зуется в пропорциональный ему сигнал переменного тока (с помощью модулятора М), потом усиливается усилителем переменного тока У( а.затем снова преобразуется в сигнал постоянного тока (с помощью демодулятора-детектора Д). Поскольку в усилителях переменного тока с емкостной (или трансформаторной) связью дрейф рабочей точки не передается от каскада к каскаду, основной проблемой при данном методе усиления является только стабильность, бездрейфовость самого модулятора. Нижняя граничная частота усилителя У отлична от нуля, а потому спектр низкочастотных шумов ограничен и их роль уменьшается.

Усилители постоянного тока с промежуточной модуляцией (М) входного сигнала и последующей демодуляцией (ДМ) усиленного выходного сигнала называют усилителями типа М-ДМ. В отличие от них обычные усилители постоянного тока (со сквозными гальваническими связями) называют усилителями прямого усиления.

Общий недостаток усилителей типа М-ДМ заключается в малом значении верхней граничной частоты (не. более 0,1-0,2 частоты модуляции), а также в необходимости иметь специальный источник модулирующего напряжения (Г). Однако в интегральных микросхемах последний недостаток несуществен, так как площадь, занимаемая указанным источником на кристалле, составляет лишь малую долю всей площади схемы.

В качестве модуляторов могут использоваться любые элементы, параметрами которых (сопротивлением, емкостью или индуктивностью) можно управлять с помощью вспомогательного источника переменного тока.

Контактные прерыватели типа поляризованного реле (рис: 1.3-7, а) обеспечивают максимальную глубину модуляции (так как сопротивление цепи меняется от нуля до бесконечности). Однако они имеют существенные недостатки: ограниченную рабочую частоту (обычно 50-100 Гц), недостаточную надежность (срок службы) и значительные помехи-наводки от катушки электромагнита (требуется громоздкая экранировка).

Все,три отмеченных недостатка практически отсутствуют при использовании транзисторных прерывателей (рис. 13-7, б). В этой схеме происходят поочередное отпирание (до насыщения), и запирание транзисторов под действием модулирующего напряжения, т. е. они действуют как ключи в цепи модулируемого сигнала. Ключевой, режим транзисторов подробно рассматривается в гл. 15, а сами, прерыватели.- в § 15-3. Сейчас мы только отметим, что

Рис. 13-7. Модуляторы-прерыватели. а - контактный; б - транзисторный.

глубина модуляции в случае транзисторных прерывателей несколько меньше, чем в случае механических контактов, особенно при малом сигнале. Кроме того, транзисторным прерывателям свойствен больший временной и особенно температурный дрейф. Зато большгя рабочая частота транзисторных прерывателей (сотни и тысячи герц) позволяет делать достаточно высокой нижнюю граничную частоту усилителя У и тем самым не пропускать основную часть спектра низкочастотных шумов транзистора. Одновременно повышается верхняя граничная частота усиливаемых сигналов.

В последнее время большое внимание уделяется прерывателям на МДП транзисторах [100, 138]. Такие прерыватели, как отмечалось в § 5-5, характеризуюгся отсутствием остаточного напряжения в замкнутом состоянии и поэтому обеспечивают большую глубину модуляции и меньшие значения модулируемого сигнала (см. § 15-3).

Помимо транзисторных прерывателей можно отметить такие полупроводниковые модуляторы, как емкость р-п перехода [139, 140] и датчик Холла [141]. Для работы последнего необходимо создавать магнитное поле. Что касается диодного модулятора, то он основан на наличии у р-п перехода нелинейной зависимости Сп (II) согласно (2-82). Правда, эта зависимость слаба и не дает возможности получить большую глубину модуляции. Однако следует учитывать наличие в настоящее время других типов полупроводниковых нелинейных емкостей, отличных от р-п переходов и имеющих более крутую вольт-фарадную характеристику [142].

Выходной демодулятор-детектор может быть асинхронным и синхронным. В первом случае это обычный двухполу-периодный или мостовой выпрямитель с фильтром. Во втором случае это такой же прерыватель, как на входе, питаемый той же частотой. Синхронный детектор в отличие от асинхронного позволяет различать полярность входного сигнала постоянного тока (см. рис. 13-6, б).

Одной из главных проблем при разработке М-ДМ усилителей является борьба с импульсами, проходящими от генератора Г (рис. 13-6, а) через паразитные емкости модулятора на вход усилителя У и далее, после усиления, на выход. Эти импульсы имеют вид коротких пиков чередующейся полярности, которые соответствуют положительному и отрицательному фронтам прямоугольных импульсов, вырабатываемых генератором. При неизбежном различии амплитуд пиков появляется разностная постоянная составляющая, маскирующая полезный сигнал. Наиболее эффективным способом борьбы с паразитными пиками является использование в модуляторе приборов с минимальными паразитными емкостями. В последнее время в качестве таких приборов выступают МДП транзисторы с самосовмещенным затвором (с. 313).

Глава четыркадцатая ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ КАСКАД

14-1. ВВЕДЕНИЕ

Простейшая схема дифференциального каскада (ДК) показана на рис. 14-1. Название дифференциальный объясняется тем, что выходное напряжение (между коллекторами) пропорционально разности входных потенциалов (на базах). Дифференциальные каскады известны давно, еще в . эпоху ламповой техники, где их называли параллельно-балансными каскадами. Однако наибольшее распространение они приобрели в конце 60-х годов в связи с развитием интегральных операционных усилителей. Несмотря на то, что по своей структуре ДК являются классическими представителями усилителей постоянного то-

к а, они благодаря ряду уникальных свойств используются в гораздо более широком аспекте, а в микроэлектронике стали одним из универсальных элементов линейных интегральных схем.

Операционным усилителям и их основе - ДК посвящена обширная литература (см. [139, 143] и библиографию в них), поэтому ниже даются лишь самые необходимые сведения.

Рис. 14-1. Дифференциальный каскад постоянного тока.

14-2. ОБЩИЕ СВОЙСТВА

Из рис. 14-1 видно, что ДК симметричен. Именно симметрия позволяет существенно уменьшить величину приведенного дрейфа по сравнению с однотактным каскадом. Вторым важным преимуществом ДК является значительно более высокий коэффициент усиления. Рассмотрим подробнее эти две особенности.

Если параметры обоих плеч ДК полностью идентичны (включая их зависимость от температуры и времени), то, очевидно, выход- ной дрейф будет строго равен нулю. В реальных схемах полная идентичность, разумеется, исключена и имеется некоторый разностный дрейф. Теоретически этот дрейф рассчитать невозможно, но известны пути его уменьшения или, что то же самое, пути искусственного симметрирования ДК.

Действительно, условием отсутствия дрейфа является равенство hiRei ~ б/к2/?к2- Подставляя сюда 6/ == S6Ir согласно (13-4)