Усилитель постоянного тока

Для многих практических задач необходимо усиливать медленно изменяющиеся во времени электрические сигналы, являющиеся сигналами низкой частоты (в автоматике, системах управления и слежения за целью, контрольно-измерительной технике).

Рис. 2.16. АЧХ училителя постоянного тока	Рис. 2.17. Дрейф нуля УПТ

В этом случае усилитель, получивший название усилитель постоянного тока (УПТ), должен обладать АЧХ, неимеющей спада коэффициента усиления на низких частотах (см. рис 2.16). Такой усилитель не должен содержать в конструкции емкостей, которые представляют большие сопротивления для низкочастотного сигнала ().

Как и в усилителях с резистивно-емкостной связью между каскадами, характеристики усилителей постоянного тока должны отвечать ряду требований:

1. в отсутствие входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал;

2. при изменении знака входного сигнала должен изменять знак и выходной сигнал;

3. напряжение на нагрузочном устройстве должно быть пропорционально входному напряжению.

Второе и третье требования в УПТ, так же как и в других усилителях, выполняются при работе усилителя в линейном режиме А. Для выполнения первого условия необходимо отделить полезный выходной сигнал от постоянных составляющих тока и напряжения транзистора.

Первое условие выполнить сложнее, т. к. отсутствие емкостей приводит к возникновению проблемы дрейфа нуля УПТ рис. 2.17 (изменение выходного напряжения усилителя U_д.вых при отсутствии изменения полезного входного напряжения), вызванного воздействием на УПТ дестабилизирующих факторов, таких как изменение температуры, старение элементов, нестабильность источника питания, электромагнитные помехи и т. д. УПТ может усиливать входные сигналы U_вх, превышающие напряжение дрейфа усилителя, приведенного ко входу , где K – коэффициент усиления усилителя.

Наиболее часто используется дифференциальная балансная схема УПТ (рис.2.18а). Она представляет собой два параллельно соединенных УОЭ с общим сопротивлением R_э в эмиттерной цепи транзисторов Т₁ и Т_2. Назначение всех элементов то же, что и в УОЭ.

а б

Рис. 2.18. Дифференциальная схема УПТ (а) и мост сопротивлений (б)

Принцип работы дифференциального УПТ основан на использовании свойств четырехплечного моста сопротивлений (рис.2.18б). Мост будет сбалансирован, т. е. ток и напряжение нагрузочного устройства R_Н будут равны нулю I_Н = I_ВЫХ = 0, U_Н = U_ВЫХ = 0, когда выполняется условие R_К1R_T2=R_К2R_T1, где R_T1 и R_T2 эквивалентные сопротивления транзисторов Т₁ и Т₂. Резисторы R_К1 и R_К2 выбирают равными, а транзисторы Т₁ и Т₂ – идентичными. Следовательно, при U_ВХ1 = U_ВХ2 = 0 УПТ будет сбалансирован и U_ВЫХ = 0. При изменении дестабилизирующего фактора, например, температуры окружающей среды, транзисторы одинаково изменят свои характеристики DR_Т1=DR_T2 и баланс моста УПТ не нарушается, т.к. R_К1(R_T2+DR_T2)=R_К2(R_Т1+DR_Т1). На практике уменьшение дрейфа нуля дифференциального УПТ удается достичь на 2-3 порядка, по сравнению с другими схемами УПТ, и составляет .

Использование в схемах дифференциальных УПТ двух источников питания –Е_к и Е_э позволяет в режиме покоя настроить транзисторы так, что U_бэоТ1=U_бэоТ2=0 без дополнительных резисторов (отсутствуют R_б см. УОЭ), и обеспечивает возможность подключения источников входного сигнала в режиме покоя без изменения режима работы УПТ.

В динамическом режиме входные сигналы УПТ подаются на базы транзисторов (см.рис.2.18а). Выходной сигнал снимается с R_Н и равен

U_вых=К(U_ВХ1-U_ВХ2), где К – коэффициент усиления одного УОЭ, входящего в состав УПТ. Пусть на входе Т₁ увеличилось напряжение DU_ВХ1, а U_ВХ2=0. Изменение электрических характеристик в схеме отражается диаграммой ΔU_ВХ1↑→U_бэТ1↑→I_КТ1↑→U_кэТ1↓→U_Rэ↑→R_кТ2↑→U_кэТ2↑→U_ВЫХ↑, из которой следует, что увеличение входного сигнала приводит к увеличению выходного. Поэтому вход транзистора Т₁ называется неинвертирующий (не меняет фазу сигнала) и обозначается на схеме рис.2.18а знаком «+». Аналогично можно показать, что увеличение DU_вх2 приводит к уменьшению U_ВЫХ, поэтому вход Т₂ называется инвертирующий (меняет на 180° фазу входного сигнала) и обозначается на схеме рис.2.18а знаком «-».

Многие усилители такого типа выполнены в виде микросхем, поскольку схемы содержат несколько усилительных элементов и резисторы, что сравнительно легко реализуется в технологическом цикле изготовления микросхем.

Изображаются микросхемы следующим образом:

На рисунке 19 номера выводов соответствуют: 7 и 1 – питание (их часто не показывают на схемах), 4 – земля, 5 – выход, 9 – инвертируемый вход (-), 10 – не инвертирующий вход(+). Остальные выводы служат для контроля характеристик микросхем в процессе их изготовления и при работе обычно не используются.

Основные параметры микросхемы, например, типа К140УД2:

R_вх = 1МОм; R_вых =300 Ом; Кu _хх =35000-70000 полоса пропускания АЧХ до 10⁷ Гц.

Имеются также другие электрические характеристики, а также предельные эксплутационные параметры схемы, приводимые в справочниках по аналоговым микросхемам.

Этот усилитель характеризуется большим значением коэффициента усиления, однако нестабилен в работе.

а б

Рис. 2.19. Условное обозначение микросхемы: а или б

Такие микросхемы с двумя входами и одним выходом и большим коэффициентом усиления на основе усилителей постоянного тока называются операционными усилителями.

Они являются основой целого ряда различных устройств, на их основе можно построить: масштабный усилитель, интегрирующий усилитель, дифференцирующий усилитель, различные типы фильтров и т.д.