Усилитель постоянного тока
1. Усилитель постоянного тока
Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигнала с напряжением, величина которого медленно изменяется в течение времени, т.е. с частотой f 0. Типичная амплитудно-частотная характеристика таких усилителей приведена на рис. 2.28.
Как отмечалось, уменьшение коэффициента усиления в области низких частот связано с наличием в схеме усилителя конденсаторов. Очевидно также, что в УПТ по этой же причине нельзя использовать трансформаторную связь между каскадами. Следовательно, в УПТ связь между каскадами может быть только непосредственной. Однако при такой связи в усилителе имеет место дрейф нуля – самопроизвольное изменение выходного сигнала при неизменной величине входного сигнала. Источниками данного явления могут быть нестабильности источников питания и в особенности изменение параметров транзисторов и других элементов схемы при изменении температуры и в результате старения. Для выяснения причины явления дрейфа нуля следует сравнить условия передачи сигнала между каскадами при емкостной и непосредственной связями между ними.
Рисунок 2.28. Амплитудно-частотная характеристика
усилителя постоянного тока
Нестабильности источников питания и тепловые уходы параметров элементов схемы проявляются в изменении режима работы транзистора по постоянному току. Поскольку эти изменения происходят медленно, то они через разделительные конденсаторы не передаются последующим каскадам. Если же связь между каскадами непосредственная, то изменения режимов работы предыдущего каскада усилителя передаются последующему и воспринимается последним, наряду с усиливаемым сигналом, как полезная информация. Это видно из анализа схемы участка многокаскадного УПТ, соответствующего двум соседним каскадам, приведенной на рис. 2.29.
Рисунок 2.29. Схема участка УПТ на стыке двух соседних каскадов
Действительно, для контура на рис. 2.29 можно записать
U кэ1 + R э1I э1 = UБэ2 + R э2 I э2, (2.47)
где индексы “1” относятся к предыдущему каскаду, а индексы “2” – к последующему. Из соотношения (2.47) следует, что режим работы последующего каскада определяется режимом предыдущего, а поэтому любое изменение режима предыдущего каскада отражается на режиме последующего. В данном случае нет необходимости вводить между каскадами УПТ делительной цепочки, сопротивление резисторов которой при разделительных конденсаторах задает режим входной цепи транзистора по постоянному току.
Качество работы УПТ оценивается при использовании параметра “приведенного дрейфа”, е, величина которого определяется напряжением на выходе усилителя, u, при закороченном его входе (u = 0). В этом случае на выходе УПТ напряжение будет обусловлено только дрейфом нуля. Если Кu - коэффициент усиления усилителя, то
е = . (2.48)
Очевидно, на выходе усилителя полезный сигнал должен преобладать над сигналом, обусловленным дрейфом нуля. Следовательно, напряжение полезного сигнала на входе должно быть больше величины параметра е, т.е. дрейф нуля в УПТ ограничивает снизу уровень входного сигнала, с которого может быть обеспечено усиление.
2. Дифференциальный каскад
Существенное уменьшение дрейфа нуля в УПТ достигается с помощью схемного решения, которое реализуется в дифференциальном усилительном каскаде. В основу его построения положен принцип сбалансированного моста. Известно, что баланс моста (см. рис. 2.30) сохраняется как при изменении подводимого к нему напряжения, так и при изменении сопротивления резисторов, если выполняется условие
= . (2.49)
На рис. 2.31 представлена одна из наиболее распространенных схем дифференциального каскада, которая состоит из двух частей: мостовой (верхняя часть схемы) и источника стабильного тока. В мостовой части схемы два плеча моста образуются резисторами R и R (аналоги резисторам R и R схемы рис. 2.30), а два других транзисторами Т и Т
Рисунок 2.30. Схема четырехплечего Рисунок 2.31. Схема дифференци- моста ального усилительного каскада
(аналоги резисторам R и R схемы рис. 2.30). Выходное напряжение снимается с коллекторов транзисторов, т.е. с диагонали моста. Оно равно нулю при балансе моста, который достигается при работе одинаковых по параметрам транзисторов Т и Тв одинаковых режимах, а также одинаковых сопротивлениях резисторов R и R. Если при повышении температуры в процессе работы значения параметров элементов каждой из этих пар изменяются одинаково, то условие (2.49) будет выполняться. Идентичность параметров соответствующих элементов мостовой части схемы обеспечивается технологией изготовления интегральных микросхем, в состав которых входят дифференциальные каскады.
Назначением нижней части схемы рис. 2.31 дифференциального каскада является обеспечение стабильного значения суммы эмиттерных токов транзисторов Т и Т. Эта часть схемы собрана на транзисторе Т. Для определения величины суммарного эмиттерного тока I, протекающего через транзистор Т, следует записать второй закон Кирхгофа для контура, содержащего транзисторы Т и Т,
U + Iэ R = I R2 + U.
Откуда
I = . (2.50)
Значение тока I также определяется с помощью второго закона Кирхгофа, но записанного для контура, содержащего транзистор Т и источник - Е.
I = . (2.51)
Величина разности U - U в числителе соотношения (2.50) при идентичности транзисторов Т и Т очень мала и ее зависимость от температуры незначительна. Поэтому ток I, по существу, определяется сопротивлениями резисторов R, R и R и напряжением источника - Е. При стабильном источнике напряжения - Е обеспечивается стабильность суммы эмиттерных токов транзисторов Т и Т.
При наличии в составе схемы дифференциального каскада источника стабильного тока I базы транзисторов Т и Т находятся под положительным потенциалом относительно “земли”, и транзисторы работают в режиме класса А.
Как видно из рис. 2.31, особенностями дифференциального каскада являются:
- использование двухполярного источника постоянного напряжения, для чего каскад имеет три клеммы питания + Е,- Е и “земля”;
- наличие двух входов для подачи усиливаемых сигналов;
- отсутствие общей точки, которой обычно является “земля”, между источниками входного сигнала и нагрузкой.
Для выяснения различия между двумя входами дифференциального каскада целесообразно рассмотреть два варианта подачи входного сигнала:
а) входной сигнал подается на первый вход каскада (на базу транзистора Т), а второй вход заземлен;
б) входной сигнал подается на второй вход каскада (на базу транзистора Т), а первый вход заземлен.
Рисунок 2.32. Подача входного сигнала положительной полярности
в дифференциальном каскаде: а - со стороны транзистора Т1,
б – со стороны транзистора Т2
Пусть на базу транзистора Т при заземленной базе транзистора Т подается напряжение входного сигнала положительной полярности, при котором происходит увеличение базового тока транзистора Т относительно этого тока в точке покоя. Ток базы транзистора Т также изменится, но в противоположную сторону, т.е. уменьшится. Это иллюстрируется рис. 2.32,а, где пунктиром отмечен контур, по которому протекает ток I, обусловленный подачей входного сигнала. Видно, что ток I протекает в направлении к транзистору Т, но от транзистора Т. Изменение базовых токов транзисторов Т и Т вызывает изменение их коллекторных токов. Как следует из рис. 2.33,а, где приведены выходная характеристика и линия нагрузки*/, ток коллектора транзистора Т увеличивается, а транзистора Т - уменьшается. Изменение этих токов относительно тока точки покоя будет одинаковым, поскольку схемой дифференциального каскада обеспечивается постоянство суммы эмиттерных токов
I + I = I = const .
Рисунок 2.33. Положение рабочих точек транзисторов Т1 (1) и Т2 (2)
на выходной характеристике при подаче входного сигнала
положительной полярности: а - со стороны транзистора Т1,
б – со стороны транзистора Т2
Выходное напряжение дифференциального каскада, снимаемое с коллекторов транзисторов Т и Т, можно представить как
U = U - U = (Е - IR) – (Е - IR). (2.52)
С учетом того, что сопротивления резисторов R и R одинаковы, а
I = I - I и I = I + I, где I - изменение коллекторных токов транзисторов относительно тока в точке покоя, следует
U = 2 R I.
Выходное напряжение имеет положительную полярность.
При подаче на базу транзистора Т входного сигнала отрицательной полярности, направление тока I изменится на противоположное относительно того, что показано на рис. 2.32,а. В результате величина базового тока транзистора Т уменьшится, а транзистора Т - увеличится. Соответствующим образом изменятся величины коллекторных токов, и выходное напряжение будет отрицательным
U = -2 R I.
Таким образом, при подаче сигнала на базу транзистора Т и заземленной базе транзистора Т усиление в дифференциальном каскаде происходит без изменения полярности сигнала, т.е. его инверсия отсутствует.
Случай подачи входного сигнала положительной полярности на базу транзистора Т и заземленной базе транзистора Т (способ “в” подачи входного сигнала) иллюстрируется рис. 2.32,б и 2.33,б. Анализ, аналогичный проведенному выше, позволяет заключить, что в этом случае выходное напряжение дифференциального каскада
U = -2 R I.
При подаче входного сигнала отрицательной полярности
U = 2 R I.
Следовательно, при усилении происходит изменение полярности сигнала, т.е. его инверсия.
Аналогичные выводы можно получить непосредственно, используя построения на рис. 2.33. Действительно, если напряжение на выходе дифференциального каскада
U = UКЭ2 - UКЭ1,
то из этого рисунка видно, что при положительном напряжении, подаваемом на базу транзистора Т, U > 0, а при подаче на базу транзистора Т2 положительного напряжения U < 0.
Из приведенного анализа следует, что один вход дифференциального каскада является неинвертирующим, а второй – инвертирующим. При подаче входного сигнала на инвертирующий вход усиление сопровождается инверсией его полярности. Иными словами, выходной сигнал по фазе сдвинут относительно входного сигнала на 1800. При подаче входного сигнала на неинвертирующий вход при усилении инверсия полярности отсутствует, выходной и входной сигналы синфазны.
Передаточная характеристика дифференциального каскада имеет две ветви: одна – для неинвертирующего входа, другая – для инвертирующего. Каскад может работать как в линейном, так и в нелинейном режимах. Если рабочие точки транзистора находятся в области линейных зависимостей токов и напряжений, то как видно из рис. 2.3, дифференциальный каскад работает в линейном режиме. При увеличении входного напряжения рабочие точки удаляются от точки покоя П до тех пор, пока в одном из транзисторов не закроется эмиттерный переход, а в другом – откроется коллекторный переход. В этом случае дифференциальный каскад переходит в нелинейный режим. Поскольку линия нагрузки, по которой перемещаются рабочие точки транзисторов, пересекается с горизонтальной осью при UКЭ = ЕК, то как следует из рис. 2.33, максимальное напряжение на выходе каскада лишь немного не достигает значения напряжения источника питания ЕК.
*/ Поскольку в схемах УПТ отсутствуют реактивные элементы, линия нагрузки одна.
Усилитель постоянного тока