Підсилення повільно-змінних струмів і напруг

Потреба в підсиленні струмів і напруг, які повільно змінюються, часто виникає в експериментальній фізиці, автоматиці, телеметрії та багатьох інших областях. Застосовувані для цього підсилювачі називаються підсилювачами постійної напруги (ППН) та підсилювачами постійного струму (ППС), хоча така їх назва не відповідає в точності їх функціональному призначенню, оскільки вони підсилюють не сталі у часі, а як завгодно повільно-змінні струми та напруги. Взявши це до уваги, ми будемо все ж користуватися загально вживаними термінами ППС та ППН.

6.1. Зсув рівня в ППН.

Щоб перетворити знайомий й нам підсилювач змінної напруги в ППН досить видалити з нього розділовий конденсатор (рис.6.1). Тоді вся вхідна напруга дійде до входу транзистора і АЧХ підсилювача набуде вигляду, поданому на рис.6.2. Однак при цьому виникає нова проблема: вихідна напруга складатиметься тепер з двох складових - постійної та сигнальної . Виділити малу сигнальну складову у «чистому» вигляді можна, зсунувши подільником рівень постійної напруги на виході каскаду (рис.6.3). Величину напруги джерела зміщення підбирають так, щоб при напруга на виході також дорівнювала нулю. Це матиме місце, якщо виконується пропорція

(6.1)

Але разом з цим, подільник зменшує корисний вихідний сигнал в разів

(6.2)

Однак слід прийняти до уваги, що співвідношення (6.1) справедливе саме для постійних складових напруги, тоді як (6.2) відноситься до їх малих приростів і тому опори і , що в ньому фігурують, є диференціальними опорами. Отже, можна зсунути рівень постійної напруги, не втративши при цьому підсилення, якщо зробити подільник з нелінійних елементів, які мають диференціальні опори відмінні від омічних опорів .

Дійсно, якби вдалось знайти елемент, у якого , можна було б зсунути рівень вихідної напруги на постійну величину, зберігши . Таким елементом може бути стабілітрон (або набір стабілітронів), увімкнений замість резистора .

Іншим варіантом може бути застосування у якості резистора нелінійного елементу, у якого . Таким елементом з великим диференціальним опором (при помірному омічному опорі) може бути вже знайома нам схема транзистора з емітерним опором (рис.6.4). Робоча точка транзистора, а отже і його омічний опір між точками А і В встановлюється подільником через який протікає від джерела струм . А диференціальний опір між А і В для такої схеми буде

= де (6.3)

і може бути дуже великим, значно більшим від омічного опору , де І - наскрізний струм через транзистор. Величину омічного опору можна регулювати подільником. Дійсно, для базового кола транзистора

(6.4)

Оскільки звичайно та , то

(6.5)

Якщо ж підібрати ще й так, щоб , то . Отже, при змінах струму подільника (наприклад, шляхом регулювання джерела ) величина струму по колу АВ буде дорівнювати струму і повторювати його зміни. Тому ця схема дістала назву струмового дзеркала.

Таким чином ми одержали елемент з регульованим наскрізним струмом і дуже великим диференціальним опором, тобто кероване джерело струму.

Можна тут було підійти і інакше, розглядаючи цю схему як емітерний повторювач: на опорі повторюється напруга . Задавши (а отже і ), ми одержуємо на напругу , незлежно від напруги прикладеної між А і В. Отже це є устрій, що підтримує заданий наскрізний струм незалежний від , тобто має дуже великий диференціальний опір і може розглядатися як джерело струму.

Певним недоліком схеми зображеної на рис 6.4 є значна температурна залежність струму , оскільки величина , якою ми вище знехтували істотно залежить від температури. Цю залежність можна скомпенсувати, як це зроблено в удосконаленій схемі стумового дзеркала зображеній на рис 6.5. Тепер співвідношення (6.4) матиме такий вигляд:

(6.6)

Якщо транзистори ідентичні, то та скорочуються і випадають із співвідношення струмів, так що одержаний вище вираз (6.5) стає точнішим. У такому вигляді схема струмового дзеркала знаходить широке застосування у випадках, коли потрібно мати великий диференціальний опір, зокрема у схемах підсилювачів постійної напруги для зсуву рівня вихідної напруги.

6.2. Дрейф нуля

Іншою істотною трудністю, яка виникає при роботі з ППН є дрейф нуля. Справа в тому, що навіть у найпростішому ППН, зображеному на рис 6.1., величина не залишається незмінною у часі: через неконтрольовані випадкові зміни напруги джерел

живлення, температури та інших чинників величини та повільно змінюються. При

підсиленні швидкозмінних напруг з цим можна не рахуватись, бо розділова ємність на виході каскаду завжди відділить змінні компоненти сигналу від режимної постійної компоненти. Якщо ж зміни і за швидкістю і величиною виявляються сумірними, відділити їх одна від одної у ППН стає справою складною і навіть неможливою. Доводиться періодично встановлювати та виставляти на нуль вихідну напругу (в схемі зображеній на рис.6.3 це можна робити, наприклад, змінюючи величину або співвідношення резисторів і ).

Усереднене значення спонтанних повільних змін режимної складової на виході ППН перерахованих до входу підсилювача

називають приведеним дрейфом нуля. Величина може сягати десятків, чи навіть сотень мілівольт. Дрейф нуля істотно утруднює роботу з підсилювачами постійної напруги. Боротися з дрейфом нуля можна такими заходами:

n стабілізацією напруги джерел живлення;

n застосуванням термокомпенсації;

n Застосуванням негативного зворотного зв*язку за режимом (стабілізація робочої точки).

Слід, однак, мати на увазі, що застосування НЗЗ призводить до зменшення коефіцієнта підсилення ППН і виправити справу викладеними вище методами (за допомогою ємностей) тут не вдається. Радикальним шляхом зменшення дрейфу нуля є застосування балансних схем ППН (рис.6.6).

В подібній схемі зображеній на рис.6.6а окрім «робочого» транзисто-

ра , на якій пода- ється вхідний сигнал, є ще другий допоміж-ний, транзистор ідентичний до . Вихідний сигнал зні-мається між колекто- рами цих транзисторів.

Для кращого розуміння суті справ схема балансного підсилювача може бути зображена як звичайний міст (рис.6.6б). В ній транзистори і зображені як еквівалентні резистори і . При балансі моста зміни напруги джерела живлення , увімкненого у вертикальну діагональ, не впливають на величину , що знімається з горизонтальної діагоналі. Баланс моста зберігається і тоді, якщо рівною мірою від зміни температури або якихось інших причин змінюються властивості і параметри транзисторів і . Вихідний сигнал з*являється тільки в наслідок розбалансування моста, викликаного зміною режиму за рахунок дії вхідного сигналу. Балансні схеми зменшують на 2 - 3 порядки приведений дрейф нуля і тому охоче застосовуються у підсилювачах постійної напруги.

Певним недоліком подібної балансної схеми є те, що вихідний сигнал виділяється між симетричними точками, жодна з яких не приєднана до землі. Тому підключати до них іншу схему, де одна з вхідних клем являє собою землю (а таких схем є більшість) неможливо. Ось тут у нагоді стає оптрон, який забезпечує гальванічний розв*язак кіл. Вхід оптрону можна увімкнути між колекторами балансної схеми, а вихід зробить несиметричним.

ППН виявляться дуже зручним з точки зору мікроелектронної технології. Дійсно, схеми ППН складаються лише з резисторів і транзисторів . В них немає великих ємностей, які в мікроелектронних схемах доводиться робити навісними. Особливо вдалою є мікроелектронна технологія що до виготовлення балансних схем. Одночасне виготовлення обох транзисторів та колекторних резисторів гарантує їх високу ідентичність, а їх близьке розташування на кристалі забезпечує близькість температур у процесі експлуатації. Тому ППН виготовлені за інтегральною технологією мають вищі якості і менший дрейф нуля, ніж виготовлені з окремих деталей. Сучасна промисловість виготовляє широкий асортимент ІМС для підсилення постійних напруг.

6.3. Підсилювач малих постійних струмів

(електрометричний підсилювач)

Підсилювач постійної напруги можна досить просто перетворити на підсилювач постійного струму для вимірювання малих струмів, які повільно змінюються. Для цього вимірюваний струм пропускають через відомий опір та підсилюють створювану на ньому спад напруги (рис.6.7). Вимірюваний стрілко- вим приладом вихідний струм підсилювача дорівнює

,

де - опір приладу П. З останнього виразу, враховуючи, що , дістанемо коефіцієнт підсилення за постійним струмом:

(6.7)

Здавалося б, збільшуючи опір та зменшуючи опір , можна одержати як завгодно велике підсилення. В дійсності ж, слід враховувати вхідний та вихідний опори підсилювача, тобто замість писати + , а замість підставляти .

Якщо в першому каскаді підсилювача застосовувати МОН - транзистор, вхідний опір якого сягає Ом, то опір може бути величиною порядку Ом. Опір вимірювального приладу при Ом може становити Ом. Отже, скажімо, при , Ом та =10³ Ом коефіцієнт підсилення за струмом може бути порядку .Тобто звичайним стрілковим міліамперметром можна буде вимірювати струми порядку А. Такі підсилювачі постійного струму широко застосовуються у фізичних експериментах.

Слід однак мати на увазі, що величина вимірюваного стуму не повинна залежати від величини опору , отже треба припустити, що внутрішній опір джерела вимірюваного струму повинний бути ще набагато більшим від . Фізичні прилади з таким великим внутрішнім опором дійсно існують (наприклад, мас-спектрометри, фотопомножувачі, іонізаційні камери тощо) і утворювані ними струми можуть підсилюватися за допомогою описаних вище підсилювачів.

Ще одне зауваження полягає в тому, що постійна часу вхідного кола таких підсилювачів , де - вхідна ємність. Легко оцінити, що ця постійна часу при порядку кількох пікофарад становитиме десятки секунд, тобто ці підсилювачі є дуже інерційними.

6.4. Диференціальний підсилювач

Зображена на рис.6.6 схема балансного ППН має одну цікаву властивість: якщо на базу транзистора подати вхідний сигнал , а на базу - другий вхідний сигнал , то вихідний сигнал може бути пропорційним до різниці цих вхідних сигналів

(6.8)

Підсилювач з такими властивостями називається диференціальним підсилювачем (ДП); такі підсилювачі широко застосовуються у різноманітних радіоелектронних пристроях.

Спрощена схема диференціального підсилювача зображена на рис.6.8. Сигнальна складова напруги на першому виході[1] , а на другому виході . Нехай . Різницева напруга між виходами

(6.9)

Величини колекторних струмів приблизно дорівнюють величинам емітерних струмів відповідних транзисторів: .

Якщо емітерний опір достатньо великий, струм в нього практично не відгалужується і можна вважати, що . Але величина емітерних струмів визначається різницею напруг на входах транзисторів:

(6.10)

де - вхідний опір транзистора для емітерного струму. Підставляючи (6.10) в (6.9), дістанемо

, (6.11)

де - різницевий коефіцієнт підсилення. Відповідно для виходів 1 та 2 коефіцієнти підсилення дорівнюватимуть

.

Зроблене вище припущення що до великого значення має, очевидно, такий сенс:

(6.12)

Таким чином, ми з*ясували, що у ідеальному випадку (коли умова (6.12) виконується), сигнали на виходах 1 і 2 визначаються лише різницею вхідних напруг та . Однак, у реальному приладі на значення вихідних сигналів та все ж таки може позначатися також і абсолютна величина вхідних сигналів.

Вхідні сигнали і можна розкласти на різницеву та середню (синфазну) компоненти:

На величину вихідних сигналів та впливатиме не тільки величина різницевого вхідного сигналу , але й синфазна компонента . Дійсно, розглянемо випадок, коли до обох входів ДП прикладена однакова напруга = . Оскільки при цьому кожна з половин ДП працює симетрично, то їх роботу можна розглядати порізно, так, ніби ми розрізали схему зображену на рис .6.8 надвоє і одержали просто каскад підсилювача з емітерним опором (рис.6.9).

Коефіцієнти підсилення такої схеми за симетричним (синфазним) сигналом по виходах 1 і 2 дорівнюватиме

і будуть набагато меншими відповідних різницевих коефіцієнтів підсилення та . Їх відношення називається коефіцієнтом ослаблення за синфазним сигналом :

(6.13)

і є мірою якості диференціального підсилювача. Адже коефіцієнт вказує який різницевий сигнал ( ) може бути виявлений на фоні великого синфазного сигналу. Так, наприклад, при =10³ можливе виявлення різницевих сигналів порядку мілівольта на фоні синфазних сигналів порядку в один вольт. Коефіцієнт ослаблення за синфазним сигналом часто виражають у децибелах

(дБ)

У хороших диференціальних підсилювачах він досягає 80 - 100 дБ.

Таким чином, запорукою успішної роботи ДП є добре виконання нерівності . Проте просте збільшення опору резистора виявляється не ефективним. Припустимо, бажано одержати =10⁴ (тобто 80 дБ). Тоді при Ом величина має дорівнювати Ом. Якщо, навіть, у кожного з транзисторів колекторний струм буде =1 мА, то на спадатиме напруга у 600 в. Це нереально.

Розв*язати цю проблему можна застосувавши як резистор елемент, що має великий диференціальний опір (для сигнальних складових струму) та невеликий омічний опір (для режимних складових). Таким елементом може буде розглянуте вище струмове дзеркало (рис.6.5).

Промисловість випускає ДП, оформлені у вигляді інтегральних мікросхем, позначених літерами УД («усилитель дифференциальный»). Як приклад можна розглянути схему диференціального підсилювача типу К118УД1 (рис.6.10). Живиться ця схема від двох джерел 6.3 в. Транзистори сумісно з опорами утворюють основну частину ДП. Його емітерний опір складається з транзистора та резистора , який збільшує диференціальний опір транзистора. Робоча точка транзистора встановлюється дільником . Транзистор , увімкнений діодом, застосовується для термокомпенсації.

Вихідний сигнал можна знімати як з кожного виходу окремо (несиметричні виходи), так і між цими виходами (симетричний вихід).

6.5. Способи підвищення вхідного опору ДП.

Вхідний опір ДП є його важливою характеристикою. Слід розрізняти вхідний опір ДП з різницевим та синфазним сигналами.

Якщо емітерний опір досить великий і відгалуженням струму в нього можна нехтувати, то вхідний опір різницевого сигналу можна визначити як

і збільшити його можна кількома способами:

1) За схемою Джіоколетто , де ( - диференціальний опір відкритого базово - емітерного переходу). Застосовуючи транзистори з великим можна збільшити вхідний опір ДП.

2) є обернено пропорційним до . Тому працюючи в режимі малих струмів колектора (режимі мікрострумів), можна також одержати великий вхідний опір. В схемах ДП досить часто застосовують режими, в яких дорівнює лише кільком десяткам мікроамперів.

3) В схемі складеного транзистора (схемі Дарлінгтона)

Отже, вхідний опір та коефіцієнт підсилення за струмом тут значно більші, ніж для окремого транзистора. Тому схемою Дарлінгтона охоче користуються у диференціальних підсилювачах.

Що ж до вхідного опору за синфазним сигналом, то він для схеми з емітерним опором дорівнює , де - диференціальний опір в колі емітера. Таким чином вхідний опір для синфазного сигналу буває значно більшим, ніж для різницевого.

[1] По відношення до землі.