книги / Электронные усилители

Недостатком рассмотренных схем является наличие гальвани­ ческих межкаскадных связей, которые приводят к тому, что изме­ нение режима одного из каскадов при воздействии различных внешних факторов вызывает изменение напряжения на выходе УПТ.

5.3. ДРЕЙФ НУЛЯ И СПОСОБЫ ЕГО УМЕНЬШЕНИЯ

Основным источником погрешностей усилителей постоянного' тока является дрейф нуля. Дрейфом нуля называется нестабиль­ ность нулевого значения выходного напряжения, обусловленная внутренними процессами, происходящими в усилителе. Нуль вы­ ходного напряжения при воздействии на усилитель различных фак­ торов как бы смещается, «дрейфует» с течением времени. Поэтому это явление и называют дрейфом нуля, причем напряжение дрей­ фа на выходе усилителя может оказаться одного порядка с уров­ нем полезного сигнала или даже больше его. Это приводит к недо­ пустимым искажениям усиливаемого сигнала. Также следует иметь в виду, что дрейф нуля неотличим от усиливаемых сигналов.

Основными источниками дрейфа нуля являются: температурная нестабильность усилительных элементов; изменение питающих на­ пряжений; постепенное изменение параметров активных и пассив­ ных элементов схемы, вызванное их старением; кратковременное изменение эмиттирующих свойств транзисторов.

Указанные источники вызывают изменение напряжения на электродах усилительных элементов, а так как в УПТ имеется, гальваническая межкаскадная связь, то эти изменения напряжения усиливаются последующими каскадами. В результате при отсут­ ствии напряжения сигнала на входе усилителя на его выходе по­ является напряжение, имеющее как медленно изменяющуюся по­ стоянную составляющую С/др==, так и хаотические отклонения от

Изменение обратного коллекторного тока у германиевых транзисторов

Л/ок=Лж [2°,1<ГтаХ-ГсПр) —20,1(Гт1п_ Г спр) ]

г

У маломощных германиевых транзисторов при 7’Спр=290 К ток / ок= = 2 . . . 6 мкЛ.

Изменение обратного тока у кремниевых транзисторов

Д /ок= / ок[3°'1(Гтах-7'спР) _ 3 0'I(rm in-7'cnp> ]

Изменение обратного коллекторного тока у маломощных кремниевых тран­ зисторов прн 7’сПр=290 К составляет / ок = 0,05 ... 1,00 мкА.

Таким образом, у кремниевых транзисторов изменение обратного тока кол­ лектора Д/ок меньше, т. е. меньше и дрейф по сравнению с германиевыми тран­ зисторами.

В полевых транзисторах причинами температурного дрейфа трка стока являются: изменение контактной разности потенциалов р—л-перехода затвор—исток; изменение собственной проводимости материала канала, определяемое изменением подвижности носите­ лей зарядов. Напряжение затвор—исток является запирающим для полевого транзистрра. С увеличением температуры напряжение U зн уменьшается и ток стока возрастает. Однако с увеличением температуры подвижность носителей зарядов уменьшается, и это приводит к уменьшению тока стока. Так как воздействия этих факторов противоположны, то они частично компенсируют 1друг друга.

Для одиночных каскадов с ОЭ приведенный кр входу дрейф по напряжению составляет 2 .. .8 мВ/К для кремниевых биполярных транзисторов, а для германиевых — 20...30 мВ/К. Приведенный дрейф по напряжению в каскадах на полевых транзисторах состав­ ляет 3 .. .4 мВ/К. Таким образом, в УПТ нужно принимать меры для уменьшения дрейфа нуля.

Способы уменьшения дрейфа нуля [7]: уменьшение пределов изменения дестабилизирующей величины; применение схем термокомпенсации; применение отрицательной обратной связи по посто­ янному току; использование мостовых (балансных) схем; приме­ нение УПТ с преобразованием входного сигнала.

Уменьшение пределов изменения дестабилизирующих величин достигается таким образом: 1) используют электронные, магнитные или феррорезонансные стабилизаторы напряжения, причем проще стабилизировать с помощью электронных стабилизаторов одно или два небольших напряжения питания транзисторных усилите­ лей; 2) применяют термостатирование особенно транзисторных усилителей. Однако термостатирование совместно со стабилизацией напряжения питания значительно усложняет и удорожает аппара­ туру, а поэтому вводится лишь при особой необходимости; 3) ис­ пользуют в УПТ вместо германиевых кремниевые транзисторы, имеющие значительно меньший обратный ток коллектора / ок, а также полевые транзисторы, имеющие намного меньший входной ток.

Термокомпенсирующие элементы обычно включают в отдельные каскады УПТ, чаще в первые. Термокомпенсация достигается вве­ дением температурнозависимых линейных и нелинейных резисто­

ров в эмиттерные (истоковые) или базовые цепи транзисторов^ Термор^зисторы можно использрвать в качестве одного из резис­ торов Делителя напряжения в цепи базы либо как часть общего сопротивления цепи эмиттера. Там же применяются и транзисторы, создающие противонаправленный дрейф, что используется и для компенсации дрейфа одного усилителя дрейфом другого. Однако термокомпенсациопные схемы требуют, как правило, индивидуаль­ ной настройки в пределах всего рабочего диапазона температур, причем хороший эффект обычно достигается лишь в узком диапа­ зоне.

Для стабилизации усиления и уменьшения дрейфа в УПТ ши­ роко используется общая петля ООС по постоянному току. При введении общей ООС по постоянному току по цепи обратной свя­ зи (ОС) на каждый транзистор поступает в противрфазе его соб­ ственный дрейф, прошедший петлю ОС. В итоге собственный дрейф каждого транзистора снижается.

Для иллюстрации использования общей ООС в УПТ на рис. 5.7 приведена принципиальная схема интегрального УПТ на микро­ схеме К167УНЗ.

6

7

8

Рнс. 5.7

Усилитель выполнен на трех МДП-транзисторах VT1.. .VT3 с индуцированным каналом p-типа и диффузионными резисторами. Весь усилитель может быть охвачен глубокой ООС по постоянно­ му току благодаря тому, что в цепи истоков транзисторов введен общий резистор R4. С помощью этого резистора создается общая последовательная ООС по току. Для большей температурной ста­ бильности усилителя резисторы R3 и R4 имеют одинаковый темпе­ ратурный коэффициент электрического сопротивления TKR, для че­ го они выполнены методом диффузии в .одном кристалле. Коэф­ фициент усиления напряжения усилителя без ООС равен 1000, что позволяет вводить глубокую ООС. На входе УПТ включается диод для защиты полевого транзистора от перегрузок.

Использование ООС по постоянному току не позволяет все же уменьшить до малого значение дрейфа в УПТ. Во-первых, по петле ООС на транзистор какого-либо каскада воздействуют усиленные дрейфы как от предшествующих, так и от последующих каскадов. Во-вторых, глубина ОС в многокаскадных усилителях ограничена условиями их устойчивой работы. Поэтому в результате использо­ вания ООС в многокаскадных УПТ можно получить дрейф всего усилителя примерно на ур,овне дрейфа одного каскада с местной ООС.

Использование в УПТ балансных! (мостовых) схем дает весьма •существенное уменьшение дрейфа. В этом случае уменьшаются уровни дрейфа, обусловленные и изменением напряжения питания, и температурой окружающей среды, а также старением элементов усилителя.

S.4. УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ

Недостатком схем УПТ прямого усиления является сравнитель­ но большое значение напряжения дрейфа — порядка единиц мик­ ровольт на градус — и уровня низкочастотных шумов. В этих схе­ мах применяется гальваническая связь между каскадами, поэтому весь спектр низкочастотных шумов транзисторов усиливается и поступает на выход усилителя. Эти шумы часто оказывают боль­ шое влияние на качество работы усилителя по сравнению с тем­ пературным дрейфом.

В практике измерений бывает необходимо усиливать малые то­ ки — порядка единиц наноампер — и напряжения — порядка еди­ ниц микровольт. Такая задача часто встречается при измерении неэлектрических величин, например температуры, давления, фото­ токов, токов ионизации, а также при измерении пьезоэлектричес­ ких эффектов и т. п. Широкое применение усилители малых токов и напряжений получили в технике для целей автоматического контроля и управления, в цифровых измерительных приборах. В этом случае применяют УПТ с преобразованием входного напря­ жения, достоинством которых являются малое значение темпера­ турного дрейфа (0,01 .0,10 мкВ/К) и малая чувствительность к изменениям напряжения источника питания и температуры окру­ жающей среды.

В УПТ с преобразованием используется принцип модуляции — демодуляции. Указанный принцип заключается в том, чт,о сигнал постоянного тока преобразуется в пропорциональный ему сигнал переменного тока, затем усиливается и снова преобразуется с по­ мощью демодулятора в сигнал постоянного тока. Поэтому такие усилители с промежуточной модуляцией (М) входного сигнала и последующей демодуляцией (ДМ) усиленного выходного сигнала называют усилителями типа МДМ.

Структурная схема усилителя МДМ приведена на рис. 5.8, а.

Входное усиливаемое напряжение поступает на вход модулято­ ра, который преобразует входное постоянное или медленно изменя­

ющееся напряжение в периодическую последовательность импульсрв.

В качестве напряжения несущей частоты используется сигнал синусоидальной или прямоугольной формы, частота которого определяется частотой генератора. Выходное напряжение мо­ дулятора усиливается усилителем переменного напряжения. Галь­ ваническая развязка входной и выходной цепей усилителя осущес­ твляется как и в обычном усилителе переменного напряжения с помощью RC-связей.

Усиленный модулированный дискретный сигнал поступает на демодулятор, в котором осуществляется синхронное детектирова­ ние. Для синхронного детектирования опорное напряжение с выхо­ да генератора поступает на демодулятор. Синхронное детектиро­ вание дозволяет сохранить соответствующую полярность выходно­ го напряжения. На выходе демодулятора ставится фильтр нижних частот, который отфильтровывает несущую частоту и высшие гар­ моники. В результате получают напряжение той же формы, что и на входе усилителя.

Описанная схема УПТ с преобразованием, в частности, приме­ няется в качестве входного усилителя в цифровом вольтметре ти­ па В7-23. Временные диаграммы, поясняющие работу усилителя •с преобразованием, приведены на рис. 5.8, б.

Таким образом, дрейф нуля в схемах УПТ с прербразованием определяется дрейфом нуля на выходе модулятора и составляет со­ тые доли микровольта в минуту, изменения напряжения дрейфа снижаются до тысячных долей микровольта.

1Недостатком усилителей типа МДМ является ограничение вер­ хней граничной частоты (не более 0,1 .0,2 частоты модуляции), а также необходимость использования источника модулирующего напряжения — генератора.

Усилители с преобразованием сигнала на дискретных элемен­ тах оказались громоздкими н ненадежными, поэтому они не нашли широкого применения. Между тем, изготовить такие усилители по интегральной технологии на кристалле стандартных размеров не­ трудно. Данное обстоятельство способствовало тому, что совре­ менные УПТ с преобразованием представляют собой интегральные усилители. При этом они часто строятся на основе интегральной микросхемы, включающей в себя модулятор и демодулятор и гене­ ратор прямоугольных импульсов.

На рис. 5.9 показана функциональная схема МДМ-усилителя, построенного на интегральном модуляторе серии 124КТ1 (транзис­ торы VT1 и VT2), стандартном операционном усилителе (ОУ) и де­ модуляторе (транзисторный ключ VT3) с #С-фильтром. Благодаря инверсному включению транзисторов VTI и VT2 в модуляторе су­ щественно уменьшено остаточное напряжение: С/осх <100...300 мкВ. Небольшое значение имеет и ток утечки: / ут <45...50 нА.

Уменьшению дрейфа указанных параметров способствует задание тока базы с помощью резисторов R 6 В качестве усилителя пре­ образованных импульсов применяется стандартный ОУ, представ-

80. .100 дБ, применяют схемы с гальваническим разделением це­ пей.

Принцип всякого гальванического разделения состоит в созда­ нии очень большого сопротивления, включенного последовательно* с источником сигнала. Почти идеальным устройством гальваничес­ кого разделения цепей являются оптроны. По сравнению с транс­ форматорами, конденсаторами оптроны не имеют ограничений в области низких частот, т. е. пропускают как импульсный сигнал, так и его постоянную составляющую и обеспечивают гальваничес­ кую развязку.

Оптронами называются полупроводниковые приборы, состоя­ щие из излучающего и фотоприемного элемент,ов и представляю­ щие собой цел,ое в конструктивном отношении. Излучателем слу­ жит чаще всего диод, излучающий электромагнитную энергию в инфракрасном спектре, но также используются светодиод, миниа­ тюрная лампочка накаливания, электролюмииесцентный излуча­ тель. Фотоприемным элементом является фоточувствительная структура, выполняющая функцию, соответствующую названию’ оптрона, т. е. фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фототиристор.

Рассмотрим схему, поясняющую оптронную развязку входных:

ивыходных цепей усилителя (рис. 5.10).

Вдиодном оптроне VD в качестве фотоприемного элемента используют диод с р—«-переходом на основе кремния; излучате­ лем служит диод инфракрасного излучения. Существует два ооновных режима работы фотодиода: фотодиодный и фотогенераторный. В цепях гальванической развязки обычно используется фото­

диодный режим работы оптрона.

В этом случае (рис. 5.10) к фотодиоду прикладывается внешнее обратное напряжение + U 0{X, —t/on. При этом, если фотодиодная структура не освещена, то через переход протекает ток, называе­ мый темн,овым обратным током. Его значение составляет единицы; микроампер. При увеличении напряжения на выходе усилителя А1 включается излучатель (диод инфракрасного излучения) и из-за резкого увеличения в полупроводнике количества генериро­ ванных электронов и дырок пропорционально возрастает выходной ток. В результате создается падение напряжения на резисторе R2' и напряжение на выходе транзистора VT увеличивается. В таких схемах применяются диодные .оптроны типов АОДЮ1А-Д, ЗОДЮ1-Г, АОДЮ7А-В, ЗОД707А-Б и др.

Рассмотрим типовые схемы усилителей с оптронной развязкой. В схеме оптронной развязки (рис. 5.11) применяются оптроны VD1, VD2 с идентичными характеристиками, работающие в фотодиод­ ном режиме. Усилитель А1 преобразует входное напряжение в ток, протекающий через светодиоды оптронов VD1 и VD2, являющиеся нагрузкой А1.

Оптрон VD1 образует цепь ООС усилителя А1. При увеличе­ нии напряжения на выхрде усилителя А1 сопротивление фотодио­