Рассмотрим схему такого однокаскадного усилителя (рисунок 2.33), в нем применены 2 источника питания + Е 1 и – Е 2, которые создают «+» и «−» напряжение относительно общей точки, имеющей нулевой потенциал («земля»). Входной сигнал подается непосредственно на базу транзистора.
Рисунок 2.33 – УПТ с двумя источниками питания и его потенциальная диаграмма |
I = (0,02 − 0,1) I к.
Сопротивление резисторов делителя могут быть определены из соотношений:
R 3 = UR 3 / I
R 4 = UR 4 / I
При подаче входного напряжения (положительной полярности) возрастает ток базы транзистора I б, что приводит к увеличению коллекторного тока I к. При этом увеличивается падение напряжения на R 1 и снижается потенциал верхнего вывода делителя R 3 / R 4, снижается потенциал средней точки делителя и на выходе появляется напряжение отрицательной полярности. Таким образом, делитель R 3 / R 4 компенсирует const составляющую напряжения и передает с некоторым уменьшением усиленное напряжение с коллектора транзистора на выход усилителя.
Коэффициент усиления такого усилительного каскада при R3 >> R1 и R4 >> R1, когда шунтирующие действия делителя можно не учитывать, определяется выражением:
K = K 0 · (R 4 / (R 3 + R 4)),
где K 0 – коэффициент усилителя с коллекторной нагрузкой без делителя;
R 4 / (R 3 + R 4) – множитель, учитывающий снижение коэффициента усиления за счет включения делителя.
Дрейф в УПТ
УПТ имеют один недостаток, затрудняющий усиление очень малых постоянных напряжений и токов. В УПТ существует так называемый дрейф нуля, который определяет нижний предел усиливаемых напряжений. Дрейф нуля заключается в следующем. С течением времени изменяются токи транзисторов и напряжения на их электродах. При этом нарушается компенсация постоянной составляющей напряжения и на выходе усилителя появляется напряжение в отсутствие входного сигнала. Т. к. УПТ должен усиливать напряжения вплоть до самых низких частот, всякое изменение постоянных составляющих напряжения U к0, U б0 из-за:
- нестабильности источников питания;
- старения транзисторов;
- изменения температуры окружающей среды и т. д.;
- принципиально не отличается от полезного сигнала.
Если вход УПТ замкнуть накоротко, а на входе подключить милливольтметр, то с течение времени даже при отсутствии входного напряжения из-за нестабильности величины U к0 и U б0 и неточной их компенсации появляется выходное напряжение.
Примерная временная зависимость U вых показана на графике (рисунок 2.34). Это напряжение, деленное на коэффициент усиления усилителя, называют дрейфом нуля, приведенным к входу усилителя:
U др = U вых / K u (при U вх = 0).
Рисунок 2.34 – Дрейф нуля в УПТ |
Как видно из временной зависимости, U вых состоит как бы из 2-х составляющих:
- монотонно изменяющегося напряжения (штриховая линия);
- переменной составляющей.
Для борьбы с дрейфом нуля принимают целый ряд мер:
- стабилизацию напряжения источников питания;
– стабилизацию температурного режима и тренировку транзисторов;
– использование дифференциальных (или балансных) схем УПТ;
- преобразование усиливаемого напряжения.
Для борьбы с дрейфом в УПТ применяют специальные схемы усилителей, которые называются дифференциальными или балансными. Такие схемы построены по принципу четырехплечевого моста (рисунок 2.35).
Рисунок 2.35 – Схема четырехплечевого моста |
Назначение элементов схемы:
-
Рисунок 2.36 – Дифференциальная схема в УПТ |
- переменный резистор R п служит для установки нуля. Это необходимо в связи с тем, что не удается подобрать два абсолютно идентичных транзистора и резисторы с равными сопротивлениями R 2, R 3. При изменении положения движка потенциометра R п изменяются сопротивления резисторов, включенных в коллекторные цепи транзисторов и, следовательно, потенциалы на коллекторах. Перемещением движка потенциометра R п добиваются нулевого тока в нагрузочном резисторе R н при отсутствии входного сигнала.
При изменении э.д.с. источника коллекторного питания Е 1 или смещения Е 2 изменяются токи обоих транзисторов и потенциалы их коллекторов. Если транзисторы идентичны и сопротивления R 2, R 3 в точности равны, то тока в резисторе R н за счет изменения э.д.с. Е 1, Е 2 не будет. Если транзисторы не совсем идентичны, то появляется ток в нагрузочном резисторе, однако он будет значительно меньше, чем в обычном, небалансном УПТ.
При подаче входного сигнала на базу транзистора VТ 1, увеличивается ток базы транзистора VТ 1 и уменьшится ток базы транзистора VТ 2. При этом токи I э1, I к1 увеличиваются, а токи I э2, I к2 уменьшаются. Изменение токов происходит на одну и ту же величину. Напряжение U к1 = E к1 − I к1 R к1 100 уменьшается, что вызывает приращение напряжения – ∆ U к1, противоположное по знаку (т. е. проинвертированное) U вх. Напряжение U к2 = E к1 − I к2 R к2 возрастает, что создает приращение напряжения того же знака + ∆ U k2 (т. е. непроинвертированное), что и напряжение входного сигнала. Т. е. в данном случае выход каскада со стороны коллектора транзистора VТ 1 является инвертирующим, а со стороны коллектора транзистора VT 2-неинвертирующим. Если подает сигнал на вход VТ 2, то тогда коллектор транзистора VТ 2 будет инвертирующим выходом, а коллектор VТ 1-неинвертирующим.
Если напряжение подается на оба входа сразу, то инвертирующий и неинвертирующий выходы (или входы) определяются на сравнении по формуле U вых = K (U вх1 − U вх2).