Схемы сдвига уровня

Усилители на ИМС строятся по схемам с непосредственными связями между каскадами, так как применение конденсаторов и трансформаторов для гальванической развязки невозможно из-за технологических сложностей их изготовления. Такие усилители по существу являются усилителями постоянного тока и должны обеспечивать в отсутствие сигнала на входе нулевые изменения напряжения на выходе, т.е. отсутствие сигнала на выходе. В то же время постоянное коллекторное напряжение на транзисторе предыдущего каскада подается на вход следующего каскада в виде прямого смещения на эмиттерном переходе, что служит причиной появления эмиттерного и коллекторного токов в транзисторе следующего каскада. Это объясняется тем, что предыдущий каскад является источником смещения для следующего каскада усиления и определяет его режим работы. Поэтому любое изменение в предыдущем каскаде, что особенно нежелательно при тепловом воздействии и изменении питающего напряжения, передается в следующий каскад усиления как сигнал при отсутствии реального усиливаемого сигнала.

В принципе эта задача решается путем включения резистора с большим сопротивлением в эмиттерную цепь последующего каскада, который является элементом последовательной ООС по току. Недостаток этого метода состоит в том, что резистор с большим сопротивлением потребляет мощность и нагревается, а ООС снижает коэффициент усиления каскада. Поэтому во многих усилительных ИМС применяют специальные схемы сдвига уровня, которые исключают проход постоянной составляющей между каскадами без применения разделяющих элементов гальванической развязки — конденсаторов и трансформаторов.

Таким образом, назначение схем сдвига уровня — компенсация (исключение) влияния постоянного напряжения предыдущего каскада на последующий каскад при непосредственной связи между каскадами и исключение изменения режима работы каскада при изменении температуры и питающего напряжения. При этом схема сдвига уровня должна быть построена так, чтобы переменную составляющую, т.е. полезный сигнал, передать на следующий каскад без ослабления. Однако схема сдвига уровня осуществляет не только снижение, но и повышение уровня постоянной составляющей от предыдущего каскада на последующие каскады.

Рис. 13.17. Вольт-амперная характеристика р-л-перехода

Схема сдвига уровня строится по принципу делителя напряжения. При реализации схем используется характеристика /ья-перехода на линейных участках при прямом и обратном смещениях в режиме лавинного пробоя. Эти участки близки по виду к характеристикам идеального источника ЭДС (рис. 13.17).

Это означает, что увеличение тока через /?-я-переход в этих режимах (А/ и Д/_обр) не приводит к существенному изменению падения напряжения на переходах А/_пр и Д/_обр соответственно.

В схемах сдвига уровня используются диоды, стабилитроны и транзисторы. Так, в диодной схеме сдвига уровня (рис. 13.18, а) используются диоды VD1—VD3, число которых зависит от допустимого обратного напряжения одного диода и максимального обратного напряжения, действующего на этом участке схемы. Схемным решением сдвига уровня является цепочка — делитель напряжения, состоящая из диодов VD1—VD3 и нагрузки на выходе R_H.

Рис. 13.18. Схемы сдвига уровня: а — диодная; б — с термокомпенсацией

на стабилитроне

В этой схеме выходное напряжение равно U_Bblx = U_K — АЗ U_np, где АЗ U_np — падение напряжения на диоде при прямом смещении для трех диодов VD1—VD3. Так как падение напряжения на диодах VD1—VD3 (А3?/_пр) практически стабильно при незначительных изменениях питающего напряжения, то и напряжение на нагрузке U_Bblx практически не будет изменяться. В качестве напряжения питания для данного делителя можно рассматривать напряжение ?/_кэ, снимаемое с каскада усиления на транзисторе VT1 (рис. 13.18, а). Напряжение ?/_кэ, снимаемое с VT1, может изменяться в небольших пределах из-за различных энергетических воздействий (температуры, t/_K и т.д.), однако выходное напряжение, передаваемое в следующий каскад через схему сдвига уровня, изменяться не будет.

Диоды в схеме сдвига уровня также могут изменять свое внутреннее сопротивление при тепловом воздействии, что уменьшает падение напряжения на них АЗ U_np и увеличивает выходное напряжение t/_Bb[X. В результате последующий каскад получает сдвиг положения рабочей точки. Для исключения этого в схему сдвига уровня вводят элементы термокомпенсации. В качестве примера на рис. 13.18, б, последовательно с диодами VD1—VD3 включен стабилитрон VD4, в котором при обратном смещении в режиме лавинного пробоя падение напряжения стабильно (A t/_o6p = U_CJ). Диоды и стабилитрон должны иметь противоположные температурные коэффициенты напряжения (ТКН).

В диодах при прямом смещении и увеличении температуры уменьшается дифференциальное сопротивление и падение напряжения на переходе, а в стабилитроне при обратном смещении в режиме лавинного электрического пробоя дифференциальное сопротивление перехода увеличивается и возрастает падение напряжения при снижении тока. В соответствии с этими свойствами и на основании формулы ?/_вых = и_кэ — АЗ U_np — A t/_o6p можно сделать вывод, что при уменьшении АЗ U_np и увеличении ?/_обр суммарное напряжение A t/_VD = —АЗ U_np — A t/_o6p остается неизменным при любом изменении температуры. Отсюда видно, что ?/_вых стабилизировано при незначительных изменениях напряжения, подаваемого на схему сдвига уровня (U_Kэ).

Наиболее эффективно применение транзисторных схем сдвига уровня, которые усиливают входной сигнал.

Рассмотрим транзисторную схему сдвига уровня рис. 13.19, а, собранную на основе эмиттерного повторителя с нагрузкой в виде ГСТ. В схеме сдвига уровня эмиттерный повторитель выполнен на транзисторе VT1, а его нагрузкой служит делитель напряжения на резисторе R3 и ГСТ на транзисторах VT2 и VT3. Выходное сопротивление ГСТ составляет сотни килоом, а сопротивление резистора R3 (выходное сопротивление ЭП) единицы-десятки килоом. За счет падения напряжения на R3 (U_R3) создается дополнительный сдвиг напряжения на VT1 совместно с выходным напряжением, т.е. обеспечивается ООС по току для VT1 в цепи эмиттера VT1.

Ток /_эз, протекающий через VT3, — стабильный, а так как два транзистора VT1 и VT3 включены последовательно, то стабилен и ток /_К1 * /_эз » /_Э1. Ток /_эз определяется по формуле /_эз а (и_ъЭ2 ~ r^rR3)/R4. Тогда сдвиг уровня напряжения AU= ?/_БЭ1 + (?/_БЭ2 — t/_R3)(R3//?4), где t/_B31 « U_R3.

Напряжение ?/_БЭ2 — стабильное в результате стабильности падения напряжения при прямом смещении эмиттерного перехода VT2, работающего в диодном включении. Напряжение t/_R4 стабильно за счет схемы ГСТ, а напряжение t/_R1 = t/_B31 стабилизировано за счет стабильности тока /_Э1. В результате напряжение сдвига A U стабильно и зависит только от резисторов R3 и R4, с помощью которых его можно изменять (задавать) в широких пределах. На основании приведенных рассуждений можно сделать вывод о том,

Рис. 13.19. Транзисторные схемы сдвига уровня с ГСТ: а — с большим выходным сопротивлением; б — с эмиттерным повторителем на выходе что и выходное напряжение будет стабильным при изменении температуры и незначительных изменениях питающего напряжения, так как U_n._lv = U_v — A U. Недостаток схемы — большое R_DUIV за счет сопротивления R3, которое создает ООС по току. Выходное сопротивление можно снизить, введя в схему дополнительный эмиттер- ный повторитель на VT4 (рис. 13.19, б). Эмиттерный повторитель имеет малое выходное сопротивление, что уменьшает общее выходное сопротивление схемы сдвига и большое входное сопротивление, которое хорошо согласовывается с большим выходным сопротивлением VT3.