Температурную стабильность схемы можно оценить, если вспомнить, что падение напряжения между базой и эмиттером уменьшается примерно на 2,1 мВ при увеличении температуры на каждый градус (°С), а коллекторный ток увеличивается в 10 раз при каждом увеличении напряжения между базой и эмиттером на 60 мВ. Например, если резистор заменить диодом, то напряжение между базами транзисторов Тг и Гд будет равно утроенному падению напряжения на диоде, а на последовательное соединение резисторов и R будет приходиться падение напряжения, равное падению напряжения на диоде. (Следовательно, резисторы R и R должны быть подобраны таким образом, чтобы обеспечивался нужный ток покои, например 50 мА для усилителя звуковых частот.) Самым худшим для этой схемы является случай, когда смещающие диоды не имеют теплового контакта с выходными транзисторами.

Рассмотрим такой самый худший случай и вычислим увеличение тока покоя выходного каскада, соответствующее повышению температуры выходного транзистора на 30°С. Кстати, для усилителя мощности такое увеличение температуры не является большим. Указанное повышение температуры при постоянном значении тока приводит к у.мень-шению напряжения t/ga выходных транзисторов приблизительно на 63 мВ и к увеличению падения напряжения на резисторах R и R приблизительно на 20% (т.е. приблизительно на 20% увеличивается ток покоя). Для усилителя без эмиттерных резисторов (рис. 2.55) аналогичный расчет показывает, что ток покоя увеличится в 10 раз (напомним, что ток /к увеличивается в 10 раз при возрастании напряжения Уъэ на 60 мВ), т. е. его рост составит 1000%. Очевидно, что температурная стабильность последней схемы с резисторами смещения в цепях эмиттеров значительно выше.

Еще одно преимущество этой схемы состоит в том, что регулировка тока покоя позволяет управлять величиной переходных искажений. Двухтактные усилители, в которых смещение используется для получения достаточно большого тока покоя в момент перехода сигнала через нуль, называют иногда усилителями класса АВ; это название подразумевает, что в течение некоторого интервала времени оба транзистора находятся в состоянии проводимости. Практически при выборе тока покоя следует найти компромисс между уменьшением искажения и рассеиваемой мощностью в состоянии покоя. Почти всегда для ослабления переходного искажения используют еще обратную связь, о которой пойдет речь в следующей главе.

Другой метод смещения двухтактного повторителя представлен на рис. 2.57. Транзистор работает как регулируемый диод: базовые резисторы образуют делитель напряжения, благодаря которому напряжение между коллектором и эмиттером стабилизируется при значении, пропорциональном напряжению между базой и эмиттером (оно равно падению напряжения на диоде); при увеличении напряжения (/кэ транзистор переходит в режим большей проводимости, и наоборот. Например, если оба резистора имеют сопротивления Г кОм.то трапзи-

Гмва 2

Т

100 Ом

кОм

панов а сме-тцения

2,5 кОм

стор удерживает напряжение между коллектором и эмиттером, равное удвоенному падению напряжения на диоде. В показанном на рис. 2.57 случае регулировка смещения позволяет установить напряжение между

,уц базами в диапазоне от 1 до 3,5

* падения напряжения на диоде.

Конденсатор емкостью 1 мкФ служит для того, чтобы на базы выходных транзисторов поступил одинаковый сигнал; такой шунтирующий конденсатор полезен в любой схеме смещения. В данной схеме коллекторный резистор транзистора Ti заменен источником тока Tj. Эту разновидность схемы с успехом используют на практике - дело в том, что с помощью резистора бывает иногда трудно получить нужный базовый ток для транзистора Га при значениях сигнала, близких к максимальным. Для того чтобы удовлетворить требованиям со стороны транзистора Га, резистор должен быть небольшим, но тогда большим будет коллекторный ток покоя транзистора (рассеиваемая мощность также бу-

1,0 1

кОм

--МО JT

1,0 Ом Нагрузка

мкФ

1,0 Ом

Рис. 2.57. Схема задания смещения двухтактного выходного каскада для уменьшения переходных искажений.

дет велика), а коэффициент усиления по напряжению также будет небольшим (напомним, что К=-/?к/э)- Задачу формирования базового тока для транзистора позволяет решить так-же метод следящей связи **, который мы рассмотрим t

2.15. Составной транзистор (схема Дарлингтона) Если соединить транзисторы, как показано на

рис. 2.58, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент р будет равен произведению коэффициентов р составляющих транзисторов. Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.

Bootsrapping - дословно привязанная подошва , очень распространенный термин в англоязычной литературе,- Прим, ред.

Рис. 2.58. Состав, ной транзистор Дарлингтона.

В транзисторе Дарлингтона падение напряжения между базой и эмиттером в два раза больше обычного, а напряжение насыщения равно по крайней мере падению напряжения на диоде (так как потенциал эмиттера транзистора Ti должен превышать потенциал эмиттера транзистора Гг на величину падения на- /f

пряжения на диоде). Кроме того, соединенные таким образом транзисторы ведут себя как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор Ti не может быстро выключить транзистор Тг. С учетом этого свойства обычно между базой и эмиттером транзистора Га включают резистор (рис. 2.59). Резистор R предотвращает смещение транзистора Га в область проводимости за счет токов утечки транзисторов Ti и Га. Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки (измеряемые в наноампера.х для малосигнальных транзисторов и в сотнях микроампер для мощных транзисторов) создавали на нем падение напряжения, не превышающее падения напряжения на диоде, и вместе с тем чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора Га. Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько тысяч ом в малосигнальном транзисторе Дарлингтона.

Промышленность выпускает транзисторы Дарлингтона в виде законченных модулей, включающих, как правило, и эмиттерный резистор. Примером такой стандартной схемы служит мощный п - р-п-У транзистор Дарлингтона типа 2N6285, его коэффи- циент усиления по току равен 4000 (типичное значение) для коллекторного тока, равного 10 А.

Рис. 2.59.

Соединение транзисторов по схеме Ши-клаи (Szlklai). Соединение транзисторов по схеме Шиклаи представляет собой схему, подобную той, которую мы только что рассмотрели. Она также обеспечивает увеличение коэффициента р. Иногда такое соединение называют комплементарным транзистором Дарлингтона (рис. 2.60) Схема ведет себя как транзистор п - р - и-типа, обладающий большим коэффициентом р. В схеме действует одно напряжение между базой и эмитте-poMj, а напряжение насыщения, как и в предыдущей схеме, равно по крайней мере падению напряжения на диоде. Между базой и эмиттером транзистора Гг рекомендуется включать резистор с небольшим сопро-

Рис. 2.60.

> Дополнительным или дополняющим составным транзистором,- Прим, ред.

тивление\1.Разработчики применяют эту схему в мощных двухтактных выходных каскадах, когда хотят использовать выходные транзисторы только одной полярности. Пример такой схемы показан на рис 2.61. Как и прежде, резистор представляет собой коллекторный резистор

транзистора Л. Транзистор Дар-+кк лингтона, образованный транзисторами Га и Тз, ведет себя как один транзистор п р - -типа с большим коэффициентом усиления по току. Транзисторы и Т^, соединенные по схеме Шиклаи, ведут себя как мощный транзистор р - п - /7-типа с большим коэффициентом усиления. Как и прежде, резисторы Rs и R имеют небольшое сопротивление. Эту схему иногда называют двухтактным повтори-~ телем с квазидополнительной симметрией. В настоящем каскаде с дополнительной симметрией (комплементарном) транзисторы T и были бы соединены по схеме Дарлингтона.

®

Установка смеш,е- йия

--- г,

Рис. 2.61.

Транзистор со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току. Составные транзисторы-транзистор Дарлингтона и ему подобные - не следует путать с транзисторами со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току, в которых очень большое значение коэффициента /lais получают в ходе технологического процесса изготовления элемента. Примером такого элемента служит транзистор типа 2N5963, для которого гарантируется минимальный коэффициент усиления по току, равный 900, при изменении коллекторного тока в диапазоне от 10 мкА до 10 мА; этот транзистор принадлежит к серии элементов 2N5961 - 2N5963, которая характеризуется диапазоном максимальных напряжений (/э от 30 до 60 В (если коллекторное напряжение должно быть больше, то следует пойти на уменьшение значения 3). Промышленность выпускает согласованные пары транзисторов со сверхбольшим значением коэффициента р. Их используют в усилителях с низким уровнем сигнала, для которых транзисторы должны иметь согласованные характеристики; этому вопросу посвящен разд. 2.17. Примерами подобных стандартных схем служат схемы типа LM114, LM394, МАТ-01 и СА3095; они представляют собой транзисторные пары с большим коэффициентом усиления, в которых напряжение

С/бэ согласовано до долей милливольта (в самых хороших схемах обеспечивается согласование до 50 мкВ), а коэффициент /121Э-до 1%.

Транзисторы со сверхбольшим значением коэффициента р можно объединять по схеме Дарлингтона. При этом базовый ток смещения можно сделать равным всего лишь 50 пкА (примерами таких схем служат операционные усилители типа LMUl и LM316).

2.16. Следящая связь

При задании напряжения смещения, например в эмиттерном повторителе, резисторы делителя в цепи базы выбирают так, чтобы делитель по отношению к базе выступал в качестве жесткого источника напряжения, т. е. чтобы сопротивление параллельно включенных резисторов

0,1 мкФ

Рис. 2.62.

гоком

0,1 мкФ

20к0м

Выход

1,0 кОм

10 ком

4,7 кОм

Выход

1,0 ком

Рис. 2.63.

было значительно меньше, чем входное сопротивление схемы ео стороны базы. В связи с этим входное сопротивление всей схемы определяется делителем напряжения - для сигнала, поступающего на ее вход, входное сопротивление оказывается гораздо меньше, чем это действительно необходимо. На рис. 2.62 показан соответствующий пример. Полное входное сопротивление схемы равно приблизительно 9 кОм, а сопротивление делителя напряжения для входного сигнала равно 10 кОм. Желательно, чтобы входное сопротивление всегда было большим, и уж во всяком случае неразумно нагружать источник входного сигнала схемы делителем, который в конечном счете нужен только для того, чтобы обеспечить смещение транзистора. Выйти из затруднения позволяет метод следящей связи (рис. 2.63). Смещение транзистора обеспечивают резисторы Ru R2, Ra Конденсатор Сз выбирают таким, чтобы его полное сопротивление на частотах сигнала было мало по сравнению с сопротивлением резисторов смещения. Как всегда смещение будет стабильным, если сопротивление его источника по постоянному току, приведенное к базе (в данном случае 9,7 кОм),

значительно меньше сопротивления по постоянному току со стороны базы (в данном случае 100 кОм). Но здесь входное сопротивление для частот сигнала не равно сопротивлению по постоянному току. Рассмотрим путь прохождения сигнала; входной сигнал U порождает сигнал на эмиттере нэл; вх> поэтому приращение тока, протекающего через резистор смещения з, составит (= {и^~ иэ)/Рз О, т. е. Z = = вх/вх) о°- Мь1 получили, что входное (шунтирующее) сопротивление схемы смещения очень велико для частот сигнала.

Другой подход к анализу схемы основан на том, что падение напряжения на резисторе R для всех частот сигнала одинаково (так как напряжение между его выводами изменяется одинаково), т. е. он представляет собой источник тока. Но сопротивление источника тока бесконечно. На самом деле фактическое значеьше сопротивления не бесконечно, так как коэффициент усиления повторителя немного меньше 1. Последнее вызывается тем, что падение напряжения между базой и эмиттером зависит от коллекторного тока, который изменяется при изменении уровня сигнала. Тот же результат можно получить, если рассмотреть делитель, образованный выходным сопротивлением со

стороны эмиттера [гэ=25 к(мА)Ом] и эмиттерным резистором. Если коэффициент усиления повторителя по напряжению обозначить Л (Л 1), то действующее значение сопротивления /?з на частотах сигнала равно Нз/{1-Л). На практике действующее значение сопротивления Rg больше его номинала приблизительно в 100 раз, и на входном сопротивлении преобладает входное сопротивление транзистора со стороны базы. В инвертирующем усилителе с общим эмиттером может быть выполнена аналогичная следящая связь, так как сигнал на эмиттере повторяет сигнал на базе. Обратите внимание, что схема делителя напряжения смещения запиты-вается по переменному току (на частотах сигнала) с низкоомного эмиттерного выхода, поэтому входному сигналу не приходится этим заниматься.

Следящая связь в коллекторной нагрузке. Принцип следящей связи можно использовать для увеличения действующего (эффективного) сопротивления коллекторного нагрузочного резистора, если каскад нагружен на повторитель. При этом существенно увеличится

Выход

---Г,

Рис. 2.64.

коэффициент усиления каскада по напряжению [напомним, что Ки ==-Ятк. 3 gm=l/(/?3+a)l- На рис. 2.64 показан пример двухтактного выходного каскада со следящей связью, построенной подобно рассмотренной выше схеме двухтактного повторителя. Так как выход повторяет сигнал на базе транзистора Та, конденсатор С создает следящую связь в коллекторную нагрузку транзистора Ti и поддерживает постоянное падение напряжения на резисторе R2 при наличии сигнала (импеданс конденсатора С должен быть малым по сравнению с Ri и R2 во всей полосе частот сигнала). Благодаря этому резистор Ri становится подобен источнику тока, увеличивается коэффициент усиления транзистора Ti по напряжению и поддерживается достаточное напряжение на базе даже при пиковых значениях сигнала. Когда сигнал становится близким к напряжению питания (/к;к> потенциал в точке соединения резисторов Ri и R становится больше, чем (/кк. благодаря заряду, накопленному конденсатором С. При этом если Ri = = ;?2 (неплохой вариант выбора резисторов), то потенциал в точке их соединения превысит (/к в 1,5 раза в тот момент, когда выходной сигнал станет равен (/к схема завоевала большую популярность при разработке бытовых усилителей низкой частоты, хотя простой источник тока обладает преимуществами перед схемой со следящей связью, так как отпадает необходимость в использовании нежелательного элемента - электролитического конденсатора - и обеспечиваются лучшие характеристики на низких частотах.

2.17. Дифференциальные усилители

Дифференциальный усилитель - это широко известная схема, используемая- для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов, а определяется только их разностью. Запомните несколько общепринятых терминов: когда уровни сигналов на обоих входах изменяются одновременно, то такое изменение входного сигнала называют синфазным; дифференциальный или разностный входной сигнал называют еще нормальным или полезным. Хоро-Ш[п 1 дифференциальный усилитель обладает высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС), который представляет собой отношение выходного полезного сигнала к выходному синфазному сигналу, при условии что полезный и синфазный входные сигналы имеют одинаковую амплитуду. Обычно КОСС определяют в децибелах. Диапазон изменения синфазного входного сигнала задает допустимые уровни напряжения, относительно которого должен изменяться входной сигнал.

Дифференциальные усилители используют в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне шумов. При.мерами таких сигналов являются цифровые сигналы, передаваемые по длинным

1> То же самое будет и при другом выборе соотношения R, и ?2; важно, чтобы С (Ril\ R2)>Uf,- Прим. ред.

кабелям (кабель обычно состоит из двух скрученных проводов), звуковые сигналы (в радиотехнике понятие балансный импеданс обычно связывают с дифференциальным импедансом 600 Ом), радиочастотные сигналы (двухжильный кабель является дифференциальным), напряжения электрокардиограмм, сигналы считывания информации из магнитной памяти и многие другие. Дифференциальный усилитель на приемном конце восстанавливает первоначальный сигнал, если синфаз-

, ные помехи не очень велики. Диф-

i ференциальные каскады широко

используют при построении опера-Выход ционных усилителей, которые мы рассматриваем ниже. Они играют

Рнс. 2.65. Классический транзисторный дифференциальный усилитель.

Вход 2 важную роль при разработке усн-лителей постоянного тока (которые усиливают частоты вплоть до постоянного тока, т. е. не используют для межкаскадной связи конденсаторы): их симметричная схема по сути своей приспособлена для компенсации температурного дрейфа.

На рис. 2.65 показана основная схема дифференциального усилителя. Выходное напряжение измеряется на одном из коллекторов относительно потенциала земли; такой усилитель называют схемой, с однополюсным выходом или разностным усилителем, и он распространен наиболее широко. Этот усилитель можно рассматривать как устройство, которое усиливает дифференциальный сигнал и преобразует его в несимметричный сигнал, с которым могут работать обычные схемы (повторители напряжения, источники тока и т. п.). Если же нужен дифференциальный сигнал, то его снимают между коллекторами.

Чему равен коэффициент усиления этой схемы? Его нетрудно подсчитать: допустим, на вход подается дифференциальный сигнал, при этом напряжение на входе / увеличивается на величину п„х (изменение напряжения для малого сигнала по отношению ко входу 2). До тех пор пока оба транзистора находятся в активном режиме, потенциал точки А фиксирован. Коэффициент усиления можно определить как и выше, если заметить, что входной сигнал оказывается дважды приложенным к переходу эмиттер - база любого транзистора; Кд ф= = ?к/2(/э-f/?э)- Сопротивление резистора Нэ обычно невелико (100 Ом и меньше), а иногда этот резистор вообще отсутствует. Дифференциальное напряжение обычно усиливается в несколько сотен раз.

Для того чтобы определить коэффициент усиления синфазного сигнала, на оба входа усилителя нужно подать одинаковые сигналы вх. Если вы внимательно рассмотрите этот случай (и вспомните, что через резистор протекают оба эмиттерных тока), то получите /(синф ~-?к/(21+?э). Мь1 пренебрегаем небольшим сопротивлением га,

так как резистор Ri обычно выбирают большим - его сопротивление составляет по крайней мере несколько тысяч ом. На самом деле сопротивлением 7?э тоже можно пренебречь. КОСС приблизительно равен Rj (rs+Ra)- Типичным примером дифференциального усилителя

Вход 1

-+15 В

ТбкОм Выход

Вход 2

1,0 ком

zoo МКА I

т

1,0 кОм

75 кОм

-15 В Рис. 2.66.

<cинф= к/( +э + э):

к0сс=/?1/(кэ+э)-

является схема, представленная на рис. 2.66. Рассмотрим, как она работает.

Сопротивление резистора 7?к. выбрано так, чтобы коллекторный ток покоя можно было взять равным 100 мкА. Как обычно, для получения максимального динамического диапазона потенциал коллектора установлен равным 0,5 (У^к- У транзистора Ti коллекторный резистор отсутствует, так как выходной сигнал снимается с коллектора другого транзистора. Сопротивление резистора Ri выбрано таким, что суммарный эмиттерный ток равен 200 мкА и поровну распределен между транзисторами, когда входной (дифференциальный) сигнал равен нулю. Коэффициент усиления дифференциального сигнала равен 30, а коэффициент усиления синфазного сигнала равен 0,5. Если исключить из схемы резисторы 1,0 кОм, то коэффициент усиления дифференциального сигнала станет равен 150, но при этом уменьшится входное (дифференциальное) сопротивление с 250 до 50 кОм (если необходимо, чтобы величина этого сопротивления имела порядок мегаом, то во входном каскаде можно использовать транзисторы Дарлингтона).

Напомним, что в несимметричном усилителе с заземленным эмиттером при выходно.м напряжении покоя 0,5 t/K максимальное усиление равно 20 (7[<;к, где t/K выражено в вольтах. В дифференциальном усилителе максимальное дифференциальное усиление (при 7?э=0) вдвое меньше, т. е. численно равно двадцатикратному падению напряжения на коллекторном резисторе при аналогичном выборе рабочей точки. Соответствующий максимальный КОСС (при условии, что R3=0) также численно в 20 раз превышает падение напряжения на Ri.

Упражнение 2.13. Убедитесь, что приведенные соотношения правильны. Разработайте дифференциальный усилитель по вашим собственным требованиям.

Дифференциальный усилитель можно образно назвать длиннохвостой парой , так как, если длина резистора на условном обозначении пропорциональна величине его сопротивления, схему можно изобразить в таком виде, как показано на рис. 2.67. Длинный хвост опреде-

ляет подавление синфазного сигнала, а небольшие сопротивления межэмиттерной связи (включающие собственные сопротивления эмиттеров) - усиление дифференциального сигнала.

Смещ ение с помощью источника тока. Усиление синфазного сигнала в дифференциальном усилителе можно значительно уменьшить, если резистор Ri заменить источником тока. При этом действующее значение сопротивления Ri станет очень большим, а усиление синфазного сигнала будет ослаблено почти до нуля. Представим себе, что на входе действует синфазный сигнал; источник тока в эмиттерной цепи поддерживает полный эмиттерный ток постоянным, и он (в силу симметрии схемы) равномерно распределяется между двумя коллекторными цепями. Следовательно, сигнал на выходе схемы не изменяется. Пример подобной схемы приведен на рис. 2.68. Для этой схемы, в которой использованы монолитная транзисторная пара типа LM 394 (транзисторы Ti и Тг) и источник ~

тока типа 2N5963, величина КОСС 1мА определяется отношением 100 000:1

(100 дБ). Диапазон входного синфазного сигнала ограничен значениями - 12 В и +7 В; нижний

Рис. 2.67,

+15 В

-0,6 в

13 ком -12,4 В 1

2,7 кОм

-13 В 1,0 КО и

предел определяется рабочим диапазоном источника тока в эмиттерной цепи, а верхний - коллекторным напряжением покоя.

Не забывайте о том, что в этом усилителе, как и во всех транзисторных усилителях, должны быть предусмотрены цепи смещения по постоянному току. Если, например, для межкаскадной связи на входе используется конденсатор, то должны быть включены заземленные базовые резисторы.

Применения дифференциальных схем в усилителях постоянного тока с однополюсным выходом. Дифференциальный усилитель может прекрасно работать как усилитель постоянного тока даже с несимметричными (односторонними) входными сигналами. Для этого нужно один из его входов заземлить, а на другой подать сигнал (рис. 2.69). Можно ли исключить неиспользуемый транзистор из

--15В

Рис. 2.68.