Особенности усилителей постоянного тока

Основная особенность усилителей постоянного тока (УПТ) по сравнению с рассмотренными усилителями переменного тока состоит в том, что нижняя граница их полосы пропускания соответствует частоте fн = 0, на которой коэффициент усиления отличен от нуля. УПТ широко используют для усиления постоянных по уровню или сколь угодно медленно изменяющихся электрических сигналов, например: в операционных усилителях, преобразователях напряжения в цифровой код, в различных измерительных устройствах.

Очевидно, при построении многокаскадных УПТ емкостная или трансформаторная связь не может быть использована. Поэтому для соединения отдельных каскадов усиления применяют только гальваническую связь, что предопределило другое их название – усилители с непосредственной связью. При этом выход предыдущего каскада усиления омически связан со входом последующего каскада. Однако отсутствие в цепях связи реактивных элементов приводит к тому, что через усилитель одновременно могут проходить полезный усиливаемый сигнал и сигнал помехи, обусловленный изменением исходного состояния каскада усиления (Uок, Iок) под воздействием различных дестабилизирующих факторов, например изменений напряжения источника питания, температуры и другие. При этом вся сложность заключается в том, что как полезный сигнал, так и сигнал помехи могут иметь одинаковый или близкий характер изменения во времени. Так как на выходе усилителя такие сигналы складываются и различить их невозможно, то это создает ложное представление об истинном значении усиленного полезного сигнала. Таким образом, на выходе усилителя возникают изменения усиленного сигнала, не связанные с изменениями входного сигнала, а обусловленные внутренними процессами в усилителе. Эти изменения называют дрейфом нуля УПТ.

Дрейф оценивают изменением уровня выходного напряжения дрейфа от минимального до максимального Uдрmax – Uдрmin при входном сигнале Uвх = 0. Для качественной оценки различных УПТ по значению дрейфа пользуются понятием дрейфа нуля, приведенного ко входу усилителя:

d = (Uдрmax – Uдрmin)/KU.

Для уменьшения дрейфа нуля стабилизируют источники питания УПТ, вводят отрицательную обратную связь, а также применяют специальные балансные схемы УПТ.

УПТ подразделяются на однотактные и двухтактные. Последние называют балансными (мостовыми) УПТ.

Дифференциальный УПТ

Дифференциальный усилитель (ДУ), являющийся основой линейных интегральных микросхем, представляет собой балансный УПТ. На рис. 4.17,а показана типичная простейшая схема ДУ.

Рис.4.17 Дифференциальный УПТ

УПТ параллельного баланса выполнен в виде моста, двумя плечами которого являются внутренние сопротивления транзисторов Т1 и Т2, а двумя другими - резисторы Rк1 и Rк2. К одной диагонали моста подключено напряжение источника питания Ек, а к другой - внешняя нагрузка Rн.

Усилитель имеет два входа и два выхода.

При симметричных плечах схемы (транзисторы идентичны, а Rk1 = Rk2 = Rk) и отсутствии входных сигналов ДУ сбалансирован и напряжение между коллекторами (Uвых) равно нулю. Поскольку ток I0 делится пополам между плечами, потенциалы коллекторов обоих транзисторов одинаковы: Uко = Uвых1 = Uвых2 = Ек - (I0Rк)/2 (рис.4.17, б).

В частном случае напряжение входного сигнала может быть подано лишь на один вход (Евх1 = 0 или Евх2 = 0). Напряжение выходного сигнала снимается либо между коллекторами транзисторов (симметричный выход), либо с коллектора одного из транзисторов относительно общего провода (несимметричный выход).

Сопротивление резистора Rэ должно значительно превышать внутреннее сопротивление усилителя со стороны его выхода с тем, чтобы I0 = (Е - Uбэ)/Rэ не зависел от напряжения на входе ДУ и сохранял постоянное значение даже при наличии короткого замыкания в цепи нагрузки источника этого тока.

Параметры ДУ существенно зависят от тока I0.С этой целью вместо резистора Rэ включают так называемый генератор стабильного тока (см. ниже).

Важнейшей особенностью ДУ является способность высокого усиления разностного сигнала Евх1 - Евх2 (когда входные сигналы переменного тока противофазны или разнополярны в случае сигналов постоянного тока) и значительного ослабления суммарного (синфазного) входного сигнала:

Евх1 = Евх2.

Последним чаще всего является импульсный сигнал помехи.

Если в момент времени t1 на вход транзистора T1 поступил положительный сигнал при Евх2 = 0, то на выходе левого плеча схемы, представляющего собой усилительный каскад ОЭ, появится усиленный сигнал Uвых1 противоположной полярности (инвертированный сигнал, как в схеме ОЭ). Одновременно на эмиттерном резисторе

R`э = RэRвх об/(Rэ + Rвх об),

где Rвх об – входное сопротивление транзистора Т2 по эмиттерному входу, появится положительный импульс Uэ, равный по амплитуде входному импульсу Евх1 > 0. Этот импульс поступает на эмиттер транзистора Т2 вызывая появление на коллекторе усиленного импульса также положительной полярности (сдвиг по фазе отсутствует, как в схеме ОБ) с амплитудой Uвых2 ≈ Uвых1. Следовательно, выходной сигнал с напряжением Uвхы2 не инвертирован по отношению к входному сигналу.

При увеличении амплитуды входного сигнала Евх1 ток транзистора Т1 увеличивается, а напряжение на его коллекторе Uвых1 снижается и, наоборот, ток транзистора Т2 уменьшается, что сопровождается ростом напряжения Uвых2 [(участок t1 – t2 на потенциальной диаграмме сигналов (рис.4.17,б)]. В момент времени t2 ток транзистора Т1 достигает максимально возможного значения I0, а ток транзистора T2 равен нулю. При этом разность выходных сигналов Uвых2 - Uвых1 = I0Rk. Описанный процесс справедлив, если между входами прикладывается разностный (разнополярный) входной сигнал, называемый дифференциальным.

При наличии так называемого синфазного входного сигнала Eсф = Евх1 = Евх2 и в случае идеального источника тока (Rэ → ∞) реакция ДУ на выходе отсутствует. Поскольку в реальном ДУ резистор Rэ имеет конечное значение сопротивления, при воздействии синфазного сигнала на выходе усилителя появится небольшое напряжение разбаланса ΔЕсф, которое складывается с полезным сигналом, обусловливая сигнал ошибки. Поэтому ДУ будет тем качественней, чем меньший разностный входной сигнал может быть им различим на фоне большого синфазного сигнала, обычно вызванного влиянием дестабилизирующих факторов.

Если на вход ДУ поступает разностный сигнал Евх1 - Евх2 ≠ 0, то, взяв отношение разности сигналов на выходе Uвых2 - Uвых1 к разности сигналов на входе, получим дифференциальный коэффициент усиления:

Кд = (Uвхы2 - Uвхы1)/Евх.

При синфазном входном сигнале Евх1 = Евх2 = Есф, взяв отношение приращения выходного синфазного напряжения на любом выходе схемы ΔUвых.сф к Есф, получим коэффициент передачи синфазного напряжения, который характеризует степень ослабления синфазного сигнала:

Ксф = ΔUвых.сф/ Есф

В случае интегрального ДУ в качестве эмиттерной нагрузки (Rэ) источника генератор стабильного тока, имеющий значительное сопротивление переменной составляющей тока Iэ.

На рис.4.18 приведена полная принципиальная схема ДУ в интегральном исполнении(микросхема серии 1УТ221А-В.

Рис.4.18 Дифференциальный УПТ в интегральном исполнении

Верхняя часть схемы аналогична рассмотренной на рис. 4.17, а, поэтому к ней применимы все положения приведенного анализа. Генратор стабильного тока I0 реализован на транзисторе T3 в общей цепи эмиттеров транзисторов T1 и Т2. Резисторы R1, R2 и R3 обеспечивают требуемый режим работы транзистора Т3. Транзистор Т4 в диодном включении применяется для компенсации температурных изменений напряжения Uбэ транзистора Т3.