Усилители постоянного тока

2.8.1 Особенности схемотехники УПТ

Как указывалось ранее, усилителями постоянного тока (УПТ) называют усилители, которые обеспечивают усиление входного сигнала в диапазоне частот от f_н = 0до некоторой частоты f_в, то есть способны усиливать как переменную, так и постоянную составляющую входного сигнала. АЧХ УПТ имеет вид, представленный на рисунке 2.37.

Рисунок 2.37 – Вид АЧХ усилителя постоянного тока

Ранее было показано, что спад АЧХ усилителя в области низких частот обусловлен наличием разделительных и блокировочных конденсаторов. Следовательно, чтобы обеспечить усиление постоянной составляющей (постоянного напряжения или тока), необходимо исключить конденсаторы из схемы усилителя. Кроме этого, наличие конденсаторов существенно затрудняет реализацию усилителей в виде интегральных микросхем. В интегральных усилителях используются непосредственные связи между каскадами. В этом случае коллектор предыдущего каскада усилителя непосредственно (не через разделительный конденсатор) связан с базой последующего каскада (рисунок 2.38). В такой схеме возникает необходимость включать в эмиттерные цепи транзисторов дополнительные резисторы R_э. В первую очередь это связано с необходимостью обеспечить в маломощных каскадах режим класса А, а при больших напряжениях на переходе база-эмиттер транзистора (в схеме на рисунке 2.38 U_{БЭ i} = U_{КЭ i-1}) это практически невозможно. Кроме этого при заземленном эмиттере возникает необходимость ограничивать напряжение источника питания Е_к, поскольку для большинства транзисторов напряжение U_БЭ не должно превышать
5 В.

Рисунок 2.38 – Схема многокаскадного УПТ

Предположим, что транзисторы всех п каскадов усилителя на рисунке 2.38 работают в одинаковом режиме, то есть их коллекторные токи покоя I_K0i,определяющие режим класса А, равны между собой. Запишем выражения для напряжений на выводах транзисторов относительно общего провода («земли»):

(2.81)

. (2.82)

Поскольку по условию токи покоя I_К0 всех транзисторов равны, то для выполнения неравенств (2.81) с учетом (2.82) сопротивление резистора R_к в каждом последующем каскаде должно быть меньше, чем в предыдущем. А это приведет к тому, что коэффициент усиления напряжения K_U каждого последующего каскада будет также меньше, чем предыдущего каскада (см. п. 2.7.1).

Кроме этого, поскольку у всех каскадов положение ИРТ одинаково (по условию), то и напряжения U_КЭ0 транзисторов всех каскадов также должны быть одинаковы. С учетом этого из (2.81) следует, что

,

а поскольку

,

то R_э каждого последующего каскада должно быть больше, чем предыдущего, что, в свою очередь, также приводит к уменьшению коэффициента усиления напряжения с увеличением номера каскада за счет увеличения глубины ООС.

Таким образом, получить достаточно большой коэффициент усиления напряжения в схеме многокаскадного усилителя постоянного тока (рисунок 2.38) посредством введения дополнительных каскадов практически не возможно, так как коэффициент усиления каждого последующего каскада уменьшается по сравнению с коэффициентом усиления предыдущего и на практике K_U уже четвертого-пятого каскадов стремится к единице.

Для уменьшения глубины отрицательной обратной связи и увеличения, таким образом, коэффициента усиления в эмиттерные цепи каскадов следует включить элемент, сопротивление которого по постоянному току велико, а по переменному – мало. Таким элементом, например, является стабилитрон, при включении которого необходимо обеспечить, чтобы эмиттерный ток транзистора изменялся в пределах рабочего диапазона токов стабилитрона (в пределах диапазона изменения тока стабилизации).

Схема двухкаскадного усилителя с использованием стабилитрона показана на рисунке 2.39. Хотя коэффициенты усиления отдельных каскадов по-прежнему неодинаковы (R_к1 ¹ R_к2), их различие меньше, чем в усилителе, изображенном на рисунке 2.38.

Рисунок 2.39 – Схема УПТ с уменьшенной глубиной ООС

Резисторы R (в схеме на рисунке 2.39 показаны пунктиром), включают в том случае, когда ток покоя эмиттера I_Э0 меньше требуемого значения начального тока стабилизации.

Еще один из возможных способов снижения напряжения U_БЭ0 с помощью стабилитрона показан на рисунке 2.40. Напряжение покоя эмиттерного перехода транзистора VT2 формируется с помощью элементов VD1, R6 и R7. При этом элементы VD1 и R6 образуют базовый делитель напряжения. Стабилитрон VD1 понижает напряжение покоя первого транзистора U_К1 до приемлемого уровня его на базе транзистора VT2.

Рисунок 2.40 – Усовершенствованная схема УПТ

Одним из существенных недостатков рассмотренных схем УПТ является высокий дрейф выходного напряжения. Под дрейфом напряжения усилителя понимают изменения его выходного напряжения, обусловленные внутренними процессами в усилителе и не связанные со входным напряжением. Причиной дрейфа выходного напряжения является то, что из-за отсутствия разделительных конденсаторов медленные изменения токов и напряжений в каждом из каскадов, вызванные нестабильностью напряжения питания, изменениями параметров элементов схемы вследствие старения или колебаний температур и т. д., передаются от каскада к каскаду в виде сигнала помехи, усиливаясь наравне с полезным сигналом.

В настоящее время вместо УПТ с непосредственными связями между каскадами на практике (особенно в интегральной схемотехнике) в основном применяют дифференциальные усилительные каскады (ДК).

2.8.2 Дифференциальный усилительный каскад

Дифференциальный каскад – это усилитель постоянного тока с двумя входами, относительно которых коэффициенты усиления напряжения равны по величине и противоположны по знаку.

Дифференциальный каскад, как и любой УПТ, не содержит разделительных конденсаторов. Но по сравнению с ранее рассмотренными схемами УПТ, он обладает рядом достоинств: высокой стабильностью параметров при воздействии различных дестабилизирующих факторов (нестабильности напряжения питания, изменении температуры и др.), большими коэффициентами усиления тока и напряжения, высокой степенью подавления синфазных помех. Это обусловило широкое применение ДК при построении усилителей в интегральном исполнении. В частности, ДК составляют основу операционных усилителей (ОУ).

По принципу построения ДК – это балансный (мостовой) усилительный каскад параллельного типа. Его создают на основе симметричного каскада с эмиттерной связью. ДК содержит два идентичных плеча, работающих, как правило, на общую нагрузку. Типовая схема дифференциального усилительного каскада приведена на рисунке 2.41.

Рисунок 2.41 – Типовая схема дифференциального каскада

Как видно из рисунка 2.41, ДК содержит два транзистора, эмиттеры которых соединены в общую точку. В цепь эмиттеров включен общий резистор R_э, через который протекают постоянные токи эмиттеров. Транзисторы обеих плеч усилителя работают в режиме класса А. Благодаря наличию в схеме двух разнополярных источников питания +Е_п1 и –Е_п2, потенциалы баз транзисторов VT1 и VT2 относительно общего провода равны нулю. Это дает возможность подавать входные сигналы от источников и_вх1 и и_вх2 без применения разделительных конденсаторов. Кроме этого входной сигнал может содержать не только переменную, но и постоянную составляющую.

Сигнал, подлежащий усилению, может быть подан на любой из входов ДК относительно общего провода (при заземленном втором входе), либо одновременно между двумя входами (как показано на рисунке 2.41). Независимо от этого в ДК всегда усиливается дифференциальный (разностный) сигнал. Для действующих значений входных напряжений можно записать

. (2.83)

Именно это свойство ДК обеспечивает подавление в нем синфазной помехи. Под синфазной помехой понимают напряжение, одинаково действующее на обеих входах усилителя (то есть имеющее одинаковую величину и фазу или полярность). Источником синфазной помехи может быть, например, внешнее электромагнитное поле, создающее напряжение наводки одновременно на двух входах ДК.

Нагрузка к выходу дифференциального усилительного каскада также может быть подключена несколькими способами:

- между коллектором левого или правого транзистора (или одновременно двух транзисторов) и общим проводом;

- между коллекторами транзисторов.

Рассмотрим особенности использования ДК при разных способах подключения источника сигнала и нагрузки.

2.8.2.1 Работа ДК при использовании одного из входов. В этом случае один из двух входов усилителя (например, правый) не используется, то есть, заземлен (рисунок 2.42).

Пусть и_вх1 = и_вх ¹ 0, а и_вх2 = 0. Входное напряжение и_вх транзистора VT1 передается на его собственный коллектор и на коллектор соседнего транзистора VТ2. При этом часть схемы, содержащая элементы R_к1, VT1 и R_э, может рассматриваться как каскад с общим эмиттером, содержащий в эмиттерной цепи элемент цепи ООС, а часть схемы, включающая элементы R_к2, VT2 и R_э – как каскад с общей базой.

Рисунок 2.42 – Работа ДК с заземленным одним из входов

При положительной полуволне напряжения и_вх транзистор VT1 приоткрывается, ток коллектора (а, следовательно, и ток эмиттера) этого транзистора увеличивается по сравнению с током покоя I_К0VT1, сохраняя закон изменения входного напряжения. Напряжение на коллекторе транзистора и_вых1 при этом уменьшается. При отрицательной полуволне входного напряжения наоборот, транзистор призакрывается и напряжение на его коллекторе увеличивается. Таким образом, напряжение на коллекторе транзистора VT1 изменяется в противофазе с входным напряжением.

Положительному приращению коллекторного тока транзистора VT1 соответствует положительное приращение тока эмиттера Di_Э1 этого транзистора. При этом на резисторе R_э будет иметь место приращение падения напряжения, полярность которого такова («плюс» – на эмиттере, «минус» – на базе транзистора VT2), что транзистор VT2 призакрывается и напряжение на его коллекторе и_вых2 возрастает. При отрицательной полуволне напряжения и_вх транзистор VT2 приоткрывается и напряжение на его коллекторе уменьшается. Следовательно, фаза напряжения и_вых2 повторяет фазу входного напряжения.

Обозначим коэффициенты усиления напряжения левого и правого плеч каскада через K_собств и K_сосед соответственно. Тогда действующие выходные напряжения будут определяться выражениями:

, (2.84)

. (2.85)

Знак минус в выражении (2.84) учитывает, что напряжение с базы на коллектор транзистора VT1 передается с изменением фазы на 180° (как и в каскаде с ОЭ).

Передачу входного напряжения U_вх на коллектор транзистора VТ2 можно условно разбить на два этапа. Во-первых, как в схеме с ОК, напряжение с входа транзистора VT1 передается в точку соединения эмиттеров (то есть на резистор R_э) с коэффициентом передачи

. (2.86)

Во-вторых, напряжение передается с эмиттера VТ2 на его коллектор. При этом VТ2 работает в схеме с ОБ. На обоих этапах передачи фаза напряжения не меняется (как показано выше). Из схемы (рисунок 2.42) видно, что U_Э – лишь часть входного напряжения U_вх, так как схема является повторителем напряжения, а, следовательно, K_э < 1. Таким образом, составной коэффициент передачи входного напряжения на промежуток эмиттер–база VT2 равен K_э, а передача напряжения с эмиттера в область коллектора транзистора VT2 будет осуществляться с усилением равным SR_к2, где – крутизна транзистора. Поэтому при идентичных параметрах плеч каскада коэффициент передачи входного сигнала на выход VT2 можно представить выражением

, (2.87)

а собственный коэффициент передачи левого плеча, с учетом влияния транзистора VT2, будет определяться выражением

. (2.88)

Коэффициент K_э находится с учетом того, что при передаче напряжения с базы на эмиттер транзистор VТ1 работает как эмиттерный повторитель. Тогда

(2.89)

где ;

– входное сопротивление каскада с ОБ.

Из полученного выражения следует, что если R_э >> h_11Б (e ® 0), то K_э » 0,5 и при равных сопротивлениях резисторов R_к1, R_к2, а также идентичных параметрах транзисторов VT1 и VT2 коэффициенты усиления напряжения каждого из плеч примерно равны (K_сосед » K_собств = K_U), то есть напряжения на коллекторах транзисторовVT1 и VT2 одинаковы по амплитудеи противоположны по фазе. Поэтому при использовании двух выходных напряжений получается идеальный фазоинверсный каскад. Коэффициенты усиления напряжения при этом равны

, (2.90)

. (2.91)

Как видно из выражений (2.90) и (2.91), коэффициент усиления напряжения в ДК, при подаче усиливаемого сигнала на один его вход, не может быть больше половины коэффициента усиления напряжения каскада с ОЭ, если параметры элементов каскадов идентичны.

Входное сопротивление каскада равно

. (2.92)

Примерное равенство (2.92) выполняется, если R_э >> h_11Б. Как видно из последнего выражения, входное сопротивление каскада немного больше, чем аналогичного каскада с ОЭ.

Если же в схеме (рисунок 2.42) закорочен не правый, а левый вход (и_вх2¹ 0, и_вх1 = 0), то ввиду симметрии схемы все процессы будут происходить аналогично.

Ток i_Э в общем резисторе схемы R_э при положительной полуволне входного сигнала равен

, (2.93)

где I_Э0VT1, I_Э0VT2 – токи покоя эмиттерных переходов транзисторов в режиме класса А;

Di_Э1, Di_Э2 – изменения эмиттерных токов транзисторов, вызванные переменным сигналом, действующим на входе транзистора VT1.

При полностью идентичных параметрах обеих плечей схемы, выражение (2.93) можно привести к виду

,

то есть в резисторе R_э протекают только токи покоя транзисторов. Таким образом, ООС по току, цепь которой образована за счет резистора R_э, на переменном токе не действует и на величину коэффициентов усиления напряжения не влияет.

2.8.2.2 Работа ДК при подаче сигнала на два входа. При использовании ДК как дифференциального усилителя, входное напряжение подают одновременно на два входа, а нагрузку включают между коллекторами транзисторов (рисунок 2.43).

Рисунок 2.43 – Включение ДК по схеме дифференциального усилителя

Выходное напряжение при таком использовании дифференциального каскада определяется выражением

. (2.94)

Как видно из рисунка 2.43, при использовании ДК в таком включении входные сигналы подают одновременно на оба его входа, то есть и_вх1 ¹ 0 и и_вх2 ¹ 0. При использовании симметричного выхода каскад нечувствителен к так называемым синфазным входным напряжениям, то есть напряжениям, действующим одновременно на двух входах и одинаковым по амплитуде и по фазе. Это является ценным свойством ДК и позволяет, например, избавиться от помех на входных проводах, которые иногда имеют большую длину. Кроме этого каскад не чувствителен к изменениям питающего напряжения (пульсациям) и температуры окружающей среды, которые, как правило, вызывают дрейф выходного напряжения в обычных каскадах УПТ. Указанное свойство может быть реализовано, если схема полностью симметрична, то есть R_к1 = R_к2, а параметры транзисторов VT1 и VT2 идентичны. В этом случае и усиливается только полезный сигнал.

На практике обеспечить полную симметричность схемы достаточно сложно. Следовательно, всегда имеет место синфазная составляющая входного сигнала .

Коэффициент передачи синфазного сигнала на один из выходов каскада, характеризующий изменение коллекторного напряжения при действии входного синфазного сигнала можно определить из выражения

, (2.95)

где R_{вх сф} – входное сопротивление каскада для синфазного сигнала, определяемое из выражения

. (2.96)

Если R_э >> r_Э и h_21ЭR_э >> r_Б (что всегда выполняется в практических схемах), то (2.96) примет вид

и, следовательно, можно записать

. (2.97)

Коэффициент усиления дифференциального напряжения при симметричной нагрузке ДК определяется по формуле

. (2.98)

Из выражения (2.98) следует, что при R_н >> R_к, коэффициент усиления напряжения ДК равен коэффициенту усиления напряжения каскада с ОЭ, идентичного одному плечу дифференциального каскада, то есть

. (2.99)

Одним из основных применений ДК является усиление малых сигналов на фоне больших синфазных помех. Поэтому качество ДК оценивают с помощью коэффициента подавления синфазного сигнала, определяемого как отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала, то есть

. (2.100)

Таким образом, из (2.100) следует, что для уменьшения синфазной составляющей в выходном сигнале ДК целесообразно использовать транзисторы с большим коэффициентом передачи тока базы, а также устанавливать резистор R_э с как можно большим сопротивлением. Последнее возможно только до некоторого предельного значения, определяемого минимально необходимыми токами покоя транзисторов. В практических схемах ДК вместо резистора R_э обычно используют транзистор (нелинейный элемент), включенный по схеме источника стабильного тока (рисунок 2.44). Такое включение транзистора VT3 обеспечивает большое сопротивление в эмиттерной цепи ДК на переменном токе (за счет создания на переменном токе глубокой ООС) и малое сопротивление на постоянном токе, при котором обеспечивается номинальный режим работы транзисторов VT1 и VT2.

Рисунок 2.44 – ДК с источником стабильного тока

Входное сопротивление ДК для дифференциального сигнала определятся по формуле

, (2.101)

то есть в два раза больше, чем в усилительном каскаде с ОЭ.

Выходное сопротивление ДК для дифференциального сигнала при большом сопротивлении коллекторной области r_к транзисторов равно

, (2.102)

что также в два раза больше, чем в каскаде с ОЭ.

Дифференциальный каскад широко применяется в интегральных микросхемах (в первую очередь – в операционных усилителях) благодаря наличию у него следующих положительных свойств:

а) нечувствительность к синфазным входным напряжениям, что позволяет обеспечивать усиление входного дифференциального сигнала и подавление синфазной помехи (наводки, пульсации напряжения питания и т. д.);

б) симметрия схемы, обеспечивающая малый дрейф нуля и слабую зависимость параметров усилителя от температуры и производственного разброса параметров элементов;

в) обеспечение большого коэффициента усиления дифференциального сигнала несмотря на отсутствие блокировочного конденсатора в цепи эмиттеров.