Схема. Предварительный усилитель сигнала датчика
От подобных по назначению устройств, предложенных в [1—4], этот усилитель выгодно отличается сочетанием малых собственных шумов, высокой температурной стабильностью параметров и широкой полосой пропускания.
Основные технические характеристики:
Нормированная ЭДС шума, нВ/Гц0,5 (на частоте 1 кГц при эквивалентном сопротивлении генератора 50 Ом), не более ………….1
Коэффициент усиления напряжения ……………….150
Рабочая частотная полоса, Гц, не менее……………5…106
Входное сопротивление, Ом, не менее …………….500
Выходное сопротивление, Ом, не более……………..200
Рабочий интервал температуры окружающей среды, °С …………………-50…+50
Температурный дрейф коэффициента усиления напряжения, %, не более ……..5
Температурный дрейф постоянной составляющей выходного напряжения, В, не более ………………0,5
Напряжение питания, В …….5±0,25
Потребляемый ток, мА, не более ……… ……………6
Принципиальная схема предварительного усилителя изображена на рис. 1. Первая ступень образована транзисторами VT3 и VT4 в каскодном включении с последовательным питанием. Конденсатор СЗ — разделительный. Транзисторы VT1.1, VT1.2, VT2.1, VT2.2 и резисторы R1, R3—R6 определяют режим работы ступени по постоянному току. Резистор R7 — нагрузочный. Конденсаторы С2, СЗ и резистор R2 формируют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя в нижнечастотной области, а верхнюю граничную частоту полосы пропускания определяет емкость конденсатора С4.
Во второй ступени усилителя работает транзистор VT5, нагрузкой которого служит резистор R8. Эмиттер этого транзистора соединен с общим проводом температурозависимой цепью, состоящей из резисторов R9, R10, диодов VD1—VD3 и транзистора VT2.2. Коэффициент усиления напряжения ступени определяется отношением сопротивления резистора R8 к эквивалентному сопротивлению этой цепи.
Если под воздействием каких-либо дестабилизирующих факторов, например, изменения температуры окружающей среды, увеличился (или уменьшился) ток через транзисторы VT3, VT4, то уменьшится (увеличится) ток базы и ток эмиттера транзистора VT5. Это вызовет уменьшение (увеличение) тока, протекающего через «токовые зеркала» VT2.1VT2.2R10 и VT1.1VT1.2R1R3, а также через делитель напряжения R4— R6. В результате уменьшится (увеличится) ток базы, а следовательно, и ток эмиттера транзисторов VT3, VT4, возвращаясь к своему первоначальному значению. Благодаря действию такой ОС стабилизируется работа первой и второй ступеней усилителя по постоянному току.
Третья (выходная) ступень усилителя представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT6. Транзистор VT7.1 «токового зеркала» VT7.1VT7.2R12 служит источником тока для транзистора VT6. Источник тока в эмиттерной цепи транзистора VT6 обеспечивает высокую нагрузочную способность выходной ступени [5]. Конденсатор С5 корректирует АЧХ ступени в ее верхнечастотной области.
Резистор R11 создает отрицательную ОС между второй и третьей ступенями усилителя, повышающую стабильность его работы. Конденсаторы С1, С6 и резистор R13 — элементы фильтра в цепи питания.
Конденсаторы С1—СЗ, С6 в усилителе — оксидно-полупроводниковые танталовые К53-56, а С4, С5 — керамические К10-17в. Резисторы R1—R13 — Р1-12 или С2-23, С2-33, МЛТ. Диоды КД522А могут быть заменены любыми из серий КД521, КД522. Транзисторные сборки КТС393А-9 и КТС398А9 заменимы на КТС393Б-9, КТСЗЮЗА, КТСЗЮЗБ, КТСЗЮЗА-1, КТСЗЮЗБ-1 и КТС398Б9, КР159НТ1А—КР159НТ1Е соответственно. Вместо КТ3106А9 подойдут малошумящие транзисторы КТ396А9, КТ399А, КТ399АМ, КТ3117Б, КТ3117Б9.
Усилитель смонтирован на печатной плате методом поверхностного монтажа. Ее изготовляют из фольгированного стеклотекстолита толщиной 0,5—1 мм. Чертеж платы представлен на рис. 2. Для ослабления влияния внешних электрических и магнитных полей на работу усилителя плата помещена в коробку из листового пермаллоя толщиной 0,8 мм.
Налаживание усилителя начинают с установки режима работы по постоянному току, при котором обеспечивается максимальный уровень выходного сигнала. Для этого к входу усилителя подключают генератор синусоидального напряжения, а к выходу — осциллограф. Амплитуда выходного напряжения генератора не должна превышать 10 мВ, а частоту его настройки следует установить в пределах 1 …2 кГц. Наблюдая выходной сигнал усилителя на экране осциллографа и постепенно увеличивая амплитуду выходного напряжения генератора, подборкой резистора R1 добиваются двустороннего симметричного ограничения максимального выходного сигнала усилителя.
Коэффициент усиления напряжения, нижнюю и верхнюю границы частотной полосы пропускания измеряют по известным методикам. Коэффициент усиления напряжения устанавливают подборкой резистора R10. Минимального температурного дрейфа коэффициента усиления напряжения добиваются подборкой резистора R9. В процессе подборки этих резисторов следует контролировать и поддерживать режим работы усилителя по постоянному току согласно вышеизложенному.
Значение верхней граничной частоты полосы пропускания устанавливают подборкой конденсатора С4. При уменьшении емкости этого конденсатора происходит расширение полосы пропускания усилителя в верхнечастотную область. Шумовые параметры усилителя контролируют по методике, изложенной в [4].
На рис. 3—5 показаны графики зависимости коэффициента усиления напряжения от частоты, нормированного коэффициента усиления напряжения и постоянной составляющей выходного напряжения от температуры окружающей среды, на рис. 6 — нормированной ЭДС шума от частоты.
При эксплуатации усилителя следует учитывать влияние температуры окружающей среды на верхнюю и нижнюю граничную частоту полосы пропускания. АЧХ на рис. 3 построена по результатам измерений, проведенных при температуре окружающей среды +25 °С. На границах рабочей частотной полосы коэффициент усиления напряжения, измеренный по уровню 0,707 от его значения на центральной частоте полосы пропускания, спадает до 106, что соответствует полосе от 3,3 Гц до 1,2 МГц. Реальная ширина полосы пропускания в рабочем интервале температуры окружающей среды указана в основных технических характеристиках усилителя.
Нелинейная зависимость коэффициента усиления напряжения от температуры окружающей среды (см. рис. 4), обусловленная нелинейностью цепи термокомпенсации усилителя, вполне допустима для многих практических случаев. Линейная зависимость постоянной составляющей выходного напряжения от температуры окружающей среды (см. рис. 5) облегчает согласование усилителя по постоянному току с последующими узлами.
Хотя уровень нормированной ЭДС шума усилителя и возрастает в частотной области, лежащей ниже граничной частоты среза фликер-шума [6], равной 350 Гц (см. рис. 6), из этого не следует делать вывод, что усилитель нельзя применять для работы на более низкой частоте, так как в нижнечастотной области относительно высокий уровень фликер-шума присущ и большинству датчиков, с которыми может быть использован усилитель [7]. Важно лишь, чтобы собственный шум усилителя не превышал шума датчика.
О. ИЛЬИН, г. Казань, Татарстан
«Радио» №2 2011г
ЛИТЕРАТУРА
1. Аксененко М. Д. и др. Микроэлектронные фотоприемные устройства. — М.: Энергоатомиздат, 1984, с. 70—82.
2. Замковец Н. В., Курбатов В. А., Си-бельдин Н. Н. Широкополосный охлаждаемый фотоприемник. — Приборы и техника эксперимента, 1973, № 2, с. 190—193.
3. Овсянников Г. А., Проклов С. В. Низкочастотный малошумящий усилитель. — Приборы и техника эксперимента, 1988, № 3, с. 127—129.
4. Ильин О. Малошумящий предусили-тель для низкоомных фоторезисторных датчиков. — Радио, 2006, № 7, с. 36—38.
5. Эмиттерный повторитель с высокой нагрузочной способностью. — Радио, 1979, №5, с. 61.
6. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах. Пер. с англ. — М.: Мир, 1986, с. 148—192.
7. Киес Р. Д., Крузе П. В., ПатлиЭ. Г. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов. Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1985, с. 44—48.
Похожие статьи:
Домашнетеатральный усилитель мощности ЗЧ
Транзисторный KB усилитель мощности
Предварительный усилитель
Схема гитарного усилителя на лампах (1)
Схема гитарного усилителя на лампах (2)