Усилители постоянного тока

Для усиления сигналов очень низких частот (порядка долей герц) требуются усилители, которые усиливают напряжения всех частот, включая самые низкие. Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени. Они имеют равномерную АЧХ до самых низких частот (рис.17.4). В УПТ не могут использоваться конденсаторы и трансформаторы для связи между каскадами и связи источника сигнала со входом УПТ, так как при частоте f = 0 коэффициент усиления K_U = 0. В УПТ используется непосредственная связь (гальваническая) с помощью резисторов. Отсутствие разделительных конденсаторов или трансформаторов приводит к тому, что любое изменение постоянных составляющих тока или напряжения в предыдущих каскадах усиливается последующими, и выходное напряжение определяется не только полезным сигналом, но и ложными, создаваемыми за счет изменения параметров транзисторов каскада.

Рис.17.4. АЧХ усилителей постоянного тока

Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при неизменном U_вхназывают дрейфом усилителя. Его причины: нестабильность напряжения питания; температурная и временная нестабильность параметров транзисторов и резисторов. Напряжение дрейфа определяют при закороченном входе усилителя по приращению U_вых.

Качество УПТ оценивают по напряжению дрейфа, приведенному ко входу УПТ.

U_др = U_вых/K_u

При U_вых = 0 – дрейф нуля, приведенный ко входу УПТ. Снижение дрейфа – главная задача при проектировании УПТ. Для снижения дрейфа используют различные схемо-технические решения: параллельно-балансные каскады, введение токовой стабилизации, схемы со взаимной компенсацией .

Балансный усилительный каскад

(дифференициальный каскад)

Построен по принципу четырехплечевого моста (в случае изменения напряжения питания, а также при пропорциональном изменении сопротивлений плеч моста баланс не нарушается). Параллельно-балансный каскад представляет собой мост с двумя линейными резисторами R_K1, R_K2 и двумя нелинейными транзисторами (VT1,VT2). В одну диагональ через резистор R₀ подводится напряжение питания, а в другую (измерительную) включается нагрузка, то есть снимается U_вых (рис.17.5). При одинаковых транзисторах VT1, VT2 и резисторах R_K1, R_K2, если U_вх1 = 0, U_вх2 = 0, то U_вых = 0, так как

U_вых. = K_u(U_вх1– U_вх2)

Дрейф каскада, равный разности абсолютных значений дрейфа в каждом плече, снижается в 20-100 раз в сравнении с одиночным каскадом. Величина R_П применяется для балансировки каскада (для установки нуля); R₀стабилизирует ток транзисторов, подобно звену R_э−С_э. Берут E₁ = E₂ = E_K/2. Если изменится Е₁, Е₂, то изменяются токи в обоих транзисторах, а U_вых = 0.

Рис.17.5. Дифференциальный каскад УПТ

Операцинные усилители

Операционные усилители (ОУ) являются разновид-ностью УПТ. ОУ имеют большой коэффициент усиления K_U = 5 × 10³−5× 10⁶ и высокое входное сопротивление R_вх = 20 × 10³−10 МОм. Современные ОУ выполняются в интегральном исполнении, содержат несколько десят-ков транзисторов, выполняются двух- или техкаскадными (рис.17.6). Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, который является входным каскадом.

Рис.17.6. Структурные схемы ОУ

Название ОУ связано с первоначальным применением для различных операций над аналоговыми величинами (сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование). В настоящее время применяются как многоцелевые элементы в усилительной технике, устройствах генерации сигналов, в стабилизаторах напряжения, активных фильтрах и т. д. ОУ имеет дифференциальный вход (два входных вывода) и общий выход.

Условное обозначение ОУ:

U_вх.н – неинвертирующий вход, при подаче на него U_вх прираще-ние выходного сигнала совпадает по фазе (знаку) с приращением U_вх; U_вх.и – инвертирующий вход, для которого приращение U_вых в проти-вофазе с приращением U_вх. Его используют для ведения отрицатель-ной обратной связи. Важнейшей характеристикой ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики U_вых (U_вх) (рис.17.7). Горизантальные участки соотвествуют полностью открытому или закрытому транзистору выходного каскада. Рабочим участком для усилителей является линейный. Состояние, когда U_вх= 0 и U_вых= 0 называется балансом ОУ. Из-за разброса параметров входного дифференциального каскада возможен разбаланс, когда при U_вх = 0 U_вых ¹ 0 (штриховая линия). Величина U_см.0 – напряжение смещения нуля.

Рис.17.7. Амплитудные характеристики ОУ