Избранные главы из книги С. А. Гаврилова «Искусство схемотехники. Просто о сложном».
Продолжение
Начало читайте здесь:
Часть 1 – Транзисторы и их модели
Часть 2 – Стабилизация режима
Часть 3 – Вопросы из практики
Часть 4 – Что влияет на стабильность
Часть 5 – Самостабилизирующиеся схемы
Часть 6 - Стабилизация сигнальных параметров
| Заказать книгу можно в интернет-магазине издательства |  |
7.3. Измерительные схемы
Обходимся без операционного усилителя
Термином «измерительные схемы» мы объединим функциональные узлы, к которым предъявляются требования предельно достижимой точности того или иного электрического параметра, в том числе и для постоянных составляющих сигналов. Причем диапазон входного (выходного) сигнала может быть сопоставим с уровнями питающих напряжений. Разработчик оказывается порой в ситуации, когда применять готовую интегральную схему ОУ для построения прецизионного устройства нецелесообразно или затруднительно.
Во-первых, имеющиеся напряжения питания могут не соответствовать требующимся для универсального усилителя.
Во-вторых, рабочий диапазон уровней сигналов может превышать тот, на который рассчитаны стандартные ОУ.
В-третьих, быстродействие, ограниченное еще и элементами частотной коррекции (нужной для обеспечения устойчивости усилителя с коэффициентом усиления в десятки тысяч, охваченного глубокой обратной связью), иногда оказывается недостаточным.
В-четвертых, речь, возможно, вообще идет о реализации узла разрабатываемой интегральной схемы.
Проработка вариантов может склонить нас к отказу от универсального (и, в сущности, в каждом частном случае «избыточного») операционного усилителя в пользу применения несложной специализированной прецизионной схемы. На этот случай существует и подход к разработке.
Напряжение ошибки
В рассмотренных нами выше схемах с ООС входное напряжение первого каскада представляет собой ту «ошибку», которая и отражает несоответствие действительных передаточных свойств схемы простой расчетной модели.
| Радиолюбитель: | Нельзя ли разобрать какой-нибудь пример? |
Давайте рассмотрим элементарную схему повторителя напряжения (рис. 7.17).
 |
|
| Рис. 7.17. | В некомпенсированном повторителе выходной потенциал отстает от потенциала входа |
Входное (для первого транзистора) напряжение UБЭ1 прямо является абсолютной погрешностью: ведь вместо требуемого для повторителя UВЫХ = UВХ здесь мы имеем:
| UВЫХ = UВХ + UБЭ1 |
Добавочное слагаемое не будет, конечно, постоянной величиной. Дело не только в его температурной зависимости, хотя и она неприятна. Обратитесь к схеме: потенциал коллектора VT1 равен UВЫХ + UБЭ2, а значит, для тока первого транзистора (если не учитывать IБ2) справедливо:
| IК1 ≈ IR2 = ( E – UВЫХ – UБЭ1 ) / R2 |
С ростом входного (и выходного) напряжения ток коллектора VT1 уменьшается! Следовательно, снижается и величина UБЭ1: выходной потенциал отстает в своем увеличении от потенциала входа.
| Радиолюбитель: | Короче, KU < 1. |
Именно так.
Компенсирующий транзистор
В измерительных схемах напряжение база-эмиттер входного транзистора нейтрализуют путем встречного включения второго перехода. Но чтобы добиться действительной компенсации, недостаточно еще идентичности транзисторов и единого их температурного режима (это достигается использованием согласованных транзисторных пар в общем кристалле).
Предельная точность схемы реализуется, когда обеспечен одинаковый электрический режим обоих транзисторов пары: то есть – одинаковые значения коллекторных токов и потенциалов, независимо от сигнала на входе.
Преобразованные транзисторные кольца того же повторителя, но уже с добавленной компенсацией, изображены на рис. 7.18, однако следует предпочесть вариант с включением компенсирующего транзистора внутрь кольца обратной связи.
 |
|
| Рис. 7.18. | Напряжения база-эмиттер VT1 и VT3 должны взаимно компенсироваться (а); вывод компенсирующего транзистора из кольца нежелателен (б) |
| Радиолюбитель: | Почему? |
Следите за мной: в точном повторителе схема должна быть построена таким образом, чтобы при любом входном напряжении соблюдалось UБЭ3 = UБЭ1. Значит, с увеличением UВХ ток коллектора компенсирующего транзистора VT3, так же, как и у VT1, обязан снижаться.
| Радиолюбитель: | Да; ну так что? |
То, что пропорционально уменьшающийся ток базы входного транзистора на рис. 7.18, б соответствовал бы отрицательному входному сопротивлению структуры; реализация компенсированной схемы потребует введения положительной обратной связи!
| Радиолюбитель: | Получается, так. |
А это небезопасно; скажем, в случае, если выходное сопротивление источника сигнала превысит |RВХ|, неизбежна потеря устойчивости.
Согласование режима пары
Итак, остановившись на первом варианте, мы должны дополнить ее теперь цепями, обеспечивающими согласованный режим для транзистора VT3. Начинают всегда с включения коллекторного резистора такой же величины, что и у другого транзистора пары: теперь остается уравнять лишь потенциалы коллекторов.
Для VТ1 (см. рис. 7.19, а):
| UК1 = UВЫХ + UБЭ2, | ||
| UБ1 = UВЫХ + UБЭ3, | ||
| UКБ1 ≈ 0. |
 |
|
| Рис. 7.19. | При R2 = R3 равенство коллекторных потенциалов означает и равенство токов (а); компенсированный повторитель готов (б) |
Обеспечить такой же режим для компенсирующего транзистора (UКБ3 = 0) не представляет трудностей: см. рис. 7.19, б.
На последнем рисунке повторитель, вдобавок, несколько улучшен. Устранен очевидный недостаток – довольно большой входной ток (ток эмиттера VТ1); соотношение для него выведите самостоятельно. Снижению этого тока посредством увеличения сопротивлений коллекторных резисторов препятствует возможный разбаланс согласованной пары базовым током VT2. Уменьшить его и помогает составной транзистор.
| Радиолюбитель: | И неужели эта примитивная схема эффективна? |
Она дает точность передачи напряжения, не меньшую, чем схема со сложным операционным усилителем – можете проверить.
Конечно, мы не переберем здесь множества возможных схемных решений: на простейшем примере мы разобрали лишь метод, подход.
Из книги С. А. Гаврилов. «Искусство схемотехники. Просто о сложном»
Продолжение читайте здесь
