Простейшие УГС прямого усиления

Простейшие УГС прямого усиления выполняются с непосредственными или потснциометричсскими связями между каскадами.

Усилители с непосредственными связями. Принци­пиальная схема простейшего двухкаскадного УГС на БТ типа р — п — р и непосредственными связями между ка­скадами приведена на рис. 7.2, а.

Рис. 7.2. Схемы усилителей с непосредственными связями

Режим покоя первого каскада рассчитывается по методике, изложенной в § 5.3. Сопротивление резистора R_{э 2} должно быть таким, чтобы обеспечивалось условие

,

откуда

,

Обычно U _КЭ1» U _Э1поэтому из последнего уравнения следует U _Э2 > U _Э1. Согласно данному неравенству, при одинаковых режимах работы транзисторов VT1 и VI2 (при этом I _Э1 = I _Э2и U _КЭ1 = U _КЭ2)справедливы неравен­ства R _Э2 >R _Э1И R _к2< R _к1.

Так как резисторы R _Э1и R _Э2 являются элементами ООС, то для определения коэффициента усиления каждого каскада следует использовать выражение (4.5), в котором в соответствии с (5.15) K_u ≈ SR_k, а β= R _Э /R _K. Тогда

 

(7.1)

Данные выражения показывают, что увеличение сопро­тивления резистора R _Эи уменьшение сопротивления ре­зистора R _Kприводят к уменьшению коэффициента усиле­ния. Поэтому в таком усилителе не удается получить значительного коэффициента усиления за счет увеличения числа каскадов.

Для уменьшения ООС вместо резисторов R _Э1и R _Э2 можно использовать полупроводниковые стабилитроны, однако это не устраняет причины уменьшения сопротив­ления R _Kв каждом последующем каскаде.

Для получения большого коэффициента усиления в многокаскадном усилителе с непосредственной связью иногда используют чередующиеся каскады, выполненные на транзисторах типа р — п — р и п — р — п (рис. 7.2, б). Такой усилитель называют усилителем с дополнительной симметрией.

Усилители с потенциометрическими связями. По­лучить одинаковые режимы работы в многокаскадном транзисторном УГС с одина­ковыми значениями сопро­тивлений резисторов R _Эк R _Kи, следовательно, с одинако­вым коэффициентом усиления каждого каскада можно при осуществлении потенциометрической связи между ка­скадами (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Схема усилителя с потенцмометрическими свя­зями

Сопротивления резисторов R _д1и R _д2 делителя подбираются таким образом, чтобы выполнялось условие

.

Если нагрузку подключить между коллектором VT2 и движком переменного резистора R, то амплитудная ха­рактеристика усилителя будет соответствовать виду, по­казанному на рис. 7.1, в.

Дрейф нуля в УГС. Недостатком рассмотренных УГС является то, что изменение режима одного из каскадов под действим различных дестабилизирующих факторов вызывает изменение тока или напряжения выходного ка­скада. Это явление называется дрейфом нуля. Наиболь­шее влияние на дрейф нуля в УГС оказывает первый каскад, так как изменение тока или напряжения на его выходе усиливается последующими каскадами.

Основные причины, вызывающие дрейф нуля УГС:

· изменение температуры окружающей среды;

· изменение давления и влажности окружающей среды;

· изменение напряжений источников питания;

· старение активных и пассивных элементов усилителя;

· шумы, создаваемые активными и пассивными элемен­тами.

Количественно дрейф нуля оценивается дрейфом, при­веденным ко входу (приведенным дрейфом):

. (7.2)

Величина приведенного дрейфа ограничивает мини­мально различимый входной сигнал. Расчеты и экспери­ментальные исследования показывают, что для одиноч­ных каскадов с ОЭ приведенный ко входу дрейф нуля по напряжению примерно равен 2...8 мВ/град для крем­ниевых БТ и 20...30 мВ/град — для германиевых БТ. Приведенный дрейф по току в таких каскадах при токе - I _э = = 1 мА может превышать 10 мкА/град.

Приведенный дрейф нуля в одиночных каскадах на ПТ меньше, чем в каскадах на БТ, и составляет 3... 4 мВ/град.

Уменьшение дрейфа нуля в УГС достигается следую­щими мерами: стабилизацией напряжений источников питания; термостатированием усилителей; применением кремниевых транзисторов, имеющих меньшую темпера­турную зависимость коллекторного тока из-за меньшего значения обратного тока по сравнению с германиевыми транзисторами; применением термокомпенсирующих эле­ментов; охватом усилителя местными и общими петлями ООС по постоянному току; использованием балансных (мостовых) схем.

 

БАЛАНСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Существуют усилители последовательного и парал­лельного баланса. В транзисторных и интегральных усили­телях широкое распространение получили усилители па­раллельного баланса (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Схемы усилителей параллельного баланса с симметричными входами и выходами на биполярных (а) к полевых (б) транзисторах

Активные элементы VT1 и VT2 образуют два плеча моста. Еще два плеча образованы резисторами R1 и R2. Эмиттирующие электроды активных элементов имеют общий резистор R _Э. Источник входного напряжения и _вх включен между управляющими электродами активных элементов, а выходным напряжением и_вых является напря­жение между выходными электродами. Таким образом, данный УГС имеет симметричные вход и выход.

Если элементы симметричных плеч одинаковы, т. е. R1 = R2, и параметры активных элементов VT1 и VT2 оди­наковы, то при и _вх = 0мост сбалансирован и и_вых = 0. Из­менение напряжения питания, температуры окружающей среды и других факторов в симметричной мостовой схеме приводит к одинаковому изменению токов i ₁ и i ₂. В ре­зультате напряжения выходных электродов (коллекторов или стоков) изменяются одинаково, и разность напряже­ний между ними по-прежнему остается равной нулю.

Под действием напряжения и _вх изменения напряже­ний управляющих электродов оказываются одинаковыми по значению и противоположными по полярности (фазе): и _вх/2и – и_вх /2. Эти напряжения вызывают изменения токов i ₁ и i ₂ таким образом, что Δ i ₁ = —Δ i ₂. Напряжение на резисторе R _Эпри этом не изменяется, так как

.

Это означает, что для парафазных напряжений резистор R _Э,не является резистором ООС, и транзисторы VT1 и VT2 совместно с резисторами R1 и R2 образуют однокаскадныс усилители без ООС. Коэффициент усиления можно определить, используя эквивалентные схемы отдельных каскадов, представленные на рис. 7.5. Знаки «минус»

Рис. 7.5. Эквивалентные схемы левого (а) и правого (б) плеч усилителя параллельного баланса

перед обозначениями генераторов тока отображают ин­вертирующие свойства каждого каскада.

В соответствии с этими схемами имеем:

,

откуда

и

, (7.3)

 

где

. (7.4)

Сравнение выражений (7.3) и (5.15) показывает, что усилитель параллельного баланса имеет такой же коэф­фициент усиления, что и усилительный каскад без ООС.