2.1.2 Дрейф нуля

Дрейф нуля УПТ – это процесс изменения выходного напряжения U_ВЫХ или тока в нагрузке I_H при отсутствии или неизменном уровне входного сигнала U_ВХ (рис.2). Другими словами: дрейф нуля заключается в том, что с течением времени могут изменяться токи транзисторов и напряжение на их электродах. Дрейф нуля оценивают или напряжение дрейфа U_ДР, или относительным током дрейфа D I_ДР в нагрузке.

рис.1 Частотная характеристика УПТ

а) б)

рис.2 К пояснению дрейфа нуля УПТ

а) схема измерения дрейфа нуля.

б) график изменения тока в нагрузке при отсутствии напряжения на входе УПТ

Напряжение дрейфа – это изменение выходного напряжения за единицу времени при неизменной, либо равной нулю (закороченный вход), величине усиливаемого сигнала.

при U_ВХ = 0,

где U_{ДР MAX} и U_{ДР MIN} - входные напряжения соответственно в момент времени t₁ и t₂ (рис.2); K_U – коэффициент усиления УПТ по напряжению.

Относительный ток дрейфа оценивают по типовым зависимостям обратного тока коллекторного перехода от температуры окружающей среды, приводимых в справочниках.

I_КБО = I_КБО (Т⁰₂) - I_КБО(T⁰₁), (1)

где T⁰₂, T⁰₁ – конечный и начальный диапазоны температур. Дрейф нуля УПТ поясняется рисунком 2. Причинами дрейфа нуля являются : изменение из-за старения характеристик и параметров транзисторов, нестабильность напряжения источников питания, изменение температуры окружающей среды.

Меры борьбы с дрейфом нуля:

1. Стабилизация напряжения источников питания, стабилизация температурного режима и тренировка транзисторов.

2. Использование дифференциальных балансных схем УПТ.

3. Преобразование усиливаемого напряжения.

2.1.3 Принцип работы и назначение элементов упт

Принцип работы УПТ рассмотрим на примере схемы параллельного баланса (рис.3). Такие схемы чаще применяются в первых каскадах усиления, где существует наибольшая опасность дрейфа, построены они по принципу четырехплечного моста (рис.4). Мост имеет четыре плеча с сопротивлениями R₁, R₂, R₃, R₄ и две диагонали: в одну диагональ включен источник E_K, в другую – нагрузка R_Н.

Условие равновесия (сбалансирования) моста:

R₁ R₃ = R₂ R₄ или R₁/ R₂ = R₄/ R₃ (2)

Это условие означает, что даже при изменении E_K или R_Н, или при пропорциональном изменении сопротивлений плеч баланс не нарушается, и ток в нагрузочном резисторе R_Н будет равен нулю. Если сопротивление плеч R₁ и R₄ (рис.4) – электрическим цепями А и В с транзисторами VT1 и VT2 (рис.3), а элементы E_K и R_Н оставить без изменения, то получим схему УПТ параллельного баланса, в которой должно выполняться условие (2) равновесия моста. Однако дрейф нуля, обусловленный уже указанными причинами и в первую очередь изменением характеристик и параметров транзисторов, в полученной балансной схеме УПТ уменьшается за счет встречного направления тока дрейфа двух усилительных каскадов, работающих на общую нагрузку R_Н. Изменение тока в нагрузке, вызванное дрейфом транзистора VT1

и дрейфом транзистора VT2

,

где I_K1, I_K2 – изменение токов в цепях коллекторов транзисторов, определяется их встречным направлением.

рис.3 Схема УПТ параллельного баланса

рис.4 Схема четырехплечного моста без дрейфа нуля

Для симметричной схемы, что имеет место в схем (рис.3), когда

R_K1= R_K2= R_K,

(3)

R'₂ >R_K1 и R''₂ > R_K2 ,

полное изменение тока в нагрузке за счет дрейфа

, (4)

Из (4) видно, что полное изменение тока в нагрузке будет определяться разностью токов транзисторов, а она значительно меньше, чем в схеме УПТ прямого усиления. Поскольку с изменением температуры токи идентичных транзисторов VT1 и VT2 изменяются одинаково, то получится идеальная компенсация дрейфа, что должно бы быть справедливо для симметричной схемы. Однако на практике реализация балансных УПТ н дискретных транзисторах все же приводит к некоторой асимметрии схемы, поэтому напряжение дрейфа на выходе каскада УПТ полностью не исчезает. Для обеспечения дополнительной симметрии схемы вводят сопротивление R₀, которое обуславливает постоянство потенциалов эмиттеров при отклонении токов транзисторов.

Назначение элементов и электрические величины в схеме:

U_BX - напряжение входного усиливаемого сигнала;

U_BЫX - напряжение выходного усиленного сигнала (напряжение на нагрузке);

Е_К - источник питания транзисторов, за счет расхода энергии которого происходит усиление сигнала по мощности;

VT1,VT2 - биполярные транзисторы n-p-n структуры, выполняющие функции усилительных элементов, с помощью которых осуществляется процесс усиления, то есть усиление сигнала за счет энергии источника Е_К по закону изменения входного сигнала U_BX;

R _K1= R _K2= R _K - резисторы в цепи коллектора. Обеспечивающие расчетный режим работы транзисторов по коллекторным токам и напряжениям;

R₁=R'₁=R''₁ - резисторы в цепях база-эмиттер (резисторы обратной связи), обеспечивающие напряжение смещения на базах транзисторов для установления на характеристиках координаты рабочей точки (точки покоя) по напряжению;

R₂= R'₂=R''₂ - резисторы в цепях база-коллектор транзисторов (резисторы обратной связи), обеспечивающие токи смещения через базы транзисторов для установления на характеристиках координаты точек покоя по току;

R₁, R₂ - резисторы делителя напряжения;

R_Э=R'_Э=R''_Э - резисторы в цепи эмиттера, обеспечивают стабилизацию точки покоя;

R₀ - резистор в эмиттерных цепях транзисторов, обеспечивает дополнительную симметрию схемы за счет постоянства потенциалов эмиттеров при отклонении токов транзисторов;

R_H - сопротивление нагрузки, подключаемое на выходе УПТ.