8.9. Усилители постоянного тока
Если мгновенные значения сигнала могут изменяться сколь угодно медленно, то нижняя граничная частота полосы пропускания должна быть равна нулю, а каскады усилителя необходимо соединяв непосредственными связями без разделительных конденсаторов Из схемы усилителя должны быть также исключены блокировочные конденсаторы. Это вызывает необходимость согласования рабочих режимов всех активных элементов в условиях некоторой нестабильности их характеристик, непостоянства напряжений питания и изменения внешних факторов. Величину самопроизвольного медленного изменения выходного напряжения, или дрейфа, принято пересчитывать ко входу усилителя. Наибольшую сложность порождает дрейф во входном каскаде, причем его снижение методами отрицательной обратной связи не всегда применимо из-за уменьшения коэффициента усиления.
Наиболее весомой составляющей дрейфа тока транзисторов является зависимость их статических характеристик от температуры. Лучшую температурную, стабильность имеют в настоящее время кремниевые полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом. Две основные причины температурной нестабильности таких транзисторов (изменение подвижности основных носителей в канале и контактной разности потенциалов р-n-перехода) противоположно влияют на ток стока; при некоторых условиях их влияние может взаимно компенсироваться. Полная компенсация возможна, в частности, у транзисторов с напряжением отсечки около 0,6 В, поэтому именно они чаще всего и применяются во входных каскадах усилителей постоянного тока, позволяя получить приведенный ко входу дрейф нуля вплоть до единиц микровольт на градус.
Из-за разброса параметров транзисторов входные каскады чувствительных усилителей требуют тщательной индивидуальной настройки. Любой дрейф, обусловленный известными закономерными причинами, может быть в значительной степени компенсирован введением в схему усилителя элементов, подверженных влиянию тех же факторов, но порождающих в выходной цепи равный по модулю дрейф противоположного знака. Элементами для температурной компенсации служат терморезисторы, полупроводниковые диоды и р-n-переходы транзисторов. Наиболее эффективна компенсация в дифференциальных усилителях, элементы которых выполнены по единой технологии на общей полупроводниковой пластине.
8.10. Дифференциальный усилитель
Дифференциальным усилителем
называется устройство,
усиливающее разность двух напряжений
(рис. 8.15а).
В идеальном случае схема симметрична
и резисторы
Rэ
отсутствуют
(Rэ=0).
Сопротивление этих резисторов обычно
равно нескольким десяткам Ом. Они
предназначены для
выравнивания крутизны характеристики
транзисторов VT1
и
VT2
и
выбираются из условия
.
При этом динамическая крутизна характеристики транзистора определяется согласно выражения
.
(8.55)
При малых входных сигналах транзисторы работают в линейном режиме. Будем различать дифференциальное (разностное) входное напряжение, uД и синфазное входное напряжение uС:
,
.
(8.56)
Рис.8.15. Принципиальная схема простейшего дифференциального усилительного каскада (а) и ее ось симметрия (б)
Рис. 8.16. Преобразование схемы дифференциального усилителя на рис. 8.15б , при анализе дифференциального (а) и синфазного (б) сигналов
Определим коэффициент усиления дифференциального усилителя, представив его схему на рис. 8.15а, в виде двух полусхем (рис. 8.15б). Приложим ко входам антисимметричные, т. е. одинаковые по величине, но противоположные по знаку, напряжения (u1=-u2). Приращения напряжений в точках a1 и а2, обусловленные приложенными напряжениями, одинаковы, но противоположны по знаку. Иными словами, независимо от величины этих напряжении потенциал на линии а1 - а2 остается неизменным и его можно условно принять равным нулю т е «заземлить» линию a1 - a2 как это показано на рис. 8.16а. Таким образом, анализ схемы сводится к рассмотрению двух одинаковых независимых усилителей с последовательной отрицательной обратной связью по току. Коэффициент обратной связи в каждом из них по определению равен
,
(8.57)
а коэффициент усиления дифференциального напряжения
.
(8.58)
В случае синфазного входного напряжения u1=u2=uc потенциал точки а1 неизменно равен потенциалу точки а2 и ток Iр в линии, соединяющей эти точки равен нулю. Следовательно, анализ работы схемы при синфазном входном напряжении может быть сделан при разомкнутой линии а1 - а2. Дифференциальный усилитель в этом случае распадается на два усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по току (pиc 8.16б) причем левый усилитель усиливает напряжение u1 , а правый - напряжение u2.
Коэффициент обратной связи каждого из этих усилителей
.
(8.59)
коэффициент усиления синфазного напряжения
.
(8.60)
Из сравнения (8.58) и (8.60) видно, что усилительные свойства дифференциального каскада существенно различны для синфазного и дифференциального сигналов. Заметим, что синфазными сигналами являются обычно помехи Способность схемы усиливать дифференциальные сигналы и ослаблять синфазные помехи характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала, определяемым как отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала (помехи)
.
(8.61)
Для обеспечения большого коэффициента ослабления синфазного сигнала в схеме дифференциального усилителя вместо резистора Ro применяют генератор тока, на пример, по схеме рис. 8.14а. Так как выходное сопротивление хорошего генератора тока на несколько порядков превышает сопротивление коллекторной нагрузки Rк, коэффициент ослабления синфазного сигнала может достигать 60 дБ и более.
В реальных схемах дифференциальных каскадов элементы схемы и напряжения источников питания (+Uпп и -Uпп) выбирают с таким расчетом, чтобы при отсутствии входного сигнала (u1=u2=0) напряжение на выходах каскада также равнялось нулю (u0вых1=u0вых2=0). Это позволяет использовать дифференциальные каскады для построения усилителей постоянного тока с большими коэффициентами усиления путем непосредственного каскадного соединения нескольких дифференциальных усилителей.
Дифференциальный усилитель является основной базовой схемой для построения операционных усилителей.