Усилители постоянных и медленно изменяющихся напряжений

Усилители постоянных и медленно меняющихся напряжений и токов находят широкое применение в современной (особенно в геофизической, биофизической и медицинской) аппаратуре. В отличие от усилителей напряжений звуковых частот, в которых между каскадами или отдельными усилительными функциональными узлами связь может осуществляться через конденсаторы, пропускающие только переменные составляющие, в усилителях постоянных и медленно изменяющихся напряжений связь между каскадами должна быть непосредственной, «гальванической».

В большинстве случаев эта задача не всегда удовлетворительно разрешима. В частности, если напряжение сигнала достаточно велико (десятки милливольт), создание усилителя с гальваническими междукаскадными связями не сопряжено с особыми трудностями, ибо можно использовать нолевые транзисторы с изолированными затворами, работающие в режиме обогащения канала носителями заряда, для которых постоянное, действующее на истоках напряжение может быть использовано как напряжение смещения, отпирающее транзистор и устанавливающее его в линейный усилительный режим. Однако для усиления малых сигналов (единицы-десятки микровольт) усилители с гальванической связью практически неприменимы из-за того, что собственные шумы транзисторов на частотах в сотые — тысячные доли герца могут быть чрезмерно велики, поскольку медленно флюктуируют во времени все параметры транзисторов, в результате чего напряжение на выходе усилителя с гальваническими связями медленно «дрейфует», изменяется совершенно случайно во времени в весьма широких пределах.

Даже если напряжение источников питания хорошо стабилизировано, а сам усилитель и все его элементы термостабилизированы (или температура окружающей среды строго постоянна), напряжение «дрейфа», отнесенное к входу усилителя, в самом лучшем случае составляет десятые доли микровольта в 1 ч.

В обычных же условиях дрейф из-за изменения температуры даже в лучших образцах усилителей может составлять нескольких десятых долей микровольта на 1 °C изменения температуры.

Поэтому лишь усиление сравнительно больших постоянных напряжений — с уровнем в несколько десятков милливольт — выполняется с помощью стандартных операционных усилителей в интегральном исполнении, которые при этом обязательно должны питаться от хорошо стабилизированных источников питания.

Помимо этого принимаются специальные меры для компенсации нулевых уровней на входе и выходе подачей на вход усилителя напряжения компенсации (в противоположной дрейфовому напряжению полярности).

Усилители более слабых сигналов обычно выполняются с модуляцией: преобразованием (переносом спектра) постоянных и медленно меняющихся напряжений в переменные напряжения достаточно высокой частоты, на которой собственные шумы и дрейф усилителя минимальны, затем усилением до необходимого уровня, после этого сигнал демодулируется («детектируется», переносится в область исходных низких частот) и тем самым восстанавливается спектр исходного низкочастотного сигнала.

В модуляционных усилителях (рис. 3.15) на входе ставится модулятор, преобразующий спектр входного сигнала. При этом в модуляторе обычно усиления сигнала не происходит, хотя в некоторых видах модуляционных усилителей, называемых «параметрическими», наряду с преобразованием спектра усиливается и преобразованный сигнал.

В типовом модуляторе входной низкочастотный сигнал обычно преобразуется в пульсирующее или переменное (в зависимости от конструкции модулятора) напряжение. Это напряжение усиливается усилителем переменного тока, после этого производится синхронное детектирование.

В простейшем случае модулятор и детектор могут быть выполнены, например, в виде реле с двумя парами контактов, включаемых, соответственно, на входе и выходе, и синхронно замыкаемых и размыкае;

Рис. 3.15. Структурная схема модуляционного усилителя постоянных и медленно изменяющихся напряжений и токов мых с достаточно высокой частотой (десятки — сотни герц), в результате чего на входе осуществляется прерывание непрерывного сигнала («модуляция») и преобразование его в последовательность импульсов и восстановление непрерывности усиленного сигнала на выходе.

Контактные модуляторы имеют ограниченный срок службы (не более 10'⁴ ч) и в современной аппаратуре применяются только в случае очень малых входных сигналов — напряжений от 10~⁷ В и токов от 10 ¹⁰ А и ниже. Собственные шумы лучших контактных модуляторов не превышают долей нановольта (1 нВ = 10 ⁹ В) в полосе 1 Гц.

Контактный модулятор (рис. 3.16, а) работает следующим образом. Под действием управляющего сигнала, вырабатываемого генератором заданной частоты со_к, происходит замыкание-размыкание контактов с частотой (о_к. При замкнутых контактах на выходе модулятора имеется сигнал, при разомкнутых — сигнал равен нулю. Аналитически сигнал на выходе модулятора определяется как.

^гД^е/"(О ^— функция коммутации, равная единице, когда контакты реле замкнуты, и равная нулю, когда они разомкнуты. Если время, в течение которого контакты реле разомкнуты и замкнуты, одинаково и равно половине периода коммутации, т. е.

где Г_к= 2л/ш_к, то функция коммутации (рис. 3.16, б) может быть представлена в виде ряда Фурье

В случае входного синусоидального сигнала U_c(t) = U sin Clt спектр преобразованного сигнала.

Таким образом, исходный низкочастотный сигнал (рис. 3.16, в) оказался перенесенным в область высоких частот и сосредоточился вблизи частоты (0_К и ее гармоник Зсо_к ± Q; 5о)_к ± П…

Преобразованный сигнал (рис. 3.16, г) затем усиливается усилителем переменного напряжения до заданного уровня, после этого производится детектирование, и спектр переносится обратно в область исходных низких частот.

Детектирование осуществляется с помощью аналогично работающего контактного синхронного детектора, в котором происходит повторное умножение преобразованного сигнала на функцию коммутации, в результате чего появляются составляющие напряжения с исходной низкой частотой Q и возникают дополнительные высокочастотные напряжения, которые отфильтровываются фильтром, пропускающим на выход только низкочастотные составляющие исходного сигнала.

Помимо контактных, модуляторы могут быть выполнены также на биполярных и полевых транзисторах или на фоторезисторных оптронах, управляемых от импульсного генератора частоты коммутации.

В частности, на рис. 3.16, д приведена схема модулятора, выполненного на двух фоторезистивных оптронах. Импульсы управления подаются на оптроны поочередно. Когда подается импульс U1, светодиод СД1 включается и посылает импульс света на фоторезистор (DR1, сопротивление которого при этом становится минимальным и входной сигнал подключается ко входу усилителя. Поскольку на второй светодиод СД2 импульс управления не подается, то сопротивление фоторезистора OR2 остается очень большим, и он на прохождение сигнала не влияет. Когда же подается импульс управления на светодиод СД2, то сопротивления фоторезистора OR2 становится минимальным, вход усилителя практически замыкается «накоротко» на корпус, и поскольку сопротивление фоторезистора OR1 при этом очень велико, то сигнал на вход усилителя не поступает. Таким образом, фогорезистивный модулятор работает, подобно контактному модулятору, и преобразует входной непрерывный сигнал в последовательность прямоугольных импульсов, амплитуда которых прямо пропорциональна напряжению входного сигнала в моменты коммутации.

В лучших оптронных модуляторах напряжение шумов составляет десятые доли микровольта в полосе 1 Гц. При выполнении модулятора на полевых транзисторах с изолированным затвором, работающих в режиме переключения, собственные шумы также составляют десятые доли микровольта.

Если модуляторы выполнены на биполярных (рис. 3.16, е) транзисторах, то возникает проблема компенсации остаточного напряжения: во включенном состоянии между эмиттером и коллектором биполярного транзистора действует остаточное напряжение в несколько милливольт, обусловленное собственным полем п-р-переходов. Это напряжение обычно компенсируется за счет последовательно-встречного включения транзисторов, выполняемых в едином технологическом цикле в виде интегральных прерывателей (ИП).

Рис. 3.16. Принципиальная схема контактного преобразователя-модулятора (а), диаграмма его работы (б), форма исходного (в) и преобразованного модулятором (г) напряжения, модулятор на основе фоторезистивных оптронов^ и биполярных транзисторов(е).

ИП имеют остаточное напряжение в единицы микровольт и собственные шумы в десятые доли микровольта.

Модуляторы на биполярных транзисторах обычно применяют при сопротивлении источника входного сигнала, не превышающем единиц килоом. Если сопротивление источника сигнала составляет десяткисотни килоом, то применяют модуляторы на полевых транзисторах и фоторезисторах.

Для преобразования сигналов от источников с внутренним сопротивлением выше нескольких мегаом используют контактные модуляторы и модуляторы на варикапах.

Контактные, транзисторные и фоторезистивные модуляторы являются, но своей сути управляемыми сопротивлениями и генерируют тепловые, дробовые и мерцательные шумы. В варикапах процесс модуляции осуществляется изменением емкости и не сопровождается перемещением электрических зарядов, поэтому дробовые шумы практически отсутствуют, а тепловые и мерцательные весьма малы.

На основе варикапов обычно выполняют или усилители-модуляторы, или параметрические усилители. В усилителе-модуляторе варикап используется как управляемый реактивный элемент в цепи переменного тока. Поскольку на изменение емкости варикапа затрачивается энергия, значительно меньшая энергии, переносимой проходящим через него переменным током, управляющий сигнал усиливается, но мощности и току.

В параметрических усилителях варикап является элементом резонансного LC-контура с высокой добротностью. Вследствие этого энергия, затрачиваемая на управление емкостью варикапа, передается колебательному контуру и накапливается в нем, что приводит к увеличению амплитуды преобразуемого сигнала.

В качестве варикапов обычно применяют кремниевые полупроводниковые диоды при обратном напряжении смещения, а также конденсаторы с сегнетодиэлектриками.

На рис. 3.17, а приведена схема усилителя-модулятора на варикапах. При отсутствии входного сигнала (/_вх(?) мост CV1, CV2, Rl, R2 сбалансирован и выходное напряжение U_Bhlx(t) = 0. Напряжение входного сигнала подается в диагональ моста, поэтому к одному варикапу (CV 1 или CV2) оно оказывается приложенным в прямой полярности (и емкость варикапа увеличивается), а к другому — в обратной (и емкость варикапа уменьшается). Это приводит к нарушению баланса моста и появлению переменного напряжения с частотой питания на выходе. Поскольку емкость варикапов нелинейно зависит от напряжения, то и выходное напряжение также нелинейно зависит от уровня входного сигнала.

Однако если входной сигнал достаточно мал по сравнению с напряжением смещения, то и нелинейные искажения могут быть малы. Если входной сигнал составляет единицы-десятки милливольт и ниже, то батарея смещения ?_см не нужна.

Входное сопротивление варикапных модуляторов по постоянному току очень велико и определяется током утечки запертых обратным напряжением п-р-переходов и поэтому может достигать 10¹⁰-10¹² Ом.

Входное сопротивление по переменному току определяется частотой входного сигнала, емкостями варикапов, фильтра /?_фС_ф, разделительного конденсатора С" и сопротивлением нагрузки Если вместо цепочки R_HC" использовать последовательный? С-контур, настроенный на частоту питающего тока 0)_к, то можно за счет резонанса увеличить выходное напряжение.

Структурная схема модуляционного операционного усилителя в интегральном исполнении приведена на рис. 3.17, б. В этом усилителе входные сигналы постоянного тока подаются на модулятор М (выполненный на основе варикапов), который преобразует их в сравнительно высокочастотные (десятки-сотни килогерц) напряжения переменного тока. Эти напряжения усиливаются до заданного уровня усилителем У, затем выпрямляются с помощью синхронного выпрямителя В и после фильтрации фильтром Ф подаются на выход в виде постоянного, усиленного до заданного уровня напряжения.

Рис. 3.17. Принципиальная схема модулятора на варикапах (а), используемого для создания модуляционного операционного усилителя (б).

Управление работой модулятора и синхронного выпрямителя осуществляется от генератора с частотой ш_к.

Модуляционные операционные усилители рассмотренного вида имеют высокие метрологические параметры: дрейф нулевого уровня — десятые доли микровольта в сутки; температурный дрейф — сотые доли микровольта на градус; входное сопротивление — до 10″ Ом; коэффициент усиления — до 10⁷; собственные шумы, приведенные ко входу, в полосе от 0 до 10² Гц — не более 0,1 мкВ.

Контрольные вопросы.

• 1. Как вы думаете, почему возникают собственные электрические шумы в контактных прерывателях-модуляторах?
• 2. Можно ли, но какой-нибудь другой, не «последовательно-встречной», схеме включить биполярные транзисторы в интегральном прерывателе?
• 3. Как будет выглядеть схема прерывателя-модулятора, если ее выполнить на полевых транзисторах?