряжения, с внутренним сопротивлением RВЫХ. При подключе- нии нагрузки на RН выделяется напряжение
|
|
|
|
UH = |
KU .XX ×DUВХ × RH |
. |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2RK + RH |
|
|
|
|
|
|
||
|
Если |
коэффициент |
усиления |
по |
напряжению оценить как |
||||||||||
K = |
UH |
, то он примет значение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
U |
DUВХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2RK ) P RH |
|
|||
|
|
K |
= h |
|
RK × RH |
; K |
|
= h |
. |
||||||
|
|
|
(2R |
+ R ) |
|
|
|||||||||
|
|
U .Д |
21.Э R |
|
e |
21.Э |
R |
Г |
+ R |
||||||
|
|
|
|
ВХ |
|
K |
H |
|
|
|
|
|
BX |
Дифференциальное входное напряжение при сигналах UВХ.1, UВХ.2 не-
одинаковой полярности будет равно
UВХ = UВХ.1 – (– UВХ.2) = UВХ.1 + UВХ.2,
а дифференциальное выходное напряжение
UВЫХ = KU.Д · (UВХ.1 + UВХ.2).
При наличии двух синфазных входных сигналов дифференциальное выходное напряжение пропорционально разности UВХ.1 – UВХ.2
UВЫХ = KU.Д · (UВХ.1 – UВХ.2).
Найдем входное сопротивление каскада для синфазного сигнала. Схе- ма для такого сигнала показана на рис. 6.7. Схема замещения – на рис. 6.8.
|
|
|
97 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
rБ.1 |
|
<< h21.ЭIБ.1 |
||||||
|
|
|
+ EК |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RK1 |
|
RK2 |
|
|
|
|
|
rЭ.1 |
rК.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h21.ЭIБ.2 |
|
|
|||||
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
<< |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RK.1 |
|||
VT1 |
|
VT2 |
|
|
|
|
rБ.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
UВХ |
rЭ.2 |
|
rК.2 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
RK.2 |
|
|
|
||||||
UВХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
RЭ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RЭ |
|
|
|
|
|
|
Рис. 6.7 |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 6.8 |
|
|
|
|
|
||
Если пренебречь rЭ << RЭ и RК.1,2 << rК, получим упрощенную схему |
|||||||||||||||
замещения в виде (рис. 6.9). |
Входное напряжение каскада |
|
|
||||||||||||
|
<< |
h21.ЭIБ.1 |
|
|
|||||||||||
rБ.1 |
|
U |
|
= I |
r + 2I |
|
é(1+ h |
)R P rК ù , |
|||||||
|
|
BX |
Б |
||||||||||||
|
|
rК.1 |
|
|
Б Б |
|
ê |
21.Э |
|
|
Э |
2 |
ú |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
ë |
|
|
P rК . |
û |
|||
|
h21.ЭIБ.2 |
|
|
R |
|
= 2(1+ h |
)R |
|
|
|
|||||
|
<< |
|
|
|
BX .CФ |
|
|
21.Э |
Э |
|
2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
rБ.2 |
|
rК.2 |
Чем выше RВХ.СФ, тем меньше входной ток |
||||||||||||
|
синфазного сигнала и тем меньше напря- |
||||||||||||||
|
|
||||||||||||||
UВХ |
|
|
жение |
UВХ, т.е. меньше дрейф нуля. По- |
|||||||||||
RЭ |
|
этому сопротивление RЭ необходимо уве- |
|||||||||||||
|
|
|
личивать. При увеличении RЭ приходится |
||||||||||||
Рис. 6.9 |
|
сталкиваться с проблемой обеспечения не- |
|||||||||||||
|
обходимого режима работы транзисторов |
||||||||||||||
|
|
|
по постоянному току. |
|
|
|
|
|
|
||||||
Если выбраны IК1.П и IК2.П, то для обеспечения режима покоя прихо- |
|||||||||||||||
дится с увеличением RЭ увеличивать ЕК, т.к. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
URЭ @ (IК1.П + IК2.П) RЭ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Кроме того, на RЭ рассеивается мощность, что снижает КПД каскада. |
|||||||||||||||
Для устранения этого недостатка вместо RЭ включают транзистор по |
|||||||||||||||
схеме с ОЭ, который выполняет функцию источника тока (рис. 6.10). Если в |
|||||||||||||||
цепь базы VT3 задать определенное значение тока базы IБ3, то в цепи кол- |
|||||||||||||||
лектора будет протекать ток |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
IК.3 = IК.1 + IК.2 = h21.Э IБ.3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
98
|
|
|
|
+ EК |
|
RK1 |
|
|
RK2 |
|
1 |
UВЫХ |
2 |
|
|
|
|
||
|
|
VT1 |
VT2 |
|
|
|
|
|
R1 |
UВХ.1 |
|
VT3 |
|
UВХ.2 |
RЭ
Рис. 6.10
В этой схеме отсутствуют базовые делители, т.к. режим по- коя задается током по цепи эмит- тера. Это позволяет каскаду рабо- тать с источниками сигнала с лю- бым внутренним сопротивлением.
Если бы VT3 был идеальным источником тока (rК → ∞), то из- менения токов VT1 и VT2 не вызва- ли бы изменения IК.3 и можно было бы считать, что в цепь эмиттера включено бесконечно большое со- противление, т.к. выходное сопро- тивление VT3 равно rК, можно счи- тать, что для синфазного сигнала
R |
= 2(1+ h |
)æ r P |
rК |
ö |
; |
|
|
||||||
BX .CФ |
21.Э |
ç |
К |
÷ |
|
|
|
|
è |
|
2 ø |
|
RBX .CФ = 23 (1+ h21.Э )rК .
Для количественной оценки усиления дифференциального и синфаз-
ного сигналов используют коэффициент ослабления синфазного входного напряжения KOCС, который показывает, во сколько раз KU.ДИФ выше, чем
KU.СФ
KOCС = KU .Д .
KU .СФ
Значение KOCС могут достигать 104. Для еще большего ослабления синфазного сигнала вводят синфазную ОС по току. Для этого к ДУ подклю- чают аналогичный ДУ (на VT4 и VT5), часть напряжения которого управля-
ет VT3 (рис. 6.11).
При подаче синфазного сигнала на базы VT1 и VT2 токи их изменяют- ся. Соответственно изменяются потенциалы баз VT4 и VT5 и токи через них, что вызовет изменение напряжения на резисторе R2. Пусть синфазный сиг- нал уменьшит IК.1 и IК.2, потенциалы баз VT4 и VT5 возрастут, IК.4 и IК.5 уве- личатся. Повысится напряжение на R2, что вызовет увеличение тока IК.3 и уменьшение падения напряжения на нем. В свою очередь, увеличатся UБЭ.1,2 и токи IК.1 и IК.2. Обратная связь по синфазному сигналу поддерживает рабо-
чие токи транзисторов вблизи заданных и тем самым уменьшает разбаланс каскада, не оказывая влияния на усиление дифференциального сигнала.
Аналогично выполняют ДУ на полевых транзисторах. Температурный дрейф нуля ДУ составляет 1 ¸ 20 мкВ/град. ДУ широко используются для построения входных каскадов операционных усилителей.
99
+EК
RK1 |
R |
K2 |
RK3 |
RK4 |
|
|
|
||
|
|
|
1 |
UВЫХ 2 |
|
VT1 VT2 |
|
|
VT4 VT5 |
|
VT3 |
|
|
R1 |
|
|
|
|
|
UВХ.1 |
RЭ |
|
UВХ.2 |
R2 |
|
|
|
Рис. 6.11
При интегральном исполнении дифференциальных усилительных кас- кадов вместо резисторов RК широко используют транзисторы, выполняю- щие функцию динамических нагрузок каскада. Подобные схемы позволяют
обеспечить существенно большие значения коэффициента усиления по сравнению с рассмотренной схемой, имеющей резистивные нагрузки, что важно при создании многокаскадных УПТ. Пример построения такого кас- када показан на рис. 6.12.
+ EК
VT3 VT4
|
RГ |
+ − |
VT1 |
еГ |
–
<<
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VT2 |
|
|
|
|
|
|
|
RН |
||
|
|
|||||||||
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IЭ
Рис. 6.12
Транзисторы VT3 и VT4 p-n-p тапа, выполняющие функцию динами- ческих нагрузок каскада, близки по параметрам. При этом транзистор VT3
100
используется в качестве диода. Ток IК.1 транзистора VT1 , протекающий че- рез транзистор VT3, создает падение напряжения UБЭ.3, определяющее на- пряжение UБЭ.4. Поскольку транзисторы VT3, VT4 близки по параметрам, ток IК4 будет близок к IК.1 (это свойство получило название токового зерка- ла). Выходной дифференциальный сигнал снимается с коллектора транзи- стора VT2. При еГ = 0схема находится в режиме покоя. Токи IК.1 = IК.2 = IК.4 ≈
≈ IЭ / 2. Ток IК.4 протекает через транзистор VT2; IН = 0, UВЫХ = 0. Предположим, что источник входного сигнала еГ имеет полярность,
показанную на рис. 6.12. Входной ток IВХ, протекающий под воздействием сигнала еГ, увеличивает ток IБ.1 и уменьшает ток IБ.2. Изменение базовых то-
ков вызывает изменение |
коллекторных токов IК.1 = |
IЭ / 2 |
+ h21.Э · IВХ, |
IК.2 = IЭ / 2 – h21.Э |
· IВХ. Так как ток IК.4 |
равен |
току IК.2, то |
IК.4 = IЭ / 2 + h21.Э · IВХ. При этом ток нагрузки IН = IК.4 – IК.2 = 2 h21.Э · IВХ. На- пряжение на выходе UВЫХ = 2 h21.Э · IВХ · RН. Подача входного напряжения
противоположной полярности вызывает изменение направления токов IВХ, IН и полярности напряжения UВЫХ.
Коэффициент усиления каскада по напряжению
K = UВЫХ |
= |
2h21.Э × RH |
. |
|
|
||||
U |
eГ |
|
RГ + 2h11.Э |
|
|
|
При RГ = 0
K = h21.Э × RH .
U h11.Э
В многокаскадных УПТ RН является входным сопротивлением после- дующего каскада, величина которого с помощью средств современной схе- мотехники может быть обеспечена порядка нескольких сотен килом. По- этому коэффициент KU.Д в каскаде с динамической нагрузкой может дости- гать несколько сотен.
6.5 Усилители постоянного тока с преобразованием
Наименьшим дрейфом нуля из рассмотренных УПТ обладают ДУ. Однако, дрейф нуля отсутствует только при абсолютной идентичности плеч ДУ. Лучшие дифференциальные УПТ имеют дрейф нуля единицы мкВ/град.
В то же время возникает необходимость в измерении сверхмалых токов ≈ 1 нА и напряжений в единицы мкВ. В этом случае используются УПТ с преобразованием (УПТП). Они позволяют получить уровень дрейфа 10-2 – 10-1 мкВ/ 0С. В УПТП медленно изменяющийся сигнал преобразуется в переменный, изменение амплитуды которого повторяет изменение вход- ного сигнала. Затем производится усиление переменного сигнала и обрат- ное преобразование. Преобразование постоянного сигнала в переменный называется модуляцией, обратное преобразование – демодуляцией, поэтому