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.

Рис. 1.14. Измерительный усилитель с согласованными транзисторами.

Схема содержит входной дифференциальный каскад на транзисторах VT1и VT2, питающийся от согласованных генераторов токов на транзисторах VT3и VT4. Транзисторы VТ3и VT4с резисторами R41, R42, R5и диодами VD1и VD2образуют генераторы стабильных токов (ГСТ), при этом в каждом плече входного каскада протекают равные токи I. Дифференциальное входное напряжение (U_ВХ2 - U_ВХ1) оказывается приложенным к резистору R3, входные транзисторы VT\ и VT2 играют в этом случае роль эмиттерных повторителей. Протекающий через резистор R3 ток вызывает разбаланс токов в плечах входного каскада. Этот разбаланс токов создает дифференциальное на­пряжение на входах усилителя A₁из-за различного падения напряжения на равных резисторах R₁₁ и R₁₂. Усилитель A₁стремится скомпенсировать этот разбаланс, подавая ток Iос во входной каскад через резисторы R21, R22 и R3, формируя при этом выходное напряжение U_ВЫХ.

Дифферециальный коэффициент усиления:

K_u=1+(2R₂/R₃)

Коэффициент усиления синфазного сигнала:

- из-за рассогласования Δ R₂резисторов R21 и R22.

- из-за рассогласования Δ R₁резисторов R11иR12.

- из-за рассогласования Δ r_e дифференциальных сопротивлений эмиттеров входных транзисторов:

- из-за конечного значения КОСС ОУ А1:

Общий коэффициент ослабления синфазного сигнала:

Дифференциальное входное сопротивление:

где β - коэффициент усиления по току транзисторов VT₁и VT₂.

Входное сопротивление для синфазного сигнала:

Составляющие входного напряжения смещения:

-из-за неполного согласования Δ U_ВЕ12 напряжений база-эмиттер транзисторов VT1и VT2:

-из-за неполного согласования Δ U_ВЕ34 напряжений база-эмиттер транзисторов VT3, и VT4:

- из-за рассогласования на Δ R₄ резисторов R₄₁и R₄₂.:

- из-за рассогласования на Δ R₁ резисторов R₁₁ и R₁₂.:

-из-за входного напряжения смещения I_{см.вх.А1} ОУ А1:

- из-за разности входных токов смещения Δ I_{см.вх.А1} ОУ А1:

Общее входное напряжение смещения равно:

Для кремниевых транзисторов и диодов токи ГСТ на транзисторах VT₃, VT₄ равны:

При выборе элементов и их значений необходимо учитывать следую­щие моменты.

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

- Напряжения на входах ОУ A₁должны 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 R21 и R22 отбирают часть эмиттерных токов VT1 и VT2.Следовательно, сопротивле­ния R21и R22 должны быть достаточно большими, чтобы проте­кающий через них ток был незначительным по сравнению с начальными эмиттерными токами транзисторов VT1и VT2. Как правило, сопротивления этих резисторов должны быть минимум в 10 раз больше, чем резисторов и R12.

Предположим, например, что в качестве A1применяется широко распространенный ОУ с малым дрейфом ОР07 (отечественный аналог - 140УД17 ), а в качестве транзисторов VT1, VT2, VT3, и VT4 выбраны сверхсогласованные транзисторные пары LM194 (непосредственных аналогов нет), напряжение питания составляет ± 15 В.

Из справочника находим, что гарантированный диапазон входного напряжения микросхемы ОР07 составляет ± 13 В, поэтому падение напряжения на резисторах R11и R12должно быть не менее (15 В — 13 В) = 2 В. Выберем величину падения напряжения на этих резисторах равной 4 В. Приемлемые коллекторные токи транзисторов VT₁и VT₂- около 100 мкА, зададим токи ГСТ на VT₃ ,, VT₄равными 100 мкА, отсюда можно вычислить значения резисторов R41и R42. Сопротивления резисторов R11 и R12определяются из соотношения 4 В/100 мкА = 40 кОм, можно принять их равными 47 кОм. Сопротивление резистора R₂должно быть минимум в 10 раз больше R11(т.е. около 400 кОм); отсюда выбираем сопротивления резисторов R21и R22равными 1МОм; при этом для синфазного входного напряжения 10В ток через эти резисторы составит 10 мкА. Из выражения для коэффициента усиления определяем необходимое сопротивление резистора R3.

Недостаточное значение КОСС возникает из-за неточности подбора резисторов R11 и R12, R21 и R22, рассогласования дифференциальных сопротивлений эмиттеров транзисторов и конечного значения КОСС операционного усилителя A1. Введя подстроечный резистор, включенный последовательно с R21 или R22, можно значительно повысить КОСС.

Имеется несколько причин, вызывающих выходное смещение: рассогласование транзисторов VT1 и VT2, или VT3 и VT4, неточность подбора резисторов R41 и R42 и входное смещение усилителя A1. Дрейф смещения уменьшают за счет повышения коэффициента усиления входного каскада на согласованных транзисторах, выбирая величину резистора R3 значительно меньшей, чем резисторов R1 и R4. При этом уменьшается вклад в смещение остальных элементов схемы, кроме транзисторов VT1 и VT2. Смещение можно скомпенсировать, включив подстроечный резистор небольшого номинала между резисторами R11 и R12 или R41 и R42. Но такой способ увеличивает дрейф, так как согласованные транзисторы VT1 и VT2 будут работать с разными эмиттерными токами.

Не забывайте о необходимости обеспечить отвод базовых токов транзисторов VT1 и VT2, 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 VT1и VT2. Уменьшения входного шума добиваются за счет повышения коэффициента усиления первого каскада, для чего резистор R3 делается намного меньше резисторов R1 и R4. Увеличение усиления снижает вклад шумов всех элементов схемы кроме транзисторов VT1и VT2. Для получения минимального шума можно отобрать согласованные транзисторы VT1 и VT2 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 VT1 и VT2, 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 R22 > R12). В случае быстродействующих ОУ или при больших сопротивлениях резисторов R11, R12, R21, R22 и R3 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 А1, 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 Uоп, резистор R1, усилители A1 и А2задают постоянные эмитгерные токи транзисторов VT1 и VT2 во всем диапазоне входных напряжений. Это позволяет транзисторам VT1 и VT2 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 A1 и А2, значительно увеличивается.

- Синфазные напряжения больше не прикладываются к резисторам R21 и R22, поэтому точного согласования значений резисторов не требуется. Следовательно, КОСС значительно возрастает.

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 10кОм) 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 VT₁ и VT₂ при постоянном напряжении сток-исток. Такое включение улучшает частотную характеристику и уменьшает входные токи. В качестве согласованных пар полевых транзисторов можно применять серии U401-6, 2N6905-7, 2N5186-9 и др. (аналоги — 2ПС104, КПС315 с каналом n-типа или 504НТ1—504НТ4 с каналом p-типа)