Аналоговый умножитель

Для дифференциального усилителя дифференциальный коэффициент усиления напряжения прямо пропорционален суммарному эмиттерному току транзисторов, составляю­щих дифференциальную пару. Очевидно, что этим можно воспользоваться для того, чтобы с помощью управляющего электрического сигнала изме­нять коэффициент усиления напряжения усилителя. Суммарный эмиттерный ток в дифференциальном усилителе можно регулировать независимо, изменяя напряжение смещения у транзистора в эмиттерной цепи, который играет роль генератора стабильного тока (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Дифференциальный усилитель с транзисторным генератором стабильного тока в эмиттерной цепи

При симметричном выхо­де между коллекторами двух транзисторов (рис. 2.12) изменение суммарного эмиттерного тока не влияет на величину дифференциального выходного напряжения, а только изменяет коэффициент усиления.

Рис. 2.12. Дифференциальный усилитель с симметричным входом

Пусть напряжение сигнала на входе усилителя равно Ux, тогда

где АU -коэффициент усиления напряжения. Предположим теперь, что

где Uy -напряжение смещения, управляющее суммарным эмиттерным током, тогда

то есть напряжение на выходе пропорционально произведению напря­жений двух входных сигналов. В этом заключается принцип действия анало­гового умножителя с меняющейся крутизной.

В типичном случае интервал возможных значений сигнала на обоих вхо­дах Х и Y составляет ±5 В при ошибке в произведении < 1%. На рис. 2.13 представлена практическая схема на умножителе 1495. ИС умножителя имеет дифференциальный выход; в действительности, на выходных клеммах при­сутствует в качестве синфазного сигнала большое по величине постоянное напряжение, и для получения выходного сигнала без смешения по постоян­ному току применен дифференциальный усилитель на ИС 741. С помощью регулятора выходного смешения R19 можно производить подстройку в ши­роких пределах и, в частности, установить нулевое напряжение на выходе при UX = UY = 0. Необходимы также регуляторы смешения на входах, так как выходное напряжение должно равняться нулю также в том случае, когда только один из входных сигналов имеет нулевое значение, то есть

и

Рис. 2.13. Аналоговый умножитель на ИС 1495

Установку регуляторов смешения на входах удобно производить, пода­вая переменный входной сигнал. Синусоидальный сигнал с действующим значением порядка 2 В подается на вход Х, и ничего не подается на вход Y. Наблюдая выходной сигнал с помощью осциллографа или милливольтмет­ра, устанавливают потенциометр R10 в такое положение, при котором пере­менный сигнал на выходе равен нулю. Затем переменный сигнал подают на вход Y при UX = 0, и повторяют описанную процедуру начальной установки с потенциометром R9. Проверяют работу умножителя, подав синусоидальное колебание на оба входа сразу и наблюдая выходной сигнал. Должно произойти умножение синусоидального сигнала самого на себя, то есть возведение его в квадрат.

Так как сигнал на выходе должен оказаться синусоидой удвоенной частоты по сравнению с частотой сигнала, поданного на входы, но смещенной по вер­тикали так, чтобы касаться сверху уровня, соответствующего потенциалу земли. В том, что амплитуда возводится в квадрат, можно убедиться, удвоив амплитуду входного сигнала и проверив, увеличилась ли амплитуда выход­ного сигнала в четыре раза.

Сигнал на выходе умножителя имеет вид U0 = kUXUY, где k – постоян­ная, равная в этой схеме примерно 0,1. Изменяя сопротивление резистора R13, можно подогнать значение k так, чтобы оно точно равнялось 0,1. Благо­даря относительно небольшой величине k выходное напряжение остается в допустимых пределах даже при максимальных значениях UX и UY, равных ±5 В, не выводя ИС 741 из линейного режима работы.

Схема будет работать как с переменными сигналами, так и с сигналами постоянного тока. Резисторы R1 и R2 включены для того, чтобы осуществить привязку входов к земле на тот случай, когда применяются разделительные конденсаторы. Если же входные сигналы поступают от ис­точников с малым сопротивлением, по постоянному току, то резисторы R1 и R2 можно убрать; при этом следует замкнуть накоротко резисторы R3 и R4, чтобы обеспечить малые сопротивления источников на всех входах и уменьшить обусловленное ими смещение. Выводы 9 и 12 образуют один дифференциальный вход, а выводы 4 и 8 – другой дифференциальный вход. Входы умножителя можно считать вхо­дами ОУ и принять во внимание тот факт, что у каждого из них начальный входной ток относительно велик (около 3 мкА), а входное сопротивление также имеет большое значение (порядка 20 МОм).

Чтобы избежать нежелательного возбуждения на высоких частотах, по­лезно в качестве меры предосторожности включить между каждым из выво­дов 9 и 4 и землей фильтры для подавления паразитной генерации (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Фильтр, который необходимо включить между каждым из входов и землей, чтобы уменьшить риск возникновения неустойчивости на высоких частотах

В частности, это необходимо, когда используются длинные подводя­щие провода на входах. Характеристика умножителя в области высоких час­тот падает всего лишь на 3 дБ на частоте 3 МГц, так что паразитные связи могут вызвать возбуждение. Применение последовательно включенных кон­денсатора и резистора уменьшит добротность Q любого паразитного резо­нансного контура, который может образоваться на высоких частотах и, таким образом, предотвратит генерацию.