 |
|
Усилители постоянного тока
Во многих случаях применения радиоэлектронных устройств приходится иметь дело с сигналами, частоты которых близки к нулю. Например, в автоматических системах управления, при исследовании медленно протекающих процессов в физике, биологии и медицине. Для усиления медленно меняющихся во времени сигналов применяют усилители постоянного тока (УПТ).
УПТ присущ дрейф нуля – самопроизвольное появление медленно изменяющегося сигнала на выходе при отсутствии входного сигнала. Дрейф нуля практически отсутствует в схемах УПТ построенных на принципах балансного моста и называемых дифференциальными усилителями.
Схема симметричного дифференциального усилителя (ДУ) показана на рис. 4.18. Дифференциальные усилители строятся по принципу балансного моста, плечи которого образуют 
с транзистором VT1 и резистор 
с транзистором VT2. В одну диагональ моста подведено напряжение от источника питания, а в другую диагональ включен резистор нагрузки 
. В ДУ подбирают пару транзисторов со строго идентичными характеристиками, устанавливают одинаковыми их режимы, 
, 
тоже выбирают одинаковыми. На резисторе 
создается падение напряжения за счет эмиттерных токов транзисторов 
, которое является напряжением отрицательной обратной связи.
Симметричный дифференциальный усилитель имеет два входа (причем 
) и один диагональный выход. Поэтому в этом случае выходное напряжение равно
, (4.26)
где 
, 
– коэффициенты усиления каскадов на транзисторе VT1 и VT2 соответственно.
Рис. 4.18. Схемы симметричного дифференциального усилителя
При разностном входном сигнале напряжения на входах ДУ коллекторные токи имеют приращения противоположных знаков. Поэтому приращения эмиттерных токов также будут иметь противоположные знаки. В результате этого на резисторе 
образуется приращение напряжения
.
Если каскады усилителей на транзисторе VT1 и VT2 обладают одинаковыми параметрами, то 
и 
. Поэтому для разностного входного сигнала каждое плечо ДУ можно представить как усилитель на резисторах с общим эмиттером (рис. 4.19а) с коэффициентом усиления
, (4.27)
где 
– крутизна проходной ВАХ транзистора, 
– сопротивление резистора в цепи коллектора.
Качество работы ДУ характеризуется коэффициентом усиления разностного сигнала. Согласно (4.26) коэффициент усиления ДУ разностного сигнала при идентичности плеч 
и с учетом того, что 
, равен
. (4.28)
Дестабилизирующие факторы, например, такие, как изменение температуры, напряжения питания, порождают напряжения, которые действуют на оба входа в фазе. Такие сигналы называют синфазными ( 
). При синфазном входном сигнале приращения напряжений на входах ДУ имеют одинаковые знаки, и, следовательно, приращения эмиттерных токов также будут иметь одинаковые знаки. В результате этого на резисторе 
образуется приращение напряжения
,
которое в случае идентичности усилительных каскадов на транзисторе VT1 и VT2 будет равным 
. Поэтому для синфазного входного сигнала каждое плечо ДУ представляет усилитель, охваченный отрицательной обратной связью (ООС) с коэффициентом обратной связи 
(рис. 4.19б).
а) б)
Рис. 4.19. Схемы, представляющие одно плечо симметричного
дифференциального усилителя:
а) для разностного входного сигнала,
б) для синфазного входного сигнала
Коэффициент передачи усилителя с ООС определяется выражением
Так как 
, то коэффициент усиления синфазного сигнала одного плеча ДУ равен
.
Степень компенсации дрейфа нуля ДУ характеризуют коэффициентом ослабления синфазного сигнала
.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала одного плеча ДУ
. (4.29)
Из анализа формулы (4.29) можно видеть, что синфазный сигнал будет подавляться тем сильнее, чем больше 
. Поэтому, вместо 
в интегральных схемах ДУ применяют источник тока. Для примера на рис. 4.20 показана схема ДУ с источником тока, который выполнен на транзисторе VT3. Применение источника тока для синфазных сигналов обеспечивает постоянство 
, т.е. 
и высокое дифференциальное сопротивление, практически 
, при этом, согласно (4.29), 
. Так как, согласно (4.26), коэффициент усиления синфазного сигнала ДУ равен разности 
и 
,
то в качественных ДУ 
достигает 80-120 дБ.
ДУ на дискретных элементах даже при тщательном подборе транзисторов имеет значительно худшие температурные параметры, чем ДУ в интегральном исполнении. Если у одиночного биполярного транзистора температурный дрейф составляет 2,5 мВ/К, то у современных ДУ в интегральном исполнении – 1-10 мкВ/К.
Рис. 4.20. Дифференциальный усилитель с высоким 
В интегральных схемах (ИС) резисторы и транзисторы изготавливаются в одних технологических условиях, поэтому имеют близкие параметры. Кроме того, они находятся настолько близко друг к другу, что при изменении окружающей температуры и разогреве ИС протекающими токами их температура почти одинакова.