--PAGE_BREAK--2. ОСОБЕННОСТИ НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Непосредственная связь каскадов в УПТ обуславливает особенности расчёта их режима покоя (напряжения и токов при eг= 0). Параметры режима покоя каскада рассчитывают с учётом элементов, относящихся к выходной цепи предыдущего каскада и входной цепи последующего каскада. При выборе схемы каскада особое внимание уделяется обеспечению стабильности параметров режима покоя в отношении влияния всех дестабилизирующих факторов и особенно изменения напряжения питания и температуры окружающей среды.[3]
Особенности непосредственной связи каскадов в УПТ рассмотрим на примере трёхкаскадного усилителя (рис.2.1).
В схеме усилителя выводы коллектора и базы транзисторов соседних каскадов соединены непосредственно. В этих условиях резисторы Rэкаждого последующего каскада (осуществляющие внутрикаскадные отрицательные обратные связи по постоянному току) предназначены также для создания необходимого напряжения Uбэпв режиме покоя. Это достигается повышением отрицательного потенциала на эмиттере каждого транзистора от протекания через резистор Rээмиттерного тока до величины, меньшей по абсолютному значению потенциала его базы или, что то же, потенциала коллектора транзистора предыдущего каскада. Так, для транзистора T2второго каскада имеем:
Uбэп2= Uкп1– Uэп2= Uкп1– Iэп2Rэ2. (1.1)
Во входную цепь усилителя (рис.2.1) последовательно с источником входного сигнала включен источник входного компенсирующего напряженияUкомп.вх. его вводят для того, чтобы при eг= 0 напряжение Uбп1соответствовало требуемому значению напряжения в режиме покоя и ток через источник был равен нулю. С этой целью компенсирующее напряжение выбирают равным Uбп1.
Нагрузка Rнусилителя включена в диагональ моста, образованного элементами выходной цепи оконечного каскада и резисторами R3, R4. Такой способ подключения нагрузки используют в тех случаях, когда необходимо обеспечить условие Uн= 0 при eг =0. Резисторы R3, R4в схеме выполняют роль делителя для создания компенсирующего напряжения выходной цепи каскада, равного Uкп3при eг= 0.
Сопротивление Rэ1, рассчитываемое по режиму температурной стабилизации первого каскада, имеет величину от нескольких сотен Ом до 1-3 кОм. Сопротивления Rэпоследующих каскадов используют не только для температурной стабилизации, но также для обеспечения требуемых значений Uбэпв режиме покоя. При связи базы транзистора последующего каскада с коллектором транзистора предыдущего каскада (рис.2.1) напряжение на эмиттере, так же как и напряжение на коллекторе каждого последующего каскада, увеличивается (по абсолютной величине в случае транзисторов типа p-n-p).
Это вызывает необходимость повышения сопротивления Rэв каждом последующем каскаде с целью получения требуемых значений Uэп. Возникающие при этом трудности связаны с тем, что увеличение Rэприводит к уменьшению коэффициентов усиления последующих каскадов и общего коэффициента усиления усилителя.
Указанный недостаток схемы может быть исключён при некотором видоизменении её каскадов, как показано на рис.2.2, а, б. В схеме рис.2.2, а сопротивление Rэуменьшается за счёт включения резистора Rди пропускания через резистор Rэдополнительной составляющей тока Iд. Для схемы рис.2.2, б задачу решают включением в цепь эмиттера стабилитрона.
Способ построения УПТ на основе непосредственной связи простейших усилительных каскадов может быть использован для получения сравнительно невысокого коэффициента усиления (порядка нескольких десятков) при относительно большом усиливаемом сигнале 0,05 – 0,1 В.
При необходимости получения больших коэффициентов усиления (сотни и тысячи) применение этого способа построения УПТ невозможно ввиду сильного проявления дрейфа усилителя, вызываемого нестабильностью напряжения питания и особенно температурной нестабильностью параметров транзисторов, в частности Iк0(э) = (1+B)Iк0. Минимальные изменения напряжения на коллекторах транзисторов первых каскадов, возникающие под воздействием температурных изменений тока Iк0(э), усиливаются последующими каскадами, создавая недопустимые изменения выходного напряжения усилителя. Применение же температурной компенсации здесь затруднено по технологическим соображениям. Она основана на том, что при Температурная компенсация предполагает включение в схему усилителя термочувствительных элементов, например терморезисторов. Она основана на том, что при изменении температуры приращения токов и напряжений в схеме под влиянием изменения параметров вводимых элементов действуют в направлении, обратном их приращениям, вследствие температурной нестабильности параметров транзисторов. В условиях разброса параметров используемых элементов температурная компенсация требует тщательного подбора термокомпенсирующих элементов для каждого отдельного усилителя с учётом всего температурного диапазона его работы, что неприемлемо при серийном производстве и эксплуатации аппаратуры (из-за трудностей ремонта).[1]
продолжение
--PAGE_BREAK--3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ
Радикальным средством уменьшения дрейфа УПТ являетсяприменениепараллельно-балансных (дифференциальных)каскадов. Одна из наиболее распространённых схем дифференциальных усилительных каскадов представлена на рис.3.1. По этой схеме построены каскады, выпускаемые в виде отдельных микросхем (например, К1УТ181, К1УТ221); она используется также во входных каскадах многих УПТ интегрального исполнения.[4]
Дифференциальный усилительный каскад выполняют по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами Rк1и Rк2, а два других – транзисторами Т1 и Т2. Выходное напряжение снимается между коллекторами транзисторов (т.е. с диагонали моста) или с коллекторов.
На транзисторе Т3 собрана схема источника стабильного тока Iэ1и Iэ2транзисторов Т1, Т2.в схему источника стабильного тока входят резисторы R1, R2, R3и источник питания Eк2. Транзистор Т4 в диодном включении предназначен для повышения стабильности тока Iэв зависимости от изменения температуры (элемент температурной компенсации).
Дифференциальный каскад допускает подачу входных сигналов от двух источников (на оба входа Uвх1, Uвх2) или от одного источника входного сигнала (рис.3.1, 3.2). в последнем случае входной сигнал подаётся на базу одного из транзисторов или между обеими базами. Входы Uвх1и Uвх2при схемах соединения по рис.3.3, 3.4 называются дифференциальными.
Питание каскада производится от источников + Ек1 и – Ек2 с равными напряжениями. С помощью напряжения питания Ек2 снижают потенциал эмиттеров транзисторов Т1, Т2 относительно общей точки схемы («земли»). Это позволяет подавать сигналы на входы усилителя без введения дополнительных компенсирующих напряжений, что требовалось, в частности, в схеме рис.3.1.
Схема дифференциального каскада требует применения близких по параметрам транзисторов Т1, Т2 и равенства сопротивлений Rк1, Rк2(рис.3.2). Благодаря этому при входных сигналах, равных нулю, достигается баланс моста, напряжения на коллекторах обоих транзисторов равны и выходное напряжение, снимаемое с диагонали, Uвых= Uвых1– Uвых2= 0. Высокая стабильность схемы в отношении изменения напряжения питания, температуры и прочих факторов объясняется тем, что при одинаковом дрейфе по обоим усилительным каналам каскада напряжения на коллекторах изменяются на одну и ту же величину и дрейф на выходе каскада отсутствует. В реальных условиях за счёт существующего разброса параметров транзисторов или их неодинакового изменения во времени некоторый дрейф в каскаде всё же имеется. Однако он существенно меньше, чем в предыдущих схемах, поскольку величина дрейфа здесь определяется разностным дрейфом двух близки по параметрам усилительных каналов. Идентичность параметров транзисторов Т1, Т2 легко достигается при интегральном (микросхемном) исполнении, когда их изготовление осуществляется в едином технологическом процессе на общем кристалле полупроводника.
а) б)
Схема дифференциального усилительного каскада допускает подачу входных сигналов одновременно на оба входа (рис.3.2). Дифференциальное входное напряжение при сигналах Uвх 1, Uвх2неодинаковой полярности будет равно
Uвх= Uвх1+ Uвх2 (3.1),
а дифференциальное входное напряжение:
Uвых= KUд(Uвх1+Uвх2) (3.2)
Представляет интерес также подключение входных напряжений одинаковой полярности, т.е. двух совпадающих по фазе (синфазных) сигналов. Дифференциальный каскад позволяет решать часто встречающуюся на практике задачу сравнения с высокой степенью точности значений напряжений входных сигналов или увеличения их разности. Это, в частности, объясняет название «дифференциальный каскад». При наличии двух синфазных входных сигналов дифференциальное выходное напряжение пропорционально разности Uвх1– Uвх2:
Uвых= KUд(Uвх1– Uвх2) (3.3)
При подаче на входы двух сигналов одинаковой полярности необходимо учитывать возможность появления на выходах Uвых1, Uвых2так называемой выходной синфазной ошибки. Она обусловливается наличием на обоих входах одинакового постоянного напряжения (постоянной составляющей), равному наименьшему из напряжений Uвх1, Uвх2.
Синфазную ошибку усиления оценивают коэффициентомсинфазной передачи каскада Ксинф = Uбал/ Есинф, который обычно много меньше единицы. Качество дифференциального каскада характеризуется отношением Ксинф / КUд, показывающим способность каскада различать малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного напряжения. Выражение 20lg(Ксинф / КUд) характеризует коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) дифференциального каскада. В современных дифференциальных усилительных каскадах величина КОСС может составлять от – 60 до – 100 дБ.[1]
продолжение
--PAGE_BREAK--