§ 5.4. Усилители постоянного тока с преобразованием сигнала

В рассмотренных усилителях постоянного тока практически невозможно добиться отсутствия дрейфа. Это объясняется неодинаковой реакцией элементов схемы на изменение температуры. Поэтому для усиления малых сигналов постоянного тока применяют усилители постоянного тока, постоянный входной сигнал которых преобразуется в пропорциональный ему переменный, усиливается с помощью усилителя переменного тока, а затем снова преобразуется в сигнал постоянного тока.

При этом дрейф будет меньше, чем в усилителях с непосредственной связью, так как в данном случае дрейф не передается от каскада к каскаду. Структурная схема усилителя с преобразованием и временные диаграммы ее работы приведены на рис. .

Преобразование постоянного сигнала в переменный осуществляется с помощью модулятора М. Простейший модулятор представляет собой трансформатор, концы входной обмотки которого попеременно подключаются к источнику входного сигнала с помощью ключевых элементов

Ключи управляются сигналом «мод от генератора модулирующего напряжения ГМН и могут быть механическими (например, на основе поляризованного реле или вибратора), транзисторными и диодными. Частота колебаний модулирующего источника должна в 10—20 раз превышать верхнюю частоту спектра преобразуемого сигнала, иначе на выходе усилителя форма сигнала окажется искаженной. В результате на выходной обмотке трансформатора будем иметь переменный сигнал с периодически изменяющейся полярностью (см. рис. 4.16, г) и огибающей, соответствующей закону изменения входного напряжения. При изменении знака входного напряжения фаза переменного напряжения на выходе модулятора мм изменяется на противоположную. Благодаря трансформаторной связи постоянная составляющая выходного напряжения модулятора отсутствует.

В схеме транзисторного модулятора (рис. 5.17) модулирующий сигнал создает на базах транзисторов противофазные напряжения и , обеспечивающие противоположные состояния транзисторов.

Полярность противофазных напряжений изменяется с каждым полупериодом . Пусть в течение полупериода на базу транзистора VT, поступает положительное напряжение. Тогда транзистор будет закрыт (входная цепь разомкнута). Одновременно на базу транзистора поступает отрицательное напряжение. При этом транзистор открыт и находится в режиме насыщения. Насыщенный транзистор имеет очень малое внутреннее сопротивление и представляет собой цепь, замкнутую накоротко. В другой полупериод напряжения и изменяют полярность, транзистор VT, открывается и входит в режим насыщения, закрывается. Временная диаграмма выходного напряжения транзисторного модулятора не отличаются от временной диаграммы работы электромеханического модулятора (см. рис. 5.16). Транзисторные модуляторы имеют большой срок службы и высокую частоту переключения Гц. Однако обратный ток скрытого транзистора и остаточное напряжение открытого транзистора вызывают дрейф уровней переменного сигнала на выходе модулятора и всего усилителя. Для уменьшения остаточного напряжения в схеме модулятора (рис. 5.17) транзисторы управляются по коллекторному переходу, т. е. управляющие напряжения и приложены не к эмиттерному, как в обычной схеме ОЭ, а к коллекторному переходу.

Уменьшить остаточное напряжение можно, применив так называемые компенсированные ключи, пред. ставляющие собой последовательное встречное включение двух транзисторов, которые открываются и закрываются одновременно под действием управляющего напряжения . При открытом состоянии транзисторов их остаточные напряжения компенсируют друг друга. Компенсированные ключи выполняются в виде интегральной микросхемы, что исключает разброс остаточных напряжений отдельных транзисторов. Модулятор, выполненный на основе компенсированного ключа типа (выделен штриховыми линиями) с нагрузкой в виде усилителя переменного тока, представлен на рис. 5.18, а, а временные диаграммы его работы — на рис. 5.18, б, в, г, д.

При отрицательной полярности моделирующего напряжения (плюс в точке а) микросхема закрыта и входной сигнал без искажения поступает на вход усилителя переменного тока, при положительной полярности «мод транзисторы микросхемы находятся в насыщении, их остаточные напряжения компенсируют друг друга, напряжение на выходе модулятора близко к нулю. Таким образом, на выходе модулятора получим последовательность однополярных импульсов с огибающей, соответствующей закону изменения входного напряжения. При изменении знака (рис.

5.18, в) выходные импульсы также изменяют свою полярность.

В качестве усилителя переменного тока, являющегося нагрузкой модулятора (см. рис. 5.18, а), обычно используется интегральный операционный усилитель (см. гл. 6), на выходе и входе которого включены разделительные конденсаторы большой емкости. Поэтому постоянная составляющая и дрейф на выходе усилителя отсутствуют (рис. 5.18, 5).

Усилитель переменного тока не пропускает также низкочастотных шумов, которые в некоторых случаях оказывают более сильное влияние на полезный сигнал, чем температурный дрейф.

Демодулятор ДМ осуществляет обратное преобразование переменного сигнала в постоянный. Простейший демодулятор представляет собой транзисторный ключ (прерыватель тока), отпирание и запирание которого определяются сигналом генератора модулирующего напряжения, и сглаживающий фильтр (см. гл. 8, § 8.3). Принципиальная схема и временные диаграммы работы такого модулятора представлены на рис. .

При отрицательной полярности модулирующего напряжения на базе транзистора ключ закрыт и напряжение с выхода усиливателя проходит на вход сглаживающего фильтра. При положительной полярности «мод ключ открыт и шунтирует выходное напряжение усилителя. Таким образом, на вход сглаживающего фильтра поступает выпрямленное напряжение, полярность которого зависит от фазы выходного напряжения усилителя переменного тока.

Сглаживающий фильтр пропускает сигналы низкой и шунтирует сигналы высокой частоты, поэтому на выходе его получим напряжение, соответствующее закону изменения огибающей выпрямленного напряжения на входе фильтра.

Рис. 5.18.

Рис. 5.19.

С развитием микроэлектронной технологии все большее распространение получают интегральные усилители МДМ, выполненные на одном кристалле. Примером такого усилителя МДМ является микросхема типа на МДП-транзисторах с индуцированным -каналом. Микросхема включает в себя модулятор, демодулятор, усилитель переменного тока и внутренний генератор прямоугольных импульсов. Разделительный конденсатор на выходе усилителя переменного тока и элементы сглаживающего фильтра являются навесными компонентами, подключаемыми к соответствующим точкам микросхемы.

Общим недостатком усилителей с преобразованием сигнала усилителями типа МДМ является узкая полоса пропускания, так как модулирующая частота «мод должна быть в десять раз выще наибольшей частоты усиливаемого входного сигнала.

При проектировании усилителей постоянного тока с минимальным уровнем дрейфа и широкой полосой пропускания используют так называемые комбинированные схемы, состоящие из дифференциального усилителя (ДУ) с широкой полосой пропускания и усилителя типа МДМ (рис. 5.20).

Рис. 5.20.

В схеме (рис. 5.20) медленно изменяющийся входной сигнал усиливается дифференциальным усилителем как по инвертирующему 1, так и по неинвертирующему входу 2.

Считая, что усилитель МДМ изменяет фазу входного сигнала на противоположную, напряжение на выходе дифференциального усилителя определяется суммой усиленных напряжений по инвертирующему и неинвертирующему входам

где — коэффициент усиления усилителя типа МДМ; — коэффициент усиления дифференциального усилителя; — напряжение дрейфа, приведенное к одному из входов дифференциального усилителя, в данном случае к входу 2.

Преобразуем формулу (5.41)

Из формулы (5.42) следует, что дрейф в комбинированном усилителе по сравнению с обычным дифференциальным усилителем уменьшается в Раз, если считать усилитель МДМ бездрейфовым. Действительно, дрейф и полезный сигнал усиливаются дифференциальным усилителем в одинаковое число раз, а в комбинированном усилителе усиление полезного сигнала согласно формуле (5.42) в раз больше, чем усиление сигнала дрейфа.

Высокочастотная составляющая входного сигнала не подавляется в комбинированной схеме усилителя, а усиливается по инвертирующему входу 1 в раз дифференциальным усилителем, имеющим широкую полосу пропускания. В качестве дифференциального усилителя обычно используют операционный усилитель, свойства которого рассмотрены в гл. 6.