Дрейф нуля в усилителях постоянного тока.

УПТ имеют специфический недостаток, затрудняющий усиление очень малых постоянных напряжений и токов. В УПТ существует так называемый дрейф нуля, который определяет нижний предел усиливаемых напряжений. Дрейф нуля заключается в том, что с течением времени изменяются токи транзисторов и напряжения на их электродах. При этом нарушается компенсация постоянной составляющей напряжения и на выходе усилителя появляется напряжение в отсутствие входного сигнала. Поскольку УПТ должен усиливать напряжения вплоть до самых низких частот, всякое изменение постоянных составляющих напряжения UK0, UB0 из-за нестабильности источников питания, старения транзисторов, изменения температуры окружающей среды и т.д. принципиально не отличается от полезного сигнала.

Различают абсолютный дрейф нуля на выходе усилителя и дрейф нуля, приведенный к входу усилителя.

Абсолютный дрейф нуля УПТ представляет собой максимальное изменение выходного напряжения Нвых при короткозамкнутом входе усилителя за определенный промежуток времени.

В дальнейшем под напряжением дрейфа нуля будем понимать напряжение дрейфа, приведенное ко входу усилителя, определяемое как отношение напряжения абсолютного дрейфа к коэффициенту К усиления усилителя:

Усилитель постоянного тока может правильно воспроизводить на выходе только те сигналы, которые значительно превышают напряжение дрейфа, т.е. при UBblx > > С/др. Поэтому при проектировании чувствительного усилителя приходится принимать специальные меры к снижению дрейфа нуля.

Обычно выходное напряжение состоит как бы из двух составляющих: монотонно изменяющегося напряжения и переменной составляющей. Первое называется медленным дрейфом и обусловлено в основном изменением характеристик транзисторов, второе называется быстрым дрейфом и определяется колебаниями напряжений источников питания, температуры окружающей среды и другими внешними факторами. В транзисторных усилителях главной причиной дрейфа является температурная нестабильность транзисторов, обусловленная главным образом изменениями тока коллектора 1К и коэффициента передачи тока (3. Поэтому, наряду с такими методами уменьшения дрейфа нуля, как стабилизация напряжения источников питания, применения глубокой ООС и другими, приходится решать вопросы сугубо схемотехнические, связанные с рациональным выбором элементов и построением самих схем.

Для борьбы с дрейфом нуля принимаются следующие меры:

  • 1) стабилизация напряжения источников питания, стабилизация температурного режима и тренировка транзисторов;
  • 2) использование дифференциальных (балансных) схем УПТ;
  • 3) преобразование усиливаемого напряжения.

Например, при стабилизации напряжения источников питания с точностью ±0,01%, температурной стабилизации с точностью ±1°С удается снизить дрейф усилителя до [/др = 5—20 мВ при работе в температурном диапазоне от -50 до +50°С. Однако стабилизация напряжения источников питания для снижения дрейфа нуля УПТ оказывается неэффективной, так как малейшие отклонения усиливаются усилителем.

Дифференциальный усилитель постоянного тока. Эффективным средством борьбы с дрейфом нуля УПТ стало применение специальных усилителей, построенных по принципу уравновешенных мостов. Наиболее распространенными из них являются дифференциальные (балансные) УПТ. Они построены по принципу четырехплечего моста.

На рис. 10.55, а приведена схема симметричного дифференциального УПТ.

Данная схема по существу представляет собой мост, плечами которого являются коллекторные резисторы RK1 и RK2 вместе с соответствующими частями переменного резистора Кп и транзисторы VT1 и VT2. К одной из диагоналей моста подключены источники напряжения питания +Unl и —Un2, а в другую диагональ включен нагрузочный резистор Ru, с которого снимается выходное напряжение пвых. В эмиттер- ную цепь транзисторов VT1 и VT2 включен резистор R3.

Схемы симметричного дифференциального УПТ

Рис. 10.55. Схемы симметричного дифференциального УПТ

В симметричном дифференциальном усилителе (см. рис. 10.55, а) сопротивления резисторов RKl и RK2 в коллекторных цепях транзисторов выбирают равными, режимы обоих транзисторов устанавливают одинаковыми. В таких усилителях подбирают пары транзисторов со строго идентичными характеристиками. Последнее достижимо только при изготовлении транзисторов на одном кристалле по одной технологии, поэтому дифференциальные усилительные каскады в настоящее время используются в основном в виде (или в составе) ИМС.

Переменный резистор Rn служит для балансировки усилителя или, как говорят, для установки нуля. Это необходимо в связи с тем, что не удается подобрать два абсолютно идентичных транзистора VT1 и VT2

и резисторы с равными сопротивлениями RK1 и RK2. При изменении положения движка резистора Rn изменяются сопротивления резисторов, включенных в коллекторные цепи транзисторов, и, следовательно, потенциалы на коллекторах. Перемещением движка переменного резистора Rn добиваются нулевого тока в нагрузочном резисторе RH в отсутствие входного сигнала.

На стабильность электрических режимов существенное влияние оказывает сопротивление резистора R3, который стабилизирует токи коллекторов транзисторов. Механизм температурной стабилизации такой же, как и в схеме усилительного каскада с общим эмиттером (см. рис. 10.38). Чтобы можно было использовать резистор R3 с большим сопротивлением, увеличивают напряжения источников питания, а в интегральных микросхемах часто вместо резистора R3 применяют стабилизатор постоянного тока (источник тока) (рис. 10.55, б), который выполняется на транзисторах. При этом при симметричности схемы УПТ /Э1 = 1Э2 = /3/2.

Рассмотрим работу схемы УПТ, изображенной на рис. 10.55, а. В режиме покоя пвх1 = пвх2 = 0. Напряжения покоя база-эмиттер транзисторов VT1 и VT2 одинаковы и равны:

За счет одинаковых напряжений ПБ301 = иБЭ02 через транзисторы протекают равные токи покоя: 1Ъ01 = /Б02; /к01 = /К02; /301 = 1Э02, а ПК301 =

= ^КЭ02-

Для потенциалов коллекторов срК1 и фК2 транзисторов VT1 и VT2 можно записать следующие выражения:

Тогда выходное напряжение ?/вых, снимаемое с нагрузочного резистора RH, будет равно:

Учитывая, что НК301 = НК302, выходное напряжение Нвых усилителя в режиме покоя будет равно нулю.

При изменении напряжений источников питания +Нп1 и — Un2 изменяются токи обоих транзисторов и потенциалы их коллекторов фК1 и фК2. Если транзисторы VT1 и VT2 идентичны и сопротивления резисторов RK1 и RK2 в точности равны, то тока в резисторе RH, а следовательно, и выходного напряжения Нвых за счет изменения напряжений источников питания, не будет. Если транзисторы не совсем идентичны, то появится ток в нагрузочном резисторе, однако он будет значительно меньше, чем в обычном, небалансном УПТ.

Аналогично изменения характеристик транзисторов VT1 и VT2 вследствие изменения температуры окружающей среды практически не будут вызывать тока в нагрузочном резисторе.

При тщательном подборе транзисторов и резисторов и стабилизации напряжений источников питания дрейф удается снизить до 1—20 мкВ/°С или при работе в температурном диапазоне от -50 до +50°С составит 0,1—2 мВ, т.е. по сравнению с небалансным УПТ он может быть уменьшен в 20—100 раз.

Подача входного сигнала на один из входов усилителя (см. рис. 10.55, а) вызывает изменение токов и напряжений в обоих транзисторах благодаря стабилизации тока i3 = ?Э1 + i32. При этом один транзистор приоткрывается, другой — призакрывается. Например, при подаче входного сигнала пвх1 на вход транзистора VT1, он приоткрывается, напряжение иКЭ1 на нем уменьшается, а токи ?К1 и ?Э1 увеличиваются. Поскольку i3 = i31 + + 1э2 = consT то уменьшается ток i32, а следовательно, и ток ?Б2. Это приводит к тому, что транзистор VT2 призакрывается, напряжение нКЭ1 на нем увеличивается. В результате на нагрузочном резисторе RH появляется выходное напряжение пвых. При подаче входного напряжения пвх2 на вход транзистора VT2 происходят аналогичные процессы с той лишь разницей, что транзисторы меняются местами. Нетрудно видеть, что при подаче входного напряжения пвх1 на вход транзистора VT1 полярность выходного напряжения пвых совпадает с полярностью входного (выходное напряжение пвых совпадает по фазе с входным пвх1), поэтому этот вход называется неинвертирующим (прямым) входом УПТ. При подаче входного напряжения ивх2 на вход транзистора VT2 полярность выходного напряжения пВЬ1Х противоположно полярности входного (выходное напряжение пвых находится в противофазе с входным ивх2), поэтому этот вход называется инвертирующим (инверсным) входом УПТ.

При этом следует отметить, что схема дифференциального УПТ усилителя (см. рис. 10.55, а) симметрична и знак пвых зависит от того, какое направление пвых принято условно-положительным.

На оба входа симметричного дифференциального УПТ можно подавать входные напряжения пвх1 и ивх2 от независимых источников сигналов. При этом режиме линейного усиления (режим Л) выходное напряжение рассмотренного УПТ (см. рис. 10.55, а) можно определить по формуле

h R

где Ки =--2}__к--модуль коэффициента усиления усилитель-

hna + h21RK)

ного каскада с общим эмиттером (10.14).

Как видно из формулы (10.20) дифференциальный УПТ усиливает разность входных сигналов, поэтому при подаче на оба входа одинаковых сигналов выходное напряжение пвых будет равно нулю. При этом усилитель работает в режиме синфазных сигналов. За счет неполной симметрии в реальных усилителях в режиме синфазных сигналов на выходе получается ненулевой сигнал:

где Ксф — коэффициент передачи для синфазного сигнала.

Качество ослабления синфазного сигнала характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала Кос сф = 20lg(Ku/Kcq). В силу высокой симметрии дифференциальных каскадов, выполненных в виде интегральных микросхем (ИМС), Коссф составляет от -80 до -100 дБ, т.е. Кисф= 104-105.

Входное сопротивление усилителя (см. рис. 10.55, а) по каждому из входов равно RBX = 2hu. Выходное сопротивление определяется по формуле

На рис. 10.56 приведена схема несимметричного дифференциального УПТ, в котором коллекторный резистор Кк2 включен только в коллекторную цепь транзистора VT2.

Такой усилительный каскад обладает несколько большим дрейфом и применяется только в тех случаях, когда необходимо получить выходное напряжение относительно общего провода. Для компенсации постоянной составляющей коллекторного напряжения в усилителе применен делитель Rl, R2. По таким же схемам (см. рис. 10.55; рис. 10.56) могут выполняться усилители на полевых транзисторах. Аналогичные балансные схемы могут быть построены на основе эмиттерных и исто- ковых повторителей.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >