Усилитель постоянного тока с противоположной симметрией

Противоположная симметрия, называется также комплементарной, допускает каскадное соединение многих транзисторных каскадов усилителей постоянного тока при использовании источника низкого напряжения (рисунок 65). Симметрия такого типа основана на использовании двух транзисторов, из которых первый является типа р– n –р, а второй типа n – p – n или наоборот.

Рисунок 65

База VT1 имеет положительное смещение 0.7 В, такое каким характеризуются кремниевые транзисторы.

Достоинством схемы, основывающимся на противоположности характеристик обоих транзисторов, является малая чувствительность к изменениям температуры и параметров транзисторов.

Двухтактные УПТ

Существенное уменьшение дрейфа нуля достигается в балансных (мостовых) схемах УПТ, которые в большинстве случаев относятся к двухтактным (рисунок 66).

Рисунок 66

В данной схеме осуществляется компенсация изменения токов одного транзистора за счет изменений токов другого транзистора.

УПТ в виде моста: плечами которого являются внутренние сопротивление транзисторов VT1 и VT2, а двумя другими  и . К одной диагонали моста подключен источник питания , а к другой – .

Если  и , то номинальные токи покоя транзисторов одинаковы. При этом  и  относительно общей точки равны. Изменение напряжения питания, температуры или других дестабиллизирующих факторов вызывают равные приращения токов транзисторов, что обуславливает равные приращения напряжений на коллекторах . Однако баланс моста при этом сохраняется и напряжение на нагрузке равно нулю. При наличии входного сигнала  приращения коллекторных токов, а следовательно и напряжений на коллекторах будут равны по величине, но противоположны по направлению, что приводит к разбалансу моста и появлению на нагрузке разности потенциалов, за счет которой в резистор  течет ток.

Для повышения стабильности балансного УПТ вводят резистор связи .

Усилители с трансформаторной связью

В качестве межкаскадной связи используется согласующий трансформатор (рисунок 67) .

Рисунок 67

Согласующий трансформатор обеспечивает не только развязку по постоянной составляющей но и повышает коэффициент усиления по напряжению и току. За счет использования трансформаторов активное сопротивление мало, все напряжение прикладывается к коллектору транзистора, а значит источник питания с более низким напряжением.

Недостатки неравномерность частотной характеристики в диапазоне частот и меньшая технологичность трансформатора. Коэффициент трансформации трансформатора  выбирается из условия согласования сопротивления каскадов в области средних частот

 т.е.

,

где – выходное сопротивление первого каскада усиления на транзисторе VT1;  – входное сопротивление второго каскада на VT2.

Дифференциальный усилитель

Напряжение выходного сигнала снимается либо между коллекторами транзисторов (симметричный выход), либо с коллектора одного из транзисторов (несимметричный выход, рисунок 68,а).

Сопротивление  должно быть во много раз больше , чтобы ток , не зависел от напряжения на входе дифференциального усилителя.

Важнейшей особенностью ДУ является способность высокого усиления разностного входного сигнала  (когда входные сигналы переменного тока противофазны или разнополярны в случае сигналов постоянного тока) и значительного ослабления суммарного . Последним чаще всего является сигнал помехи, обусловленный напряжением дрейфа нуля.

При симметричных плечах схемы и отсутствии сигналов, ДУ сбалансирован и напряжение на входе, между коллекторами равно нулю. Поскольку  делится по полам, то потенциалы обоих коллекторов одинаковы .

Рисунок 68

Если в момент  на вход VT1 поступает положительный импульс при , то на выходе левого плеча схемы, представляющей каскад с ОЭ, появляется усиленный импульс  противоположной полярности (инвертированый сигнал). А на VT2 отрицательный, то на участке  на VT1 ток максимальный, а напряжение минимальное. Одновременно на VT2 напряжение максимальное , а ток минимальный. Этот сигнал называем дифференциальным (рисунок 68,б).

При проектировании ДУ на дискретных элементах очень большое значение имеет источник стабильного тока .

В интегральном исполнении в качестве источника стабильного тока использован транзистор VT3 в общей цепи эмиттеров VТ1 и VT2 . Резисторы , , суммарное сопротивление которых приблизительно 20 кОм, обеспечивают требуемый режим – VT3. Транзистор VT4 в диодном включении применяется для компенсации температурных изменений напряжения  транзистора VT3. Выходное сопротивление каскада VT3 по схеме ОЭ может достигать сотен килоом.

Рисунок 69

Операционные усилители 

Под операционным усилителем (ОУ) понимают высококачественный усилитель напряжения, предназначенный для выполнения самых разнообразных функций.

Рисунок 70

Интегральные ОУ обычно строятся по схеме усиления с непосредственной связью между отдельными каскадами с дифференциальным входом и биполярным по отношению к амплитуде усиливаемого сигнала выходом. Это обеспечивает нулевые потенциалы на входе и выходе ОУ при отсутствии управляющих сигналов на его входе. Поэтому такие усилители легко соединять последовательно при непосредственной связи между отдельными каскадами (рисунок 70).

Напряжение, непосредственно приложенное между входами, равно разности . Причем это напряжение равно нулю. Поэтому напряжения  по отношению к общей точке называются напряжениями общего вида, а их разность дифференциальным напряжением.

Выпускаемые ОУ характеризуются большим коэффициентом усиления, большим входным сопротивлением, и низким выходным сопротивлением.

Представляя ОУ идеальной моделью: считают, что , , . Кроме того к основным признакам идеального ОУ следует отнести: бесконечно широкую полосу частот, начиная с частоты ; постоянство амплитуды усиливаемого сигнала во всем диапазоне частот.

Перечисленных свойств ОУ полностью достигнуть нельзя, т.к. нельзя получить на выходе усилителя сигнал бесконечно большой мощности при малых размерах структуры микросхемы.