6. Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов, медленно меняющихся во времени, в том числе сигналов с частотой, равной нулю. Поэтому АЧХ УПТ не должна содержать спада в области низких частот. Конденсаторы, используемые в схемах усилителей, принципиально не способны пропускать постоянный ток. По этой причине связи между каскадами в многокаскадном УПТ должны быть непосредственными, т. е. без использования разделительных конденсаторов. Это налагает определенные требования к заданию начальных режимов каскадов, т. к. постоянное напряжение на выходе одного каскада, будет искажать параметры режима покоя следующего и т. д.

Изменение режимов транзисторов в многокаскадном УПТ может приводить к изменению выходного сигнала при неизменном входном. Такое поведение усилителя называется дрейфом усилителя. Причинами дрейфа могут являться:

• нестабильность питающего напряжения;

• изменение параметров схемы из-за изменения температуры;

• изменение параметров схемы с течением времени (старение компонентов).

Качественно дрейф усилителя характеризуют через напряжение дрейфа, приведенное к входу усилителя:

,

где — напряжение дрейфа на выходе усилителя, измеренное при замкнутом входе. Возможный диапазон входных напряжений для усилителя определяется с учетом напряжения дрейфа, приведенного к входу: . В этом случае напряжение дрейфа на выходе будет составлять малую часть полезного выходного сигнала.

Основными мерами снижения дрейфа являются жесткая стабилизация напряжения источников питания, использование ООС, использование элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры. Радикальными способами борьбы с дрейфом являются использование балансных компенсационных схем УПТ и построение УПТ с промежуточным преобразованием. На рис. 70 показана схема параллельно-балансного каскада, представляющего собой сбалансированный мост, в одно плечо которого включена нагрузка, а в другое — источник питания. Мост образован транзисторами , и резисторами в их коллекторных цепях. Входной сигнал можно подавать либо между базами транзисторов, либо на базу одного из транзисторов при заземленной базе второго транзистора.

Рис. 70

л17р5

При нулевых входных сигналах и полной симметрии схемы потенциалы коллекторов транзисторов одинаковы и выходное напряжение будет равно нулю. Малый дрейф в схеме объясняется тем, что при изменении напряжения питания или изменении параметров транзисторов (например, под влиянием температуры) потенциалы коллекторов обоих транзисторов получат одинаковые приращения и выходное напряжение останется равным нулю.

В реальных схемах всегда имеется некоторая асимметрия (разбаланс моста), поэтому некоторый дрейф будет присутствовать. Однако он существенно меньше, чем в рассмотренных ранее схемах с ОЭ или ОК.

7. Дифференциальный усилитель

Развитием рассмотренного параллельно-балансного каскада являются дифференциальные усилители (ДУ), широко используемые в аналоговой схемотехнике. Рассмотрим схему простейшего ДУ (рис. 71).

Рис. 71

л18р1

Как видно, в схеме ДУ отсутствуют резисторы, задающие начальные смещения транзисторов. Данное упрощение схемы достигается за счет введения дополнительного источника питания . Предполагая, что на базах транзисторов присутствуют нулевые потенциалы, за счет источника потенциалы эмиттеров транзисторов можно сделать отрицательнее потенциалов их баз (для показанных на схеме транзисторов обратной проводимости) на величину требуемого напряжения смещения. Тем самым можно задать НРТ.

При анализе ДУ используется понятие дифференциального входного напряжений: . Выходным напряжением для ДУ является .

Аналогично рассмотренной ранее схеме параллельно-балансного каскада, при использовании в ДУ идентичных транзисторов и одинаковых сопротивлений в цепях их коллекторов схема практически не чувствительна к влиянию дестабилизирующих факторов. Например, если при увеличении температуры возросли обратные токи коллекторов (в идеальном случае — на одинаковую для обоих транзисторов величину), то при равенстве сопротивлений в цепях коллекторов произойдет одинаковое увеличение выходных напряжений, но дифференциальное выходное напряжение не изменится.

Проведем анализ схемы ДУ, показанной на рис. 71. Пусть входные напряжения и равно нулю и ток зафиксирован на постоянном уровне за счет использования источника тока. Обозначим статические и динамические коэффициенты передачи транзисторов соответственно через , , , . Если принять в идеальном случае , то для начального режима можно записать следующие выражения:

, ,

где . Очевидно, что в этом случае .

Пусть входное напряжение остается равным нулю, а входное напряжение увеличивается. Увеличение входного напряжения вызовет возрастание тока базы транзистора . Следовательно, возрастет ток и уменьшится ток , т. к. . Соответствующим образом изменяются другие токи транзисторов: возрастет, а и уменьшатся. Изменение токов коллекторов ведет к изменению выходных напряжений:

т. е. возрастание входного напряжения ведет к уменьшению напряжения и увеличению .

Выходное дифференциальное напряжение изменяется на величину .

Увеличение входного напряжения при равном нулю напряжении приведет к аналогичному результату: . Так как увеличение напряжения ведет к возрастанию выходного напряжения, а увеличение напряжения — к его уменьшению, то вход, на который подается напряжение , называют прямым входом ДУ, а вход, на который подается напряжение — инверсным.

Наличие источника тока позволяет считать точку соединения эмиттеров транзисторов «виртуально заземленной» по переменному току, т. к. изменение входного сигнала не меняет потенциал этой точки.

Определим коэффициент усиления ДУ, у которого входной сигнал подается на базу транзистора . Составим для этого эквивалентную схему (рис. 72).

Рис. 72

л18р2

Каскад на транзисторе представляет собой вариант схемы с ОЭ. Изменение напряжения связано с приращением входного сигнала через коэффициент усиления по напряжению, который в данном случае равен:

.

Формула получена с учетом симметричности рассматриваемой схемы и фиксации тока . Выходное напряжение присутствует в выражении для выходного дифференциального напряжения в качестве вычитаемого, поэтому в формуле присутствует знак «минус».

В представленной на рис. 72 эквивалентной схеме каскад на транзисторе представляет собой усилитель с ОБ, входной сигнал на который поступает через внешнее сопротивление . Коэффициент усиления входного сигнала этим каскадом будет определяться следующей зависимостью:

.

Дифференциальный коэффициент усиления рассматриваемого усилителя равен

.

(0)

л18ф7

Таким образом, в данной схеме подключения источника сигнала выражение для коэффициент усиления ДУ имеет такой же, как и для схемы с ОЭ. Однако, в силу малости сопротивления значение коэффициента усиления может достигать значений в несколько сотен, что недостижимо для простых схем с ОЭ.

На практике источник сигнала обычно подключают к обоим входам ДУ. Эквивалентная схема для этого случая показана на рис. 73.

Рис. 73

л18р3

Определим коэффициент усиления ДУ в этом случае. Из второго закона Кирхгофа можно записать следующее равенство:

,

которое с учетом того, что токи баз транзисторов равны по величине, может быть преобразовано к следующему виду:

.

Выходное напряжение для рассматриваемой схемы равно:

Из последних выражений можно получить зависимость для определения коэффициента усиления схемы:

.

(0)

л18ф11

Выражения (0) и (0) одинаковы, следовательно, коэффициент усиления ДУ не зависит от способа подключения источника входного напряжения.

Отметим важную особенность ДУ — если напряжения и равны, т. е. , то выходное напряжение схемы также должно равняться нулю. Равные напряжения, поступающие на входы ДУ, называют синфазными — равными как по амплитуде, так и по фазе. В реальном ДУ из-за неодинаковости параметров транзисторов и резисторов в их коллекторных цепях подача на вход синфазного сигнала всегда приводит к появлению некоторого выходного напряжения. Очевидно, чем меньше это напряжение, т. е. чем меньше коэффициент усиления синфазного сигнала, тем качественнее реализован ДУ. Введение источника тока в эмиттерные цепи, как это сделано в эквивалентных схемах, существенно снижает коэффициент усиления синфазного сигнала.