Степаненко И. Основы теории транзисторов и транзисторных схем (1977) (1086783), страница 96
Текст из файла (страница 96)
В самом деле, этн схемы характерны гальваническими, безреактнвны- мн связями, н следова- тельно, нулевой нижней граничной частотой. Поэтому весь спектр ннзкочастатных шумов транзисторов (см. $4-9) усиливается н беспрепятственно проходит на выход. Этн шумы нередко оказываются более существеннымн, чем- температурный дрейф. Отмеченные затруднения, связанные с температурным н временным дрейфом, а также с шумами, в значительной мере преодолеваются в усилителях постоянного тока с м од у л я ц н е й в х одного с н г н а л а.
Блок-схема такого усилителя показана на рнс. 13-6. Здесь сигнал постоянного тока сначала преобра- гх Вход Выход Вью т, зуется в пропорциональный ему сигнал переменного тока (с помошью модулятора М), потом усиливается усилителем п е р е м е н н о г о тока У, а затем снова преобразуется в сигнал постоянного тока (с помощью демодулятора-детектора Д~. Поскольку в усилителях п е р е и е н н о г о тока с емкостной (илн трансформаторной) связью дрейф рабочей точки не передается от каскада к каскаду, основной проблемой при данном методе усиления является только стабильность, «бездрейфовосгь» самого модулятора. Нижняя граничная частота усилителя У отлична ат нуля, а потому спектр низкочастотных шумов ограничен и их роль уменьшается. Усилители постоянного тока с промежуточной модуляцией (М) входного сигнала и последующей демодуляцией (ДМ) усиленного выходного сигнала называют Всияихпглями типа М-ДМ.
В отличие от них «обычные» усилители постоянного тока (со сквозными гальваническими связями) называют Вси- ~ йг лип«гляни прямого усплгн,ия. Вход Общий недостаток усилителей типа М-ДМ заключается в мазом значении ч) б) верхней граничной частоты (не более 0,1 — 0,2 час- Рис. 1З-У. МодглатоРы-пРеРыватолв. готы модуляции), а также а — нонтннтны»; б — тонно««торны».
в необходимости иметь специальный источник модулирующего напряжения (Г). Однако в интегральных микросхемах последний недостаток несуществен, так как площадь, занимаемая указанным источником на кристалле, составляет лишь малую долю всей плошади схемы. В качестве модуляторов могут нспользоватьси любые элементы, параметрамн которых (сопротивлением, емкостью или индуктивностью) можно управлять с помощью вспомогательного источника переменного тока. Контактные прерыватели типа поляризованного реле (рнс. 13-7, а) обеспечивают максимальную «глубину модуляции» (так как сопротивление цепи меняется от нуля до бесконечности).
Однако они имеют существенные недостатки: ограниченную рабочую частоту (обычно 50 — 100 Гц), недостаточную надежность (срок службы) и значительные помехи — наводки от катушки электромагнита (требуется громоздкая экранировка). Все трн отмеченных недостатка практически отсутствуют при использовании транзисторных прерывателей (рис. !3-7, б). В втой схеме происходят поочередное отпирание (до насыщения) и запирание транзисторов под действием модулируюшего напряжения, т.
е. они действуют как ключи в цепи модулируемого сигнала. Ключевой. режим транзисторов подробно рассматривается в гл. 15, а сами прерыватели — в В 15-3. Сейчас мы только отметим, что глубина модуляции в случае транзисторных прерывателей несколько меньше, чем в случае механических контактов, особенно при малом сигнале. Кроме того, транзисторным прерывателям свойсгвен больший временной и особенно температурный дрейф. Зато большгя рабочая частота транзисторных прерывателей (сотни и тысячи герц) позволяет делать достаточно высокой н и ж н к ю граничную частоту усилителя У и тем самым не пропускать основную часть спектра низкочастотных шумов транзистора.
Одновременно п о в ы ш а етс я верхняя граничная частота усилнваемых сигналов. В последнее время большое внимание уделяется прерывателям на МДП транзисторах [!00, 138). Такие прерыватели, как отмечалось в 9 5-5, характеризу1огся отсутствием остаточного напряжения в «замкнутом» состоянии и поэтому обеспечивают ббльшую глубину модуляции и меньшие значения модулируемого сигнала (см. 2 15-3). Помимо трвнзистарных прерыввтелей можно отметить такие полупроводниковые модуляторы, квк емкость р-л перехода [139, 140! и датчик Холла [141!.
Для работы последнего необходимо создавать магнитное поле. Что квсаетсн диодного ь~одуляторв, то ан основан нв наличии у р-и перехода нелинейной зависимости С„ Щ согласно (2-Щ. Правда, зта зависимость слаба и не дает возможности получить большую глубину модуляции. Однако следует учитывать наличие в настоящее время других типов полупроводниковых нелинейных емкостей, отличных от рп переходов и имеющих более крутую вальт-фврвдную характеристику П421.
Выходной демодулятор-детектор может быть а с и и х р о н н ы м и с и н х р о н н ы м. В первом случае это обычный двухполупериодный или мостовой выпрямитель с фильтром. Во втором случае это такой же прерыватель, как на входе, питаемый той же частотой. Синхронный детектор в отличие от асинхронного позволяет различать полярность входного сигнала постоянного тока (см.
рис. 13-6, б). Одной из главных проблем прн разработке М-ДМ усилителей является борьба с импульсами, проходящими от генератора Г (рис. 13-6, а) через паразитные емкости модулятора на вход усилителя У и далее, после усиления, на выход. Эти импульсы имеют вид коротких «пиков» чередующейся полярности, которые соответствуют положительному и отрицательному фронтам прямоугольных импульсов, вырабатываемых генератором. При неизбежном различии амплитуд «пиков» появляется разностная п о с т о я н н а я с о от а в л я ю щ а я, «маскирующая» полезный сигнал.
Наиболее эффективным способом борьбы с паразитными «пикамн» является использование в модуляторе приборов с минимальными паразит- ными емкостями. В последнее время в качестве таких приборов выступают МДП транзисторы с самогон»«ел[вялым затворози (с. 313). Гаааа яегннднадватаа ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ КАСКАД И-Ь ВВЕ)(ЕИИЕ Простейшая схема дифференциального каскада (ДК) показана иа рис. 14-1. Название «дифференциальный» объясняется тем, что выходное напряжение (между коллекторами) пропорционально равности входных потенциалов (на базах). Дифференциальные каскады известны л.
'д: давно, еще в эпоху ламповой техники, где их называли па- аыкад раллельно-баланснымн каскада- г, гг ми. Однако наибольшее рас- дк«а « °,, дкаэ г пространение они приобрели в д, »~(» конце 60-х годов в связи с „) »м эг развитием интегральных опера- Э ционных усилителей. Несмотря на то, что по своей структуре +Е« ДК явлшотся классическими ркс. Нл. »(нффераннналлнма каскад представителями у с и л и т е - постоянного тока. лей постоянного ток а, они благодаря ряду уникальных свойств используются в гораздо более широком аспекте, а в микроэлектронике стали одним из универсальных алел«ентов линейных интегральных схем.
Операционным усилителям и их основе — ДК посвящена обширная литература (см. Н39, !43) и библиографию в них), поэтому нижс даются лишь самые необходимые сведения. 14-2. ОБЩИЕ СВОЙСТВА Из рис. 14-1 видно, что ДК симмегрнчен. Именно симметрия позволяет существенно уменьшить величину приведенного дрейфа по сравнению с однотактным каскадом, Вторым важным преимуществом ДК является значительно более высокий коэффициент усиления. Рассмотрим подробнее эти две особенности.
Если параметры обоих плеч ДК полностью идентичны (включая их зависимость от температуры и времени), то, очевидно, выходной дрейф будет строго равен нулю. В реальных схемах полная идентичность, разумеется, исключена и имеется некоторый «разностный» дрейф. Теоретически этот дрейф рассчитать невозможно, но известны пути его уменьшения или, что то же самое, пути искусственного симметрирования ДК.
Действительно, условием отсутствия дрейфа является равенство б» »1с',а = б»„агс„а. Подставляя сюда б», Вб»г согласно (13-4) Нужна иметь в виду, что иомнмо условия пулевого дрейфа должно выполняться условие нулевого выходного напряжения в отсутствие сигнала: 1ндяяо —— = 1нзИнв. Вообще говоря, последнее равен«ив не коррелирует с (14-1), т.
е. в схеме ДК необходима еще одна «степень свободьп (еще одна регулировка). Обычно потеициометр (г используется для регулировки нуля напрнження, а для регулировки симметрии используются дополнительные цепи, ва которых мы пе останавливаемся з. Симметрия ДК существен о улучшаегся, а диапазон входных сигналов увеличивается, если между змиттерами включить небольшое сопротивление — «связку» (рис.
14-2). Наличие такой «связки» 1144) рав- Р, насильно искусственному увеличению сопротивлений г, на величину гсв; если Ав ~' г„ то сопротивления а) змиттеров делакпся линейцин дифф ными и стабильными, а по переменному таку. возможное различИе в знасвязкой: и — с пврвл- ченнях гвд и гвз сглажнсвязной. вается. Увеличение диапазона входных сигналов объясняется тем, что напряжение на з к в и в а л е н т я о м змиттерном переходе (включающем резистор )тз) больше, чем на истинном переходе, на величину 1,!!в. Г!озтому, если бсз «связки» (см. 2 10-3) диапазон входных сигналов не превышает 2(),а, то при нали- Рис. 14-2.