1.3. Напруга зміщення нуля і його дрейф
При розробці підсилювача зазвичай задають початковий (вихідний) рівень вхідного сигналу і діапазон його зміни в певному частотному діапазоні. Як окремий випадок початковий вхідний сигнал може бути дорівнює нулю (Uвх поч = 0). Цьому початкового сигналу повинен відповідати якийсь вихідний сигнал. Окремий випадок вихідного сигналу - U вих = 0 при Uвх поч = 0, що можна домогтися в результаті використання декількох джерел живлення, різних схемних рішень, подібних, наприклад, тим, які використані в операційних підсилювачах. Для більш простих схем вихідне вихідна напруга (U вих при Uвх поч) зазвичай відрізняється від нуля. Наприклад, в схемах малюнків 6.1 і 6.2 воно буде дорівнює напрузі на колекторі другого транзистора при Uвх = Uвх поч. У розділі 3.4 показана залежність цієї напруги від розкиду номіналів резисторів і параметрів транзистора доже для одного каскаду. Звичайно, можна дослідним шляхом визначити величину вихідної напруги при подачі на вхід вихідного початкового сигналу і наступні зміни визначати щодо цього значення. Але при великій кількості примірників однотипних підсилювачів такий підхід буде нераціональним. Зазвичай вказують певну величину вихідної напруги при вихідному рівні вхідного. Її визначають на основі статистичних вимірювань і розрахунків.
Кожен екземпляр підсилювача може мати індивідуальне вихідна напруга (при Uвх поч = 0), що відрізняється від нормативного. Це відхилення називають напругою зміщення нуля. Пояснення такому найменуванню слід шукати в операційних підсилювачах - найбільш масовому типі УПТ. У них за початковий рівень вхідного сигналу прийнято напруга, рівне нулю, а відповідне вихідна при двополярної симетричному харчуванні також має дорівнювати нулю. Тому для них напруга зсуву нуля - це напруга на виході при закороченном (нульовому) вході, причому воно відраховується щодо землі (нуля).
Більш вигідним є перерахунок напруги зсуву нуля до вхідної ланцюг:
де Ucм вх - наведене (до входу) напруга зсуву нуля;
Uсм вих - напруга зсуву нуля на виході підсилювача;
К - коефіцієнт посилення.
Можна вважати що це напруга завжди докладено до входу УПТ (рисунок 6.3), викликаючи появу на виході додаткового напруження, що не обумовленого вхідним корисним сигналом.
Малюнок 6.3. УПТ з джерелом напруги зсуву нуля, наведеного до входу
Великим недоліком УПТ прямого посилення, яке різко звужує їх область застосування, є залежність їх характеристик і параметрів від дестабілізуючих факторів - температури, напруги джерела живлення, опору навантаження і т.п. Їх вплив, перш за все, виявляється в нестабільності положення робочої точки. Подібна залежність спостерігається і в каскадах підсилювачів змінного струму (див. Розділи 3). Однак в них вона не приводила до погіршення параметрів всієї схеми. Навіть якщо робоча точка будь-якого каскаду і змінилася, то ця зміна не позначалося на робочій точці наступних каскадів, так як елементи межкаскадной зв'язку (конденсатори, трансформатори) не пропускали на вхід наступних каскадів постійну складову. Тому ніяких додаткових заходів, крім стабілізації точки спокою окремого каскаду, в підсилювачах змінного струму зазвичай не робиться.
Для УПТ прямого посилення зміна напруги на вході першого каскаду (неважливо, з яких причин - через зміни вхідного корисного сигналу або через зміну положення робочої точки, наприклад, у зв'язку зі зміною температури, старіння елементів або будь-яких інших дестабілізуючих факторів) посилюється цим і наступними каскадами. Це призводить до того, що навіть при відсутності вхідного сигналу і компенсації Uсм вх напруга на виході УПТ змінюється. Це явище отримало назву дрейфу нуля. Характеристика дрейфу для найбільш значимих дестабілізуючих чинників зазвичай наводиться в технічній документації на УПТ. Наприклад, в параметрах операційних підсилювачів є показник зміни напруги зміщення нуля при зміні температури на один градус.
Напруга дрейфу на виході підсилювача, навіть при компенсації Uсм. може виявитися одного порядку з напругою сигналу або навіть більше його. Тому поряд з такими методами зменшення дрейфу, як стабілізація напруги джерел живлення, застосування глибокої негативного зворотного зв'язку і інші, використовують суто схемотехнічні заходи, пов'язані з раціональним вибором елементів і побудовою самих схем посилення.
Основними методами підвищення стійкості УПТ є:
1. Застосування балансових (мостових) схем.
2. Перетворення постійної напруги в змінну і посилення змінної напруги з подальшим випрямленням (посилення з модуляцією і демодуляцией сигналу - МДМ).
1.4. Балансні схеми УПТ
Балансні УПТ будуються на основі схеми збалансованого четирехплечного врівноваженого моста: два однакових підсилювальних елементу, що працюють в ідентичному режимі, утворюють два плеча моста, а іншими двома плечима є два однакових резистора Rк в їх колекторної ланцюга. Каскади можуть бути виконані як на основі біполярних, так і польових транзисторів. Типова балансная схема транзисторного УПТ приведена на малюнку 6.4.
Малюнок 6.4. Балансна схема УПТ
Дана схема по суті являє собою міст, плечима якого є колекторні резистори Rк і внутрішні опору транзисторів VTI і VT2. Резистори Rб1 і Rб2 входять в подільники напруги джерела витання і служать для вибору вихідного режиму роботи транзисторів. В об'єднану емітерний ланцюг включений резистор Rе. До однієї з діагоналей поста підведена напруга джерела живлення Ек. а з іншого - знімаються вихідна напруга (навантаження каскаду підключають між колекторами транзисторів):
Для нормальної роботи схеми необхідна повна симетрія плечей. В цьому випадку в початковому стані (до надходження вхідного сигналу) міст виявиться збалансованим, а напруга на його виході дорівнюватиме нулю. Реально симетрія досягається, перш за все, вибором узгоджену пару (ідентичних) транзисторів і допоміжних елементів каскаду (резисторів ланцюгів зсуву, стабілізації і т.п.). Нерідко використовуються транзисторні збірки, в яких обидва активних елемента виконуються в єдиному технологічному процесі на одній підкладці, в безпосередній близькості один від одного. Якщо в схемі забезпечена абсолютна симетрія, то вихідна напруга не змінюється через дії дестабілізуючих факторів (температури та інших зовнішніх факторів).
При повній симетрії плечей струми спокою обох транзисторів, а також їх відхилення в разі зміни режиму (наприклад, при зміні напруги Ек зміні температури і т. П.) Мають рівну величину. Потенціали колекторів при цьому є рівними або отримують однакові збільшення напружень. Тому при однаковому впливі дестабілізуючих факторів на обидва транзистора одночасно баланс моста не порушується і вихідна напруга не виникає, тобто напруга дрейфу дорівнює нулю.
При подачі вхідного сигналу будь-якої полярності стан транзисторів змінюються в різних напрямах (один транзистор відкривається, інший прізакривается), так як на їх бази діють різні за знаком напруги. Міст розбалансує. Отже, потенціали колекторів транзисторів отримують однакові за величиною, але протилежні за знаком збільшення. З'являється вихідна напруга, величина і полярність якого залежать тільки від величини і полярності вхідної напруги. Таким чином, амплітудна характеристика балансної схеми принципово не повинна відрізнятися від прямої лінії, що проходить через початок координат.
Разом з тим на резисторі Rе не створюється напруга зворотного зв'язку для змінних складових струмів # 8710; Iе1 і # 8710; Iе2. викликаних дією корисного сигналу. Це пояснюється тим, що струми емітерів обох транзисторів під впливом сигналу отримують рівні, але протилежні збільшення (# 8710; Iе1 = - # 8710; Iе2) так як потенціали баз завжди протилежні одна одній (коли на базу VT1 від джерела сигналу подається плюс, на базу VT2 - мінус і навпаки). Отже, коефіцієнт посилення схеми не зменшується.
Зверніть увагу на те, що вхідний і вихідний напруги не пов'язані з потенціалом землі (загальним проводом). Звичайно, можна оперувати напругою на кожному з таких входів або виходів по відношенню до землі, проте в таких випадках прийнято використовувати поняття диференціального і синфазного напруги. Диференціальне напруга являє собою різницю вхідних (вихідних) напруг:
Синфазное напруга можна визначити як полусумму напруг:
В такому випадку напруги на вході балансного підсилювача можна представити таким чином (рисунок 6.5).
Малюнок 6.5. Диференціальне та синфазное напруга
Диференціальне напруга дорівнює нулю, якщо два входи каскаду з'єднати між собою. В такому випадку все вхідна напруга є синфазное вхідна напруга. У повністю збалансованому балансному каскаді в цьому випадку вихідна напруга буде дорівнювати нулю, причому для будь-якого значення синфазного сигналу. Таким чином, балансові підсилювачі підсилюють тільки диференціальну складову і не посилюють синфазну складову.
При розгляді балансових схем виділяють диференціальні і синфазних коефіцієнти посилення. Їх величину можна визначити таким чином.
При подачі на входи двох однакових, але протилежних за знаком напруги (в цьому випадку синфазное напруга дорівнює нулю) транзистори працюють в протифазі. Тому при однаковому впливі на кожен з транзисторів однакового напруги баланс моста не порушується і вихідна напруга не виникає. Вплив диференціальної складової призводить до разбалансу моста і було описано вище.
У реальних балансних схемах завжди є деяка асиметрія. Тому напруга дрейфу на виході повністю не зникає. Однак дрейф нуля в балансних схемах визначається різницею струмів обох транзисторів і тому значно менше, ніж в звичайних схемах прямого посилення. Також на виході з'являється сигнал, який визначається синфазної складової вхідного сигналу.
Інформація про роботу «Підсилювачі постійного струму і операційні підсилювачі»
Розділ: Фізика
Кількість знаків з пробілами: 44077
Кількість таблиць: 0
Кількість зображень: 14