Влияние построения схемы на параметры

От схемотехники усилителя также зависят его шумовые параметры. Учитывая, что даже самые хорошие элементы, используемые в схеме, все же шумят, можно прийти к естественному выводу, что их количество должно быть минимальным. Это обеспечивают схемы на рисунках 1 - 4. В них транзисторы включены с общим эмиттером и непосредственными связями между каскадами, за счет чего уменьшается число разделительных конденсаторов. Усилители так же охвачены общей отрицательной обратной связью по постоянному току, что стабилизирует режим работы при изменении внешних воздействующих факторов: напряжения питания и окружающей температуры.



Рисунок 1 - Наиболее распространенная схема


Рисунок 2 - Усилитель с глубокой отрицательной обратной связью

Большинство схем имеют еще и общую отрицательную обратную связь и по переменному току, что делает работу усилителя более устойчивой к возбуждению. Меняя величину этой связи, можно регулировать коэффициент усиления.


Рисунок 3 - Усилитель на транзисторах разной проводимости


Рисунок 4 - Схема усилителя с полевым транзистором на входе

Для снижения собственных шумов в некоторых случаях во входном каскаде применяют параллельное включение двух и более транзисторов. Они также включаются по схеме с общим эмиттером, и при числе транзисторов N - значение тока в нагрузке увеличивается в N раз, а среднеквадратичное значение шумового тока увеличивается только в раз (по сравнению с каскадом на одном транзисторе). Но в этом случае уменьшается и входное сопротивление усилителя в N раз.

Транзисторы при параллельном включении нужно подобрать идентичными по параметрам. Поэтому на практике больше двух на входе используют довольно редко. Пример такой схемы показан на рисунок 5.


Рисунок 5 - Параллельное включение транзисторов во входном каскаде


Рисунок 6 - Схема малошумящего усилителя с входным каскадом на полевых транзисторах

Установленные в эмиттерных цепях резисторы R3 и R5 обеспечивают отрицательную обратную связь, которая предназначена для выравнивания характеристик транзисторов. Для получения большого входного сопротивления может быть использована схема (рисунок 6) с тремя параллельно включенными полевыми транзисторами, предложенная Леонтьевым Г. Е. и рядом других авторов. За счет глубокой ООС через резисторы R3-R6 такой усилитель имеет нестабильность коэффициента усиления Кус=0,065%/°С. При изменении питающего напряжения от 6 до 18 В нестабильность усиления Кус<0,5%/В.

Благодаря тому что транзисторы первого каскада были подобраны с минимальным коэффициентом шума, схема обеспечивает следующие параметры:
1) полоса усиления по уровню 0,7 0,3 Гц...1,5 МГц;
2) коэффициент усиления 100;
3) шумовое сопротивление усилителя
на частотах более 1 кГц 280 Ом;
4) скорость нарастания выходного напряжения 20 В/мкс;
5) потребляемый ток при питании 9 В 4,3 мА;
6) диапазон рабочих температур +10...60°С.

Эта схема является модификацией более простого варианта, показанного на рисунке 4.

При однополярном питании схемы обычно необходимо устанавливать разделительный конденсатор между источником сигнала и входным каскадом усилителя. Для передачи низких частот этот конденсатор бывает довольно большой емкости и является источником дополнительных фликкер-шумов. Переход к двухполярному питанию схемы позволяет отказаться от разделительного конденсатора на входе, а также снизить влияние нестабильности питающего напряжения на работу усилителя.


Рисунок 7 - Малошумящий усилитель с двухполярным питанием

И если при изготовлении всего нескольких образцов можно проводить индивидуальный отбор всех используемых деталей, то для серийного производства требуется высокая повторяемость параметров при минимальных затратах времени. В этом случае удобнее применять операционные усилители. К тому же у них при изменении напряжения питания шумовые характеристики практически не меняются, а использование дифференциального входа позволяет эффективно подавлять синфазные внешние наводки. Но обычно в целях снижения шумов симметричный дифференциальный вход ОУ не используют, так как в этом случае эквивалентная шумовая ЭДС подключена к обоим входным транзисторам микросхемы последовательно, что приводит к увеличению в (на 3 дБ) шумового напряжения Еш (приведенного ко входу) по сравнению с каскадом на одном транзисторе, включенным по схеме с общим эмиттером.

При шумы транзисторов, установленных на входе микросхемы.
Для усиления слабых сигналов промышленность выпускает перечень специальных малошумящих операционных усилителей (ОУ). Параметры лучших из них приведены в таблици 1.

Тип микросхемы Ешвх
Uп
В Iп
мА Iвх
мА
нА
мВ Кус
х100 КР1407УД2А 15 6 0,1 150 50 3 50 544УД1 13 15 3,5 0,15 0,05 12 50 К15УД2 9 3...18 7,0 500 150 2 50 КР140УД25В 8 15 6,0 120 100 0,18 500 КР140УД26В 8 15 6,0 120 100 0,18 500 140УД17А 8 15 4,0 2,0 2,0 0,025 200 КР1407Д1 5,5 5 8,0 7,5 2,0 10 10 КР1407Д3 3,0 6 2,0 0,005 0,001 5 10
Таблица 1 - Основные параметры малошумящих операционных усилителей

Где:
Еш вх - нормированная ЭДС шума, приведенная ко входу (измеряется при Rг=O);
±Uп - номинальное напряжение питания;
Iп - максимальный ток потребления;
Iвх - входной ток;
- разность входных токов;
- напряжение смещения нуля;
Кус - коэффициент усиления по напряжению.

Для сравнения шумовых характеристик ОУ удобно использовать коэффициент шума Fш, определяемый как отношение измеренной в полосе частот 1 Гц суммарной мощности шума, приведенной ко входу усилителя, к мощности, полученной за счет теплового шума резистора генератора (Rг) в той же полосе: где:
к - постоянная Больцмана;
Т - температура в градусах Кельвина;
Rг - внутреннее сопротивление источника сигнала.

Из указанных в таблице ОУ только 544УД1 и КР1407УДЗ имеют полевые транзисторы на входе. Для одной из них в качестве примера показана зависимость коэффициента шума Кш от сопротивления источника сигнала (Rг) на рисунке 8. Как видно из графика, такой ОУ лучше использовать при сопротивлениях Rг>1 МОм. Микросхемы ОУ с биполярными транзисторами на входе позволяют получить меньший шум при Rг<100 кОм. Величина Fш для каждого типа ОУ имеет минимум при некотором оптимальном значении Rг.


Рисунок 8 - Зависимость коэффициента шума для микросхемы 544УД1

Некоторые из микросхем могут работать в режиме микротоков (режим задается внешним резистором). На рисунке 9 показана схема включения одной из таких микросхем.
Она обеспечивает параметры:
1) коэффициент усиления 100;
2) полоса усиления по уровню 0,7 0...70 кГц;
3) уровень шума, приведенный к входу 0,005 мкВ;
4) потребляемый ток при питании +-6 В 0,3 м


Рисунок 9 -Включение малошумящего операционного усилителя


Рисунок 10 - Включение транзисторов для работы с операционным усилителем

Полоса усиления микросхемы 1407УД2 зависит от режима работы (потребляемого тока), который можно менять при помощи резистора R2. Ограничение полосы усиления позволяет снизить уровень шума на выходе микросхемы.

Для высокочувствительных малошумящих каскадов с использованием операционного усилителя можно во входной цепи также применять параллельное включение транзисторов. В этом каскаде транзисторы VT1, VT2 разной структуры, но с идентичными параметрами. Они по постоянному току включены последовательно, а по переменному - параллельно, что эквивалентно схеме, показанной на рисунке 5.

Кроме снижения шума в самом усилителе, для получения на выходе малых шумов и передачи сигналов без искажений необходимо также обеспечить:
1) согласование входного сопротивления усилителя с источником сигнала;
2) располагать усилитель в непосредственной близости от источника сигнала, выполняя соединительные входные цепи минимальной длины (витой парой или экранированным проводом);
3) экранировать схему для защиты от внешних наводок;
4) при эксплуатации схемы на подвижных объектах защищать конструкцию от влияния механических колебаний (вибраций).

По материалом книги "Полезные схемы" И.П. Шелестов






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.