Электротехника и электроника (стр. 13 )

Если напряжение на входе ЭУ уменьшается (в предельном случае напряжения Uвх и Uос находятся в противофазе), ОС называют отрицательной (ООС).

В ЭУ используют в основном ООС, позволяющие увеличить стабильность параметров ЭУ, уменьшить вносимые усилителем искажения и уровень собственных шумов.

ПОС применяют, главным образом, в схемах автогенераторов.

По способу снятия энергии с выхода ЭУ различают ОС:

- по току;

- по напряжению;

- смешанную (комбинированную) ОС.

3.6 Усилители постоянного тока.

       Усилителями постоянного тока УПТ называют электрические схемы, способные усиливать сколь угодно медленно изменяющиеся электрические сигналы, в том числе и сигналы постоянного тока (fс = 0).

УПТ нашли широкое применение в схемах и комплексах АО, например, в измерительных системах, в системах автоматического управления, в аналоговых вычислительных устройствах и в преобразовательных устройствах «код-аналог» (ЦАП) и «аналог-код» (АЦП) как бортовых, так и наземных комплексов.

В развитии схемотехники УПТ наибольшее распространение получили

схемы на транзисторах и ИМС. В схемах АО используются и магнитные усилители постоянного тока.

Применение УПТ, особенно в интегральном исполнении привело и к повышению надежности, долговечности, уменьшению габаритов и потребляемой мощности усилительных устройств.

Развитие схемотехники УПТ

УПТ на магнитных усилителях; УПТ на транзисторах;

-  УПТ на ИМС, что привело к повышению надежности, долговечности, уменьшению габаритов и потребляемой мощности.

Основные параметры УПТ

- Кu= – статический коэффициент усиления УПТ по напряжению;

- КI = – коэффициент усиления по току;

- Кр= – коэффициент усиления по мощности;

- Rвх – входное сопротивление УПТ;

- Rвых – выходное сопротивление УПТ;

- ∆Uвых –диапазон измерения выходного напряжения;

- нагрузочная способность (Iнmax);

- быстродействие усилителя;

- полоса пропускания УПТ (АЧХ);

- едр= – приведенный дрейф нуля УПТ во всем рабочем диапазоне температур за заданный интервал времени.

УПТ должен иметь равномерную АЧХ на диапазоне частот от fс = 0 до верхней границы полосы пропускания. Вид АЧХ УПТ приведен на рис. 2.

Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика УПТ

Дрейф нуля и способы его компенсации

Дрейфом нуля называется явление, при котором на выходе усилителя имеется выходной сигнал, даже если на входе сигнала нет.

Дрейф нуля в УПТ возникает под действием следующих дестабилизирующих факторов:

изменение температуры окружающей среды; изменение давления и влажности окружающей среды; колебания напряжения источников питания; старение и изменение основных параметров элементов схемы УПТ.

В результате воздействия перечисленных факторов на выходе УПТ при отсутствии изменений входного сигнала на входе, на выходе появляется случайное неконтролируемое напряжение, имеющее как медленно изменяющуюся составляющую Uдр-., так и случайные более быстрые отклонения дрейфа Uдр~.

Оценим дрейф нуля (его постоянную составляющую), возникающий при изменении температуры.

       Для БТ, включенного по схеме с ОЭ, коллекторный ток

  Iкп ≈ h21э Iбп + h21э Iко,  (1)

где  h21э – коэффициент прямой передачи тока;

       Iко – тепловой ток коллекторного перехода.

       Все величины, входящие в (1), зависят от температуры и изменяются во времени из-за процесса старения.

       Параметр h21э возрастает на 0,4–0,6% на каждый градус выше 25оС и уменьшается на 0,2–0,3% на каждый градус ниже 25оС.

       Для удобства сравнения различных усилителей по дрейфу используют его уровень, приведенный ко входу усилителя. Под уровнем дрейфа (приведенный дрейф), отнесенного ко входу усилителя, понимают эквивалентную ЭДС в цепи источника сигнала, создающую такое же изменение напряжения (или тока) на его выходе, какое в действительности вызывает воздействие дестабилизирующих факторов. Указанную ЭДС обычно находят, поделив напряжение дрейфа на выходе усилителя на коэффициент усиления.

       Для одиночных каскадов с ОЭ приведенный ко входу дрейф по напряжению примерно равен:

для кремниевых БТ – 2÷8 мВ/град; для германиевых БТ – 20÷30 мВ/град; для полевых транзисторов – 3–4 мВ/град.

Таким образом, в УПТ необходимо применять специальные меры для уменьшения дрейфа нуля:

уменьшение пределов изменения дестабилизирующей величины; применение схем термокомпенсации дрейфа; применение отрицательной ОС; применение мостовых (дифференциальных) схем; применение полевых или составных транзисторов; использование УПТ с преобразованием сигнала.

Дадим оценку этих способов.

Уменьшение пределов изменения дестабилизирующих величин  дает хорошие результаты и достигается следующим:

а) применяют электронные, магнитные или феррорезонансные стабилизаторы напряжения;

б) применяют термостатирование, особенно транзисторных усилителей, однако термостатирование совместно со стабилизацией напряжения питания значительно усложняет и удорожает аппаратуру, а поэтому используется лишь при особой необходимости;

в) используют в УПТ вместо германиевых кремниевые транзисторы, имеющие значительно меньший тепловой ток коллектора, а также ПТ.

Термокомпенсирующие элементы обычно включают в отдельные каскады УПТ, чаще всего первые. Термокомпенсация достигается введением температурно-зависимых линейных и нелинейных резисторов в эмиттерные или базовые цепи транзисторов. Терморезисторы с различным знаком ТКR можно использовать в качестве одного из резисторов делителя напряжения в цепи базы либо как часть резистора в цепи эмиттера. Однако термокомпенсационные схемы требуют индивидуальной настройки в пределах всего рабочего диапазона температур.

Отрицательная обратная связь по постоянному току широко используется для стабилизации и уменьшения дрейфа в УПТ. При введении ООС на каждый транзистор поступает в противофазе его собственный дрейф. В итоге собственный дрейф транзистора снижается.

3.7 Дифференциальный усилительный каскад

Наиболее перспективной схемой УПТ с точки зрения стабильности при воздействии дестабилизирующих факторов оказался дифференциальный усилительный каскад (ДУК).

Простейшая схема ДУК представлена на рис 3.

ДУК на транзисторах представляет собой две схемы усилителей на транзисторах V1 и V2, включенных с ЭО, питаемые, как правило, от двух источников питания Ек1 и Ек2 с общей точкой имеющие в цепи эмиттера общий резистор Rэ и резисторы Rк1 и Rк2  в цепях коллектора.

Выходное напряжение снимается с коллекторов транзисторов V1 и V2 и определяется как:

Uвых.= Uкэ1- Uкэ2, или Uвых= Uкэ2 – Uкэ1

Уникальные свойства ДУК вызваны симметрией его схемы. Если параметры обоих плеч схемы ДУК совершенно одинаковы, включая и их зависимость от температуры окружающей среды, то очевидно, дрейф выходного напряжения будет строго равен «0».

В действительности в реальных схемах существует асимметрия плеч ДУК т. к. невозможно изготовить два абсолютно одинаковых БТ или резистора, поэтому существует небольшой дрейф нуля, но этот дрейф гораздо ниже дрейфа однотактных схем УПТ.

При изменении напряжений источника питания ДУК, одинаково изменяются и токи коллекторов транзисторов V1 и V2 в плечах ДУК ДIк1 и ДIк2 потенциалы коллекторов V1 и V2 изменяются также одинаково ДUвых=ДUкэ1-ДUкэ2=0.

Таким же образом изменение температуры (в пределах ограниченного диапазона) приводит к одинаковому изменению обратных токов коллекторов транзисторов V1 и V2 ДIк01 и Д ДIк02, поэтому разность потенциалов между коллекторами цк1-цк2=Uвых остается неизменной ДUвых=0

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема

дифференциального усилительного каскада

Входа и входные сигналы ДУК

ДУК имеет два входа, которые называются прямым и инверсным.

Прямым входом ДУК называется вход, при подаче сигнала на который фаза выходного по отношению к входному не изменяется.

Инверсным входом ДУК называется вход при подаче сигнала на который, фаза выходного по отношению к входному отличается на 180о (р).

В связи с наличием у ДУК прямого и инверсного входа входные сигналы ДУК могут быть поданы по-разному. Поэтому для данного усилителя различают три вида входных сигналов:

Парафазный входной сигнал – это сигнал, подаваемый или на прямой или на инверсный вход ДУК. Дифференциальный входной сигнал – это сигнал, подаваемый на прямой и инверсный вход. Синфазный входной сигнал (помеха) – это сигнал, подаваемый и на прямой и на инверсный вход ДУК и действующий на эти входа одинаково.

По каждому входу входного сигнала ДУК обеспечивает свой коэффициент усиления:

по дифференциальному входному сигналу коэффициент усиления  Кuдиф; по парафазному входному сигналу коэффициент усиления напряжения Кuпар; по синфазному входному сигналу коэффициент усиления напряжения Кuсф.

Рассмотрим принцип работы схемы ДУК при подаче на вход Uвхдиф дифференциального входного сигнала (рис.3.) еc3. Если на вход симметричной схемы поступает сигнал Uвхдиф. между базами V1и V2, то на вход 1 относительно корпуса подается сигнал +Uвхдиф/2. а на вход 2 - Uвх диф/2. Это означает, что преращение эмиттерного тока одного транзистора, вызванное действием напряжения +Uвхдиф/2 будет равно по абсолютному значению, но противоположно по знаку приращению тока эмиттера другого транзистора, вызванного действием напряжения –Uвх диф/2, следовательно, ДIэ1=-ДIэ2. Таким образом, при подаче дифференциального входного сигнала ток через сопротивление RЭ не меняется, а, следовательно, не меняется и потенциал эмиттеров.