УПТ с двумя источниками питания

Рассмотрим схему такого однокаскадного усилителя (рисунок 2.33), в нем применены 2 источника питания + Е1 и – Е2, которые создают «+» и «−» напряжение относительно общей точки, имеющей нулевой потенциал («земля»). Входной сигнал подается непосредственно на базу транзистора.

Рисунок 2.33 – УПТ с двумя источниками питания и его потенциальная диаграмма
При Uвх = 0, потенциал базы φб = 0. Потенциалы других точек схемы (относительно общей точки) зависят от напряжений источников питания. К делителю R3 / R4, в отсутствии входного сигнала, приложено напряжение φR3 + φR4 = φк - (- E2) = φк + E2, при этом потенциал средней точки делителя должен быть равен нулю, т. е. напряжение на выходе равно 0, при этом падение напряжение на плечах делителя соответственно равны UR3 = φк, UR4 = E2. Чтобы ток делителя не нарушал режима работы транзистора, его обычно выбирают значительно меньше Iк:

I = (0,02 − 0,1) Iк.

Сопротивление резисторов делителя могут быть определены из соотношений:

R3 = UR3 / I

R4 = UR4 / I

При подаче входного напряжения (положительной полярности) возрастает ток базы транзистора Iб, что приводит к увеличению коллекторного тока Iк. При этом увеличивается падение напряжения на R1 и снижается потенциал верхнего вывода делителя R3 / R4, снижается потенциал средней точки делителя и на выходе появляется напряжение отрицательной полярности. Таким образом, делитель R3 / R4 компенсирует const составляющую напряжения и передает с некоторым уменьшением усиленное напряжение с коллектора транзистора на выход усилителя.

Коэффициент усиления такого усилительного каскада при R3 >> R1 и R4 >> R1, когда шунтирующие действия делителя можно не учитывать, определяется выражением:

K = K0 · (R4 / (R3 + R4)),

где K0 – коэффициент усилителя с коллекторной нагрузкой без делителя;

R4 / (R3 + R4) – множитель, учитывающий снижение коэффициента усиления за счет включения делителя.

 

Дрейф в УПТ

УПТ имеют один 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 следующем. 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. Т. к. УПТ должен усиливать напряжения вплоть до самых низких частот, всякое изменение постоянных составляющих напряжения Uк0,Uб0 из-за:

- нестабильности источников питания;

- старения транзисторов;

- изменения температуры окружающей среды и т. д.;

- принципиально не отличается от полезного сигнала.

Если вход УПТ замкнуть накоротко, а на входе подключить милливольтметр, то с течение времени даже при отсутствии входного напряжения из-за нестабильности величины Uк0 и Uб0 и неточной их компенсации появляется выходное напряжение.

Примерная временная зависимость Uвых показана на графике (рисунок 2.34). Это напряжение, деленное на коэффициент усиления усилителя, называют дрейфом нуля, приведенным к входу усилителя:

Uдр = Uвых / Ku (при Uвх = 0).

Рисунок 2.34 – Дрейф нуля в УПТ
УПТ может правильно воспроизводить на выходе только те сигналы, которые значительно превышают напряжение дрейфа, т. е. Uвх >> Uдр. Поэтому при проектировании чувствительного усилителя приходится принимать специальные меры к снижению дрейфа нуля.

Как видно из временной зависимости, Uвых состоит как бы из 2-х составляющих:

- монотонно изменяющегося напряжения (штриховая линия);

- переменной составляющей.

Для борьбы с дрейфом нуля принимают целый ряд мер:

- стабилизацию напряжения источников питания;

– стабилизацию температурного режима и тренировку транзисторов;

– использование дифференциальных (или балансных) схем УПТ;

- преобразование усиливаемого напряжения.

Для борьбы с дрейфом в УПТ применяют специальные схемы усилителей, которые называются дифференциальными или балансными. Такие схемы построены по принципу четырехплечевого моста (рисунок 2.35).

Рисунок 2.35 – Схема четырехплечевого моста
Если мост сбалансирован, т. е. R1 / R2 = R4 / R3, то при изменении напряжения источника питания + Ек баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе Rн ток равен нулю. С другой стороны, при пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R1, R2 или R3, R4 баланс моста тоже не нарушается. Если заменить резисторы R2, R3 транзисторами, то получим дифференциальную схему, часто применяемую в УПТ (рисунок 2.36).

 

Назначение элементов схемы:

-

Рисунок 2.36 – Дифференциальная схема в УПТ
R1 стабилизирует ток транзисторов, включен в эмиттерную цепь обоих транзисторов; чтобы можно было использовать резистор с большим сопротивлением R1, увеличивают напряжение источника питания Ек до значения Ек2 = Ек1, а в интегральных микросхемах вместо R1 применяют стабилизатор постоянного тока, который выполняют на 2-х транзисторах.

- переменный резистор Rп служит для установки нуля. Это необходимо в связи с тем, что не удается подобрать два абсолютно идентичных транзистора и резисторы с равными сопротивлениями R2, R3. При изменении положения движка потенциометра Rп изменяются сопротивления резисторов, включенных в коллекторные цепи транзисторов и, следовательно, потенциалы на коллекторах. Перемещением движка потенциометра Rп добиваются нулевого тока в нагрузочном резисторе Rн при отсутствии входного сигнала.

При изменении э.д.с. источника коллекторного питания Е1 или смещения Е2 изменяются токи обоих транзисторов и потенциалы их коллекторов. Если транзисторы идентичны и сопротивления R2, R3 в точности равны, то тока в резисторе Rн за счет изменения э.д.с. Е1, Е2 не будет. Если транзисторы не совсем идентичны, то появляется ток в нагрузочном резисторе, однако он будет значительно меньше, чем в обычном, небалансном УПТ.

При подаче входного сигнала на базу транзистора VТ1, увеличивается ток базы транзистора VТ1 и уменьшится ток базы транзистора VТ2. При этом токи Iэ1, Iк1 увеличиваются, а токи Iэ2, Iк2 уменьшаются. Изменение токов происходит на одну и ту же величину. Напряжение Uк1 = Eк1 − Iк1 Rк1 100 уменьшается, что вызывает приращение напряжения – ∆Uк1, противоположное по знаку (т. е. проинвертированное) Uвх. Напряжение Uк2 = Eк1 − Iк2 Rк2 возрастает, что создает приращение напряжения того же знака + ∆Uk2 (т. е. непроинвертированное), что и напряжение входного сигнала. Т. е. в данном случае выход каскада со стороны коллектора транзистораVТ1 является инвертирующим, а со стороны коллектора транзистора VT2-неинвертирующим. Если подает сигнал на вход VТ2, то тогда коллектор транзистора VТ2 будет инвертирующим выходом, а коллектор VТ1-неинвертирующим.

Если напряжение подается на оба входа сразу, то инвертирующий и неинвертирующий выходы (или входы) определяются на сравнении по формуле Uвых = K (Uвх1 − Uвх2).