1.4. Измерительные усилители с согласованными транзисторами

Применение согласованных пар транзисторов позволяет разработчику дополнить входной каскад ОУ специально спроектированной схемой. В схеме с согласованными биполярными транзисторами, приведенной на рис. 1.14, используется обратная связь по току, она применяется в случаях, когда требуются очень низкий уровень шума, малый дрейф или минимальный потребляемый ток. Схема содержит входной дифференциальный каскад на транзисторах питающийся от согласованных генераторов токов на транзисторах . Транзисторы с резисторами и диодами образуют генераторы стабильных токов (ГСТ), при этом в каждом плече входного каскада протекают равные токи Дифференциальное входное напряжение — оказывается приложенным к резистору входные транзисторы играют в этом случае роль эмиттерных повторителей. Протекающий через резистор ток вызывает разбаланс токов в плечах входного каскада. Этот разбаланс токов создает дифференциальное напряжение на входах усилителя из-за различного падения напряжения на равных резисторах Усилитель стремится скомпенсировать этот разбаланс, подавая ток во входной каскад через резисторы формируя при этом выходное напряжение

Дифференциальный коэффициент усиления:

Коэффициент усиления синфазного сигнала:

— из-за рассогласования резисторов

— из-за рассогласования резисторов

Рис. 1.14. Измерительный усилитель с согласованными транзисторами.

— из-за рассогласования дифференциальных сопротивлений эмиттеров входных транзисторов:

— из-за конечного значения КОСС ОУ

Общий коэффициент ослабления синфазного сигнала:

Дифференциальное входное сопротивление:

где — коэффициент усиления по току транзисторов Входное сопротивление для синфазного сигнала:

Составляющие входного напряжения смещения:

— из-за неполного согласования напряжений база-эмиттер транзисторов

— из-за неполного согласования напряжений база-эмиттер транзисторов

— из-за рассогласования на резисторов

— из-за рассогласования на резисторов

— из-за входного напряжения смещения ОУ

— из-за разности входных токов смещения ОУ

Общее входное напряжение смещения равно:

Для кремниевых транзисторов и диодов токи ГСТ на транзисторах равны:

При выборе элементов и их значений необходимо учитывать следующие моменты.

— Диапазон входного напряжения измерительного усилителя ограни чивается для положительных сигналов максимальным входным напряжением ОУ, а для отрицательных сигналов — условиями нормальной работы ГСТ.

— Напряжения на входах ОУ должны находиться в рабочем диапазоне входных напряжений этого ОУ. Следует выбирать ОУ, для которого допустимое входное напряжение близко к положительному напряжению питания.

— При подаче синфазного напряжения резисторы отбирают часть эмитгерных токов Следовательно, сопротивления должны быть достаточно большими, чтобы протекающий через них ток был незначительным по сравнению с начальными эмитгерными токами транзисторов Как правило, сопротивления этих резисторов должны быть минимум в 10 раз больше, чем резисторов и

Предположим, например, что в качестве применяется широко распространенный ОУ с малым дрейфом (отечественный аналог — — прим. ред.), а в качестве транзисторов выбраны сверхсогласованные транзисторные пары LM194 (непосредственных аналогов нет, у транзисторных пар 159НТ1 параметры значительно хуже — прим. ред.); напряжение питания составляет ± 15 В.

Из справочника находим, что гарантированный диапазон входного напряжения микросхемы составляет ± 13 В, поэтому падение напряжения на резисторах должно быть не менее (15 В - 13 В) = 2 В; Выберем величину падения напряжения на этих резисторах равной 4 В. Приемлемые коллекторные токи транзисторов — около 100 мкА, зададим токи ГСТ на равными 100 мкА, отсюда можно вычислить значения резисторов Сопротивления резисторов определяются из соотношения мкА кОм, можно принять их равными 47 кОм. Сопротивление резистора должно быть минимум в 10 раз больше (т.е. около 400 кОм); отсюда выбираем сопротивления резисторов равными 1 МОм; при этом для синфазного входного напряжения 10 В ток через эти резисторы составит 10 мкА. Из выражения для коэффициента усиления определяем необходимое сопротивление резистора

Недостаточное значение КОСС возникает из-за неточности подбора резисторов рассогласования дифференциальных сопротивлений эмиттеров транзисторов и конечного значения КОСС операционного усилителя Введя подстроенный резистор, включенный последовательно с или можно значительно повысить КОСС.

Имеется несколько причин, вызывающих выходное смещение: рассогласование транзисторов или неточность подбора резисторов и входное смещение усилителя Дрейф смещения уменьшают за счет повышения коэффициента усиления входного каскада на согласованных транзисторах, выбирая величину резистора значительно меньшей, чем резисторов При этом уменьшается вклад в смещение остальных элементов схемы, кроме транзисторов Смещение можно скомпенсировать, включив подстроечный резистор небольшого номинала между резисторами или Но такой способ увеличивает дрейф, так как согласованные транзисторы будут работать с разными эмитгерными токами.

Не забывайте о необходимости обеспечить отвод базовых токов транзисторов так как иначе усилитель насыщается. Защитить входы от повреждения большим сигналом можно, включая последовательно с базами транзисторов небольшие ограничивающие резисторы. Однако ограничивающие резисторы генерируют шум, который добавляется к входному шуму, и могут увеличить напряжение смещения из-за протекания базовых токов транзисторов Уменьшения входного шума добиваются за счет повышения коэффициента усиления первого каскада, для чего резистор делается намного меньше резисторов Увеличение усиления снижает вклад шумов всех элементов схемы кроме транзисторов Для получения минимального шума можно отобрать согласованные транзисторы с учетом конкретных сопротивлений источников и частотного диапазона входного сигнала, и задать оптимальные для них значения эмиттерных токов.

В рассматриваемой схеме ОУ имеет сложную петлю обратной связи, содержащую два транзистора которые в цепи обратной связи работают в режиме общей базы, так как входы усилителя (базы транзисторов) по переменному току оказываются заземленными через источники сигналов. При использовании полностью скорректированного низко- и среднечастотного ОУ проблема устойчивости обычно не возникает, поскольку коэффициент передачи петли обратной связи (т.е. транзисторов в режиме общей базы) меньше 1 (при ). В случае быстродействующих ОУ или при больших сопротивлениях резисторов может возникнуть проблема устойчивости из-за наличия распределенных и паразитных емкостей.

Для повышения линейности усилителя и его КОСС можно ввести ОУ в каждое плечо входного каскада до усилителя как показано на рис. 1.15. Эта схема аналогична стандартной схеме на трех ОУ, дополненной входным каскадом на согласованных транзисторах. Такая схема широко применяется в промышленных микросхемах высококачественных измерительных усилителей. По сравнению со схемой, приведенной на рис. 1.14, она имеет три преимущества.

— Напряжение резистор усилители задают постоянные эмитгерные токи транзисторов во всем диапазоне входных напряжений. Это позволяет транзисторам работать при оптимальном значении эмиттерного тока с низким шумом или малым дрейфом во всем рабочем диапазоне входных напряжений.

— Уменьшается нелинейность схемы, так как собственный коэффициент усиления входного каскада, благодаря ОУ значительно увеличивается.

— Синфазные напряжения больше не прикладываются к резисторам поэтому точного согласования значений резисторов не требуется. Следовательно, КОСС значительно возрастает.

Рис. 1.15. Повышение линейности усилителя и его КОСС.

При работе с высокоомными источниками сигналов согласованные полевые транзисторы превосходят биполярные. Входной каскад на полевых транзисторах имеет высокий входной импеданс, малый входной ток и очень малые шумовые токи. Однако полевые транзисторы имеют большие входные напряжения смещения, дрейфы напряжения смещения и эквивалентные входные напряжения шумов. Поэтому при работе с низкоомными источниками сигналов (менее 10 кОм) лучше применять биполярные транзисторы. Приведенная на рис. 1.16 схема аналогична схеме на рис. 1.15, но в ней использован входной каскад на полевых транзисторах; ее характеристики можно улучшить рассмотренными выше способами. Отметим применение в данном случае каскодной дифференциальной схемы, что обеспечивает работу входных транзисторов при постоянном напряжении сток-исток. Такое включение улучшает частотную характеристику и уменьшает входные токи. В качестве согласованных пар полевых транзисторов можно применять серии и др. (аналоги - 2ПС104, КПС315 с каналом -типа или с каналом -типа — прим. ред.).

Рис. 1.16. Измерительный усилитель с согласованными полевыми транзисторами.