Усилитель постоянного тока. Для многих практических задач необходимо усиливать медленно изменяющиеся во времени электрические сигналы

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 УПТрис. 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.