Электроника 1.1 / Физические основы электроники

рами Rб1 и Rб2 . Переменная, составляющая коллекторного напряжения, замыкается через конденсатор Cф и практически не оказывает влияния

на напряжение Uбэ транзистора, а следовательно, и на коэффициент усиления полезного сигнала.

Рис. 3.43. Схемы коллекторной стабилизации положения рабочей точки

3.13. Составной транзистор

Составным транзистором называется соединение двух и более транзисторов, эквивалентное одному транзистору, но с большим коэффициентом усиления или другими отличительными свойствами. Известно несколько схем составного транзистора.

1. Схема Дарлингтона. Она характеризуется тем, что входные цепи всех входящих в нее транзисторов соединены последовательно, а выходные цепи – параллельно (рис. 3.44). Транзисторы VT1 и VT 2 , входящие в состав составного транзистора, можно представить в виде одного транзистора с выводами эмиттера (Э), базы (Б) и коллектора (К). Коллекторный ток составного транзистора равен сумме коллекторных токов, входящих в него транзисторов:

131

132

где Rвых1 и Rвых2 – выходные сопротивления транзисторов VT1 и VT 2

соответственно.

Очевидно, что мощность транзистора VT 2 должна быть больше мощности транзистора VT1, т. к. Iк2 Iк1.

Следует отметить, что в схему составного транзистора Дарлингтона может быть включено и большее количество отдельных транзисторов.

2.Составной транзистор на комплементарных транзисторах

(рис. 3.45) – транзисторах противоположных типов электропроводности p–n–p и n–p–n. Эта схема составного транзистора эквивалентна эмиттерному повторителю – транзистору, включенному по схеме с общим коллектором. Он имеет большое входное сопротивление и малое выходное, что очень важно во входных каскадах усиления.

3.Составной транзистор, выполненный по так называемой каскодной схеме (рис. 3.46). Она характеризуется тем, что транзистор VT1

включен по схеме с общим эмиттером, а транзистор VT 2 – по схеме с общей базой. Такой составной транзистор эквивалентен одиночному транзистору, включенному по схеме с общим эмиттером, но при этом он имеет гораздо лучшие частотные свойства и большую неискаженную мощность в нагрузке.

Выводы

1.Соединение из двух или трех транзисторов – составной транзистор – позволяет получить существенное увеличение коэффициента усиления по току или другие отличительные свойства по сравнению с одиночным транзистором.

3.14. Усилители постоянного тока

Усилителями постоянного тока называют такие устройства, которые могут усиливать медленно изменяющиеся электрические сигналы, т. е. они способны усиливать и переменные, и постоянные составляющие

133

входного сигнала. Усилители постоянного тока имеют много разновидностей (дифференциальные, операционные, усилители с преобразованием входного сигнала и др.). Поскольку такие устройства пропускают наряду с переменной составляющей еще и постоянную, то отдельные каскады должны быть связаны между собой либо непосредственно, либо через резисторы, но не через разделительные конденсаторы или трансформаторы, которые не пропускают постоянную составляющую. Основную проблему усилителей постоянного тока представляет дрейф нуля – отклонение напряжения на выходе усилителя от начального (нулевого) значения при отсутствии входного сигнала. Основной причиной этого явления являются температурная и временная нестабильность параметров активных элементов схемы усилителя, резисторов, а также источников питания.

Одним из возможных путей уменьшения дрейфа нуля является ис-

пользование дифференциальных усилителей.

3.14.1. Дифференциальные усилители

Принцип работы дифференциального усилителя поясним на примере четырехплечевого моста (рис. 3.47), выполненного на резисторах R1, R2, R3, R4. В одну диагональ включен источник U , а в другую – сопротивление нагрузки Rн . Если выполняется условие

то мост сбалансирован и ток в Rн будет равен нулю. Баланс не нару-

шится, если будут меняться напряжение U и сопротивления резисторов плеч моста, но при условии, что соотношение (3.68) сохранится.

R1 R3

Rн

U

R2 R4

Рис. 3.47. Схема четырехплечевого моста

На рис. 3.48 представлена схема простейшего дифференциального усилителя. Очевидно, что она аналогична схеме моста на рис. 3.47, если

134

R2 и R4 заменить транзисторами VT1 и VT 2 и считать, что R1 Rк1 ,

R3 Rк2 .

Сопротивления Rк1 и Rк2 выбирают равными, а транзисторы VT1 и VT 2 – идентичными. Тогда при отсутствии входного сигнала Uвых12

также равно нулю. Температурное воздействие будет одинаковое на оба идентичных транзистора, поэтому хотя их параметры и изменятся, но одинаково и в одну сторону, что не отразится на выходном сигнале, т. к. разность Uвых1 и Uвых2 останется неизменной. Если на входы схемы

Uвх1 и Uвх2 подать одинаковые сигналы по величине и фазе, называе-

мые синфазными, то токи обоих транзисторов будут изменяться на одинаковую величину, соответственно будут изменяться напряжения Uвых1

и Uвых2 , а напряжение Uвых12 по-прежнему будет сохраняться равным нулю. Если на входы подать одинаковые по величине, но сдвинутые по

фазе на 180 сигналы, называемые дифференциальными, то возрастание тока в одном плече будет сопровождаться уменьшением тока в противоположном, вследствие чего появится напряжение на дифференциальном выходе Uвых12 . Изменение температуры, паразитные наводки, ста-

рение элементов и др. можно рассматривать как синфазные входные воздействия. Исходя из этого, дифференциальный каскад обладает очень высокой устойчивостью работы и малочувствителен к помехам.

Uвх1 Uвх2

Рис. 3.48. Схема дифференциального усилителя

Выводы

1.Дифференциальные усилители предназначены для усиления сколь угодно медленно изменяющихся во времени сигналов, частотный диапазон которых начинается от 0 Гц.

135

2.Дифференциальный усилитель имеет следующие достоинства: малый дрейф нуля; высокую степень подавления синфазных помех.

3.Недостатки дифференциального усилителя: требует двухполярного источника питания; необходима очень высокая симметрия схемы.

3.14.2. Операционный усилитель

Операционным усилителем называют усилитель постоянного тока, предназначенный для выполнения различного рода операций над аналоговыми сигналами при работе в схемах с отрицательной обратной связью.

Операционные усилители обладают большим и стабильным коэффициентом усиления напряжения, имеют дифференциальный вход с высоким входным сопротивлением и несимметричный выход с низким выходным сопротивлением, малым дрейфом нуля, т. е. под операционным усилителем понимают высококачественный универсальный усилитель.

Условные обозначения операционных усилителей приведены на рис. 3.49. Один из входов, обозначенный знаком «+», называют неинвертирующим (прямым), т. к. сигнал на выходе и сигнал на этом входе имеют одинаковую полярность. Второй вход, обозначенный знаком «–» (его также обозначают знаком инверсии « о»), называют инвертирующим, т. к. сигнал на выходе по отношению к сигналу на этом входе имеет противоположную полярность. Помимо трех сигнальных контактов (двух входных и одного выходного), операционный усилитель содержит дополнительные контакты (обычно число контактов составляет 14 или 16).

Рис. 3.49. Условные обозначения операционных усилителей

Параметры операционного усилителя характеризуют его эксплуатационные возможности. Основными параметрами являются:

1. Коэффициент усиления напряжения без обратной связи ku , по-

казывающий, во сколько раз напряжение на выходе превышает напряжение сигнала, поданного на дифференциальный вход. Типовое значе-

ние ku 105 106 .

136

2. Коэффициент ослабления синфазного сигнала kосл сф , показы-

вающий, во сколько раз дифференциальный сигнал сильнее синфазного. Данный параметр определяется свойствами входного дифференциального каскада и составляет 80 100 дБ.

3. Напряжение смещения нуля U см , представляющее собой по-

стоянное напряжение определенной полярности, которое необходимо подать на вход при отсутствии входного сигнала, для того чтобы напряжение на выходе стало равным нулю. Наличие отклонения выходного напряжения от нуля обусловлено, хотя и малым, но неизбежным дисбалансом плеч дифференциального каскада. Практически

Uсм 5 20 мВ.

4. Температурный дрейф напряжения смещения ТКUсм UTсм ,

характеризующий изменение напряжения Uсм при изменении темпера-

туры и составляющий 1 30 мкВС .

5. Входное сопротивление для дифференциального Rвх диф сигнала.

Измеряется со стороны любого входа в то время, когда другой вход соединен с общим выводом. Величина Rвх диф лежит в пределах сотен

кОм – единиц МОм.

6. Входное сопротивление для синфазного Rвх сф сигнала. Измеря-

ется между соединенными вместе входами операционного усилителя и корпусом. Данное сопротивление на несколько порядков больше, чем сопротивление для дифференциального сигнала.

7. Выходное сопротивление Rвых . Величина выходного сопротивления для операционного усилителя составляет десятки – сотни Ом.

3.14.3.Схемотехника операционных усилителей

Всостав операционных усилителей входит несколько каскадов. Наиболее простое схемное решение имеет операционный усилитель К140УД1 (рис. 3.50), изготовленный на кремниевой пластине размером

1,1 1,1 мм и содержащий 9 транзисторов. Данная схема обеспечивает сравнительно невысокий коэффициент усиления ku 2000 , дает ослабление синфазного сигнала kосл сф 60 дБ и имеет невысокое входное

сопротивление Rвх 4 кОм.

Последующие разработки позволили улучшить параметры операционного усилителя за счет усложнения схемы. Так, например, в К140УД7

137

входное сопротивление составляет 400 кОм при входном токе 200 нА, коэффициент ослабления синфазного сигнала kосл сф 70 дБ.

Промышленностью выпускается большое разнообразие операционных усилителей, которые разделяют на две группы: общего и частного применения. Операционные усилители частного применения разделяют на быстродействующие (скорость нарастания выходного напряжения

Vu 50 70 мксВ ), прецизионные (обладают высоким ku 2000 , высо-

ким kосл сф 120 дБ, малым U см 1 мВ), микромощные (питаются от

источников 3 В и 6 В и потребляют ток менее 1 мА), мощные (обеспечивают выходной ток до 1 А) и высоковольтные.

Рис. 3.50. Электрическая принципиальная схема операционного усилителя К140УД1

3.14.4. Основные схемы на операционных усилителях

Вид выполняемых операционными усилителями операций определяется внешними по отношению к нему элементами. От параметров операционного усилителя зависит только точность выполняемых опера-

138

ций. Рассмотрим наиболее распространенные схемы на основе операционного усилителя.

Инвертирующий усилитель. На рис. 3.51 изображена схема инвертирующего усилителя на идеальном операционном усилителе, который осуществляет усиление аналоговых сигналов с поворотом фазы на 180°.

Рис. 3.51. Инвертирующий усилительный каскад на идеальном операционном усилителе

Во входной цепи протекает переменный ток, действующее значение которого равно

т. к. идеальный операционный усилитель имеет бесконечно большое входное сопротивление.

Тогда Uвых Uвх RR12 . Следовательно, коэффициентусилениясхемы

велики, поэтому расчет по выражению (3.70) обеспечивает достаточную точность при практических расчетах.

Неинвертирующий усилитель. На рис. 3.52 изображена неинверти-

рующая схема на операционном усилителе. В этой схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход, а напряжение обратной связи – на инвертирующий.

Величина напряжения обратной связи

139

R2

R1 I2

Uвых

Uвх I1

Рис. 3.52. Неинвертирующий усилительный каскад на операционном усилителе

Так как коэффициент усиления достаточно высок, можно считать, что Uвх Uоос, тогда коэффициент усиления схемы

u R1

Если R2 0 , ku 1, то схема неинвертирующего усилителя пре-

вращается в повторитель напряжения с высоким входным и низким выходным сопротивлением (рис. 3.53).

R1 I2

Uвых

Uвх I1

Рис. 3.53. Повторитель напряжения на операционном усилителе

Логарифмирующий усилитель получается в том случае, когда вместо резистора R2 в цепь обратной связи включают полупроводниковый диод (рис. 3.54). При этом постоянный ток во входной цепи равен

140