БАЛАНСНАЯ СХЕМА УСИЛИТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

Балансные схемы УПТ позволяют существенно уменьшить дрейф усилителя.

Параллельно- балансная схема усилителя приведена на рисунке.

Она представляет собой уравновешенный мост, два плеча которого- резисторы Rк₁ и Rк₂, два других плеча- транзисторы Т1 и Т2.

С одной диагонали моста между коллекторами транзисторов снимается выходное напряжение, в другую- через общий для транзисторов резистор R_Э подается питающее напряжение Ек. Схема работает в режиме А. При балансе моста (что достигается выбором однотипных транзисторов, Rк₁=Rк₂ и симметрирования схемы резисторами R или R’_Э) и Uвх=0. При изменении питающего напряжения Ек, температуры окружающей среды и прочих факторов в идеально сбалансированной системе выходное напряжение остается равным нулю, и дрейф отсутствует. В реальных условиях параметры транзисторов с течением времени и изменением температуры меняются неодинаково, поэтому дрейф в системе остается , но его величина снижается на порядок по сравнению с однотактной схемой и может достигать единиц милливольт за сутки работы.

Дополнительное стабилизирующее действие на схему оказывает резистор R_Э. При возрастании, например, питающего напряжения Ек увеличиваются токи транзисторов Iко₁ и Iко₂ и растет ток через R_Э: I_ЭО= Iко₁+ Iко_С. Это приводит к увеличению падения напряжения U_RЭО и оба транзистора несколько подзапираются, в результате чего токи транзисторов снижаются, приближаясь к прежней величине, при которой схема была сбалансирована. Таким образом, резистор R_Э вводит отрицательную обратную связь по сумме коллекторных токов, увеличивая стабильность начального режима транзисторов. Входной сигнал распределяется между входными сопротивлениями и подается на базы транзисторов Т1 и Т2 в противофазе. Если потенциал базы Т1 становится более положительным (за счет подачи +Uвх/2), то ток i_к1 снижается. Одновременно ток i_к2 увеличивается, так как на базу Т2 подано напряжение -Uвх/2. При этом потенциалы коллекторов транзисторов так же изменятся: Uкт₁ станет более отрицательным, а Uкт₂ более положительным. Разность коллекторных потенциалов определит выходное напряжение схемы Uвых.

При симметрии коллекторных цепей Uвых в два раза превышает изменение потенциала коллектора каждого транзистора. Так как входной сигнал так же делится поровну между входами транзисторов, то коэффициент усиления параллельно- балансного каскада равен коэффициенту усиления усилителя простого однокаскадного усилителя с ОЭ.

В симметричной схеме изменение коллекторных токов при подаче входного сигнала одинаковы по величине и противоположны по знаку. Поэтому ток в резисторе R_Э: i_Э=i_к1+i_к2, остается постоянным. Следовательно, резистор R_Э не вносит отрицательной обратной связи по усиливаемому сигналу и не снижает коэффициента усиления. В этом преимущество балансной схемы перед однотактным усилителем.

Для определения основных параметров усилителя построим его эквивалентную схему для усиливаемого (изменяющегося) сигнала с учетом резистора нагрузки Rн.

Предварительно отметим, что концы резистора Rн при подаче входного сигнала получают равные по величине и противоположные по знаку изменения напряжения относительно его средней точке, поэтому, Rн может рассматриваться как точка соединенная с общей шиной (см. рис.а). Тогда эквивалентную схему для половины балансного каскада можно построить так, как показано на рисунке б. В схему не включен резистор R_Э, так как он не влияет на усиление.

Из рисунка б коэффициент усиления напряжения (с учетом рисунка а):

,

где R’вх=Rвх//Rб, причем Rб=R₁//R₂ и Rвх=r_б+r_Э(b_Е+1).

Дрейф в параллельно- балансном каскаде не устраняется полностью из- за различия в изменениях параметров транзисторов и сопротивлений схемы. Для снижения величины дрейфа необходим тщательный отбор транзисторов по тепловым токам и их температурным зависимостям, а так же по величине b.

Хорошие результаты дает применение в параллельно- балансном каскаде интегральной пары транзисторов, то есть транзисторов в корпусном исполнении, сформированном в едином технологическом процессе на одном кристалле полупроводника. Такакя интегральная пара имеет близкие характеристики и практически одинаковый тепловой режим при работе в схеме.

Параллельные балансные каскады широко используются в выпускаемых серийно усилителях в интегральном исполнении. На рисунке показана схема однокаскадного усилителя (микросхема К1УТ221).

В этой схеме для увеличения стабильности и снижения дрейфа вместо резистора R_Э включен транзистор Т3, имеющий большое сопротивление, равное имеющее суммарный коллекторный ток I_к3=I_к1+I_к2 транзисторов Т1 и Т2 и создающее глубокую обратную связь по приращениям этого тока. Дополнительная стабилизация суммы коллекторных токов транзисторов Т1 и Т2 осуществляется введением температурной компенсации прямосмещенным диодом Д. При этом ток i_кз становится очень стабильным.

Входной ток схемы К1УТ221 составляет 10-20мкА, в зависимости от типа; R=6-3 кОм; К>15-22 при f=12 кГц. Разность входных токов не более 2-х мкА.