Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока часто называются усилителями медленно изменяющихся величин или усилителями с гальваническими связями.

Особенностью схем усилителей постоянного тока является отсутствие в них реактивных элементов – индуктивностей, конденсаторов, трансформаторов. Для медленно изменяющегося напряжения сопротивление катушки индуктивности будет равно нулю, а сопротивление конденсатора Х_с=1/wС равно бесконечности. Отсюда становится ясным, что связь между каскадами не может быть емкостной и не может быть индуктивной. Это вызывает серьезные трудности при проектировании усилителей постоянного тока.

Область применения усилителей постоянного тока широка. Они применяются в разных устройствах автоматики, так как многие датчики (термодатчики, фотодатчики) систем регулирования выдают сигнал в виде постоянного тока.

Из-за гальванической связи между каскадами любое изменение коллекторного напряжения предыдущего каскада, вызванное изменением напряжения источника питания Е_к и старением элементов схемы или изменением температуры окружающей среды, последующими каскадами ощущается как полезный сигнал и усиливается.

Непостоянство выходного напряжения, вызванное причинами, не зависящими от уровня входного сигнала, называется дрейфом нуля. Для сравнения различных усилителей постоянного тока дрейф нуля приводится к входу усилителя. Дрейф определяется в мВ/сутки (временный дрейф нуля) или для полупроводниковых усилителей в мВ/град (температурный дрейф). Например, U_вх.др = U_вых.др/К_U = 3 мВ/сутки считается небольшим.

В полупроводниковых усилителях наиболее ощутим температурный дрейф нуля, вызываемый первым каскадом усилителя, так как изменение коллекторного напряжения первого транзистора усиливает остальные каскады. Поэтому во входной цепи усилителя применяется температурная стабилизация.

Эффективным средством снижения дрейфа является применение дифференциальных усилителей.

Рис. 4.15 Схема дифференциального усилителя в ИМС К!УТ221

Пример дифференциального усилительного каскада (интегральная микросхема К1УТ221) с двумя источниками питания показан на рисунке 4.15.

Каскад представляет собой сбалансированный мост, верхние плечи которого образуют резисторы R_к1 иR_к2, а нижние – транзисторы VТ1 и VТ2. Рабочая точка транзисторов обеспечивается источником питания Е_к2, благодаря которому на

эмиттеры транзисторов подан минус, т. е. на базы подан плюс. Транзистор VТ3, резисторы R1, R2, R3 и транзистор VТ4 в данном включении образуют источник стабильного тока

. В подобных схемах часто один вход заземляют, а входной сигнал подают на другой вход. Если подать, например, на вход VТ1 положительный сигнал, VТ1 откроется, его ток эмиттера увеличится, а, поскольку общий ток эмиттеров I_э=const, ток транзистора VТ2 I_э2 уменьшится на ту же величину. Таким образом, коэффициент усиления по напряжению дифференциального каскада будет такой же, как у одного транзистора.

Дифференциальный усилитель имеет широкое распространение, так как является главной составной частью операционных усилителей.

Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) – это высококачественный усилитель постоянного тока (УПТ) работающий в режиме глубокой отрицательной обратной связи (ООС) и предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами.

Это наиболее распространенная аналоговая интегральная микросхема (ИМС). В ОУ сосредоточены основные достоинства усилительных схем. Идеальный операционный усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению ( ), большое входное сопротивление (10⁵ Ом), малое выходное сопротивление (десятки Ом), минимальный дрейф нуля, усиливает сигналы в широком спектре частот: от нуля до десятков мегагерц. Схемные обозначения ОУ приведены на рис. 4.16 а,б.

ОУ имеет два входа: вход 1 называют инвертирующим, вход 2 – неинвертирующим. Выходное напряжение связано с входными напряжениями и соотношением

.

Из (4.1) следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на оба входа (синфазный входной сигнал).

В качестве источника питания ОУ используют двуполярный источник напряжения ( ). Средний вывод этого источника, как правило, является общей шиной для входных и выходных сигналов. Применение двух источников питания при подключении нагрузки к их общей точке позволяет формировать на выходе двуполярное напряжение. Следовательно, передаточная характеристика усилителя расположена в двух квадрантах. На рис. 4.17 а,б приведены передаточные характеристики идеального ОУ соответственно для неинвертирующего (рис. 4,17 а) и инвертирующего (рис. 4.17, б) входов. У реальных ОУ они могут быть смещены (см. пунктирную линию 1 на рис 4.17 а,б) на величину , называемую напряжением смещения.

	Рис. 4.17 Передаточные характеристики ОУ по неинвертирующему а) и инвертирующему б) входам

На рис. 4.18. приведена функциональная схема ОУ. Входным каскадом любого ОУ является симметричный дифференциальный усилительный каскад, определяющий разность напряжения между двумя входами и усиливающий её. Основное назначение входного дифференциального усилительного каскада – максимальное снижение дрейфа нуля, вызываемого нестабильностью источника питания, изменением температуры и другими факторами окружающей среды, а так же он служит для получения максимально высокого входного сопротивления и достаточно высокого усиления. Дифференциальные каскады строятся как на биполярных, так и на полевых транзисторах. Для повышения входного сопротивления биполярные транзисторы включают составными, позволяющими получить высокие коэффициенты усиления по току. Каскады на

полевых транзисторах обладают очень высоким входным сопротивлением, но имеют сравнительно большие напряжение смещения нуля и его температурный дрейф.

Выходным каскадом ОУ обычно является эмиттерный повторитель (ОК), обеспечивающий его требуемую нагрузочную способность . Высокий коэффициент усиления ОУ по напряжению достигается благодаря двум-трем ступеням усиления, включенным между входным и выходным каскадами и реализуемым, как правило, на несимметричных дифференциальных усилительных каскадах (НДУ). Помимо этого ОУ содержит элементы и целые каскады, служащие для создания источников стабильного тока; сдвига уровней напряжения в тракте усиления; создания ООС по синфазным ошибкам усиления и др.

Несмотря на то, что ОУ концентрирует в себе лучшие свойства усилителей, непосредственно в качестве усилителя ОУ без обратных связей не используется, что обусловлено двумя причинами.

1. Линейный участок передаточной характеристики (рис. 4.17), называемый областью усиления, ограничен малыми входными напряжениями.

2. Собственный коэффициент усиления по напряжению имеет большой разброс.

Поэтому основное применение имеют ОУ с ООС. Если входное напряжение подается на неинвертирующий вход , а ООС подается на инвертирующий вход , то имеем неинвертирующий масштабный ОУ с ООС по напряжению. Коэффициент усиления с ООС , равный

,

уменьшается ( ), он стабилизирован, линейный участок характеристики увеличивается, возрастает, уменьшается.

Наибольшее практическое применение имеют инвертирующие ОУ с параллельной ООС по напряжению

(рис. 4.19).

На базе таких ОУ создаются схемы, предназначенные для выполнения различных математических операций над входными сигналами. Такие схемы находят широкое применение в устройствах автоматического управления.

Для инвертирующего усилителя на ОУ с параллельной ООС по напряжению (рис. 4.19.) имеем

(4.1)

и для узла «а» на основании первого закона Кирхгофа можно записать

, (4.2)

так как . Тогда или

. (4.3)

При выборе ОУ с большим коэффициентом усиления ( ) слагаемое

(4.4)

Тогда из (4.3) получим

,

или окончательно коэффициент передачи равен

. (4.5)

4.12 Операционные схемы

Операционнымназывают усилитель постоянного тока (УПТ), способный выполнять различные математические операции над аналоговыми величинами. ОУ обладает свойствами, близкими к свойствам идеального усилителя, а именно, коэффициент усиления по напряжению K_u®¥, входное сопротивление R_вх®¥, выходное сопротивление R_вых®0. Типовые операционные схемы строятся, как правило, на базе инвертирующего ОУ с параллельной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению.

Наиболее распространенными являются суммирующие, интегрирующие и дифференцирующие схемы на ОУ,.

Рассмотрим подробнее и выведем передаточный коэффициент для каждой из перечисленных операционных схем.

Суммирующий усилитель является разновидностью инвертирующего масштабного усилителя. Схема представлена на рис. 4.20.

	Рис.4.20. Схема сумматора на ОУ

На основании закона Кирхгофа для узла «a» можно записать

I₁+I₂+I₃+I_вх+I_ос= 0, (4.6)

так как R_вх®¥ и I_вх®¥, то

I₁+I₂+I₃+I_ос= 0, (4.7)

тогда можно записать

. (4.8)

Поскольку коэффициент усиления ОУ по напряжению K_u®¥, то

. (4.9)

Тогда из выражения (5.4) получаем

. (4.10)

При условии, что R₁=R₂=R₃=R, имеем

. (4.11)

Интегратор на ОУ на базе инвертирующего усилителя представлен на рис. 4.21.

	Рис. 4.21. Схема интегратора на ОУ

В цепь ООС включен конденсатор С, для которого

, (4.12)

так как R_вх®¥, ток

. (4.13)

На основании (4.9) напряжение U₁®0, поэтому U_вых= U_с. Учитывая (4.12) и (4.13), положим

(4.14)

Если подать на вход скачок напряжения постоянного тока, т.е. U_вх= const, то

, (4.15)

где t=RC. Графическая зависимость (4.15) представлена на рис. 4.22, где tga=1/t.

Рис. 4.21. Переходная характеристика интегратора на ОУ

Таким образом, если ОУ близок к идеальному усилителю, то схема интегрирует входной сигнал. Причем U_вых не зависит от K_u самого ОУ. В реальных схемах существует погрешность интегрирования, для ее уменьшения вводится корректирующий резистор R_кор, показанный на рис. 4.21 пунктиром.

Амплитудно-частотная характеристика идеального интегратора в логарифмическом масштабе частот (ЛАЧХ) показана на рис. 4.22.

	Рис. 4.22 ЛАЧХ идеального интегратора

Дифференциатор – это устройство, выходной сигнал которого пропорционален скорости изменения его входного сигнала, реализуется также на базе ОУ. Схеме дифференциатора на ОУ представлена на рис. 4.23.

Если допустить, что ОУ по своим свойствам близок к идеальному, то с учетом (4.9), можно считать, что входное напряжение полностью приложено к конденсатору C и вызывает появление тока заряда

. (4.16)

Так как R_вх®¥, то весь ток конденсатора C протекает через R, т.е. I_c+I_R=0, откуда

. (4.17)

Выходной сигнал U_вых определяется падением напряжения на резисторе R, т.е. U_вых=I_RR, отсюда с учетом (5.12) получаем

, (4.18)

где T постоянная времени разряда конденсатора.

На рис. 4.24 показана ЛАЧХ идеального дифференциатора.

	Рис. 4.24. ЛАЧХ идеального дифференциатора

На практике схема (рис. 4.23) имеет ограниченное применение, так как достаточно неустойчива и может легко возбуждаться. Практическое применение имеет схема, представленная на рис. 4.25, которая дифференцирует в диапазоне частот от w=0 до ω=1/R₁C₁ и интегрирует на частотах

1/R₂ C₂ .

Рис. 4.25. Схема интегро-дифференцирующего элемента на ОУ

Контрольные вопросы

1. В чем состоит эффект усиления?

2. Что такое коэффициенты усиления по мощности, напряжению, току ?

3. Чем отличаются частотные характеристики усилителя напряжения низкой частоты и усилителя постоянного тока?

4. Какова специфика выходных каскадов усиления ?

5. Каковы свойства идеального операционного усилителя? Чем обусловлена необходимость обеспечения каждого из этих свойств?

. Вывод. Рассматривается принцип действия, основные характеристики и назначение элементов промежуточных УНЧ на биполярных и плевых транзисторах. Приводятся схемы выходных усилительных каскадов на примере одно – и двухтактных усилителей мощности. Значительное внимание уделяется усилителям постоянного тока и особенно ОУ как базовой структуре аналоговой ИМС, приведены основные операционные схемы на его основе.

ГЕНЕРАТОРНЫЕ УСТРЙСТВА

Генератором электрических колебаний называется устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию электрических колебаний заданной формы и частоты.

В зависимости от формы выходного напряжения генераторы делятся на генераторы гармонических (синусоидальных) и генераторы негармонических колебаний (релаксационные генераторы).

В зависимости от способа управления режимом работы различают генераторы с независимым возбуждением, режимом работы которых управляют от внешнего источника , (внешнее управление) и генераторы с самовозбуждением (внутренним управлением) – автогенераторы. Переменное напряжение на выходе автогенератора формируется сразу после подключения напряжения питания и не требует для начала работы подачи внешнего управляющего воздействия. В работе исследуются LC - и RC – автогенераторов гармонических колебаний.

Гармонические колебания в генераторах поддерживаются резонансными колебательными LC – контурами, либо другими резонирующими элементами (кварцы, объемные резонаторы и т.д.) или с помощью фазирующих RC – цепочек, включенных в цепь обратной связи усилителей. Первые называют LC - автогенераторы, вторые - RC – автогенераторы.