Лекция 7. Усилители постоянного тока.

Рассматриваемые вопросы:

Дифференциальный каскад. Основное отличительное свойство дифференциального каскада, усиление дифференциального и подавление синфазного сигналов.

Основная литература:

1. Ф.И.Вайсбурд, Г.А.Панаев, Б.Н.Савельев. Электроные приборы и усилители. Изд.3-е, стереотипное. – М.: КомКнига, 2005. – 472 с.

2. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и МПТ: Учебник для вузов - М.: Высш. шк., 2005. - 799 с.

Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель может исполь­зоваться и для усиления переменных сигналов.

Для того чтобы постоянные или медленно изменяю­щиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на его выход, должны использоваться только гальванические связи между отдельными частями усилителя или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные. По­лученные переменные сигналы могут быть усилены с по­мощью усилителей переменного тока, в которых гальва­нические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов. После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся.

При построении УПТ с использованием гальваничес­кой связи между каскадами получают УПТ, которому присуще такое вредное явление, как дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроиз-вольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом вход­ном. Основными причинами дрейфа нуля усилителя яв­ляются: изменение параметров элементов схемы, прежде всего транзисторов, за счет изменения температуры окру­жающей среды; изменение питающих напряжений; посто­янное изменение параметров активных и пассивных эле­ментов схемы, вызванное их старением. Сигнал дрейфа нуля может быть соизмерим с полезным сигналом, поэто­му при построении УПТ принимают меры по снижению дрейфа нуля. Основными мерами снижения дрейфа явля­ются жесткая стабилизация источников питания усилите­лей, использование отрицательных обратных связей, при­менение балансных компенсационных схем УПТ, использование элементов с нелинейной зависимостью па­раметров от температуры для компенсации температурно­го дрейфа, применение УПТ с промежуточным преобра­зованием и др.

Важным вопросом при построении УПТ является так­же согласование потенциалов соседних каскадов, согласо­вание источника входного сигнала с УПТ, а также подклю­чение нагрузки к УПТ таким образом, чтобы при нулевом входном напряжении напряжение на нагрузке было так­же равно нулю. Поэтому простейшие УПХ состоящие из нескольких каскадов, включенных последовательно и со­единенных гальванической (непосредственной) связью, даже при условии согласования потенциалов обладают рядом недостатков, главным из которых является дрейф нуля.

Схема дифференциального усилителя представляется в следующем виде

U_вых = К_д(е_вх1 – е_вх2) = К_де_д

Идеальный ДУ усиливает только разностный дифференциальный сигнал. Дифференциальный сигнал (вход) е_д– это сигнал между входами 1 и 2, где К_д – дифференциальный коэффициент усиления.

U_вых = К_с*е_с = 0, К_с = 0.

Идеальный ДУ не усиливает синфазный сигнал.

Синфазный сигнал: е_с = ½(е_вх1 + е_вх2) – общий сигнал относительно земли

Реальный ДУ: U_вых = К_се_с + К_де_д

К_осс = К_д/К_с

Степень идеальности ДУ определяется коэффициентом ослабления синфазного сигнала. К_осс^дб ~ 60 дб (простые усилители); К_осс^дб ~ 120 дб (хорошие усилители).

Рисунок 3.7.1. Дифференциальный усилитель на БТ

Согласно рис. 3.7.1 транзисторы VT₁ º VT₂ и находится в одинаковых условиях, а это достигается при интегральном изготовлении таких транзисторов (расположены вплотную и имеют одинаковые размеры), тогда коэффициенты передачи b₁ = b₂

Если R_k1 =R_k2 , то i_э1 = i_э2 и если U_вх1 = U_вх2, то i_к1 = i_к2, тогда:

U_вых = U_k1 – U_k2 = i_k1*R_k1 – i_k2*R_k2 = 0

При дрейфе, если Di_k1 = Di_k2, то DU_вых = 0

При согласованных транзисторах, несмотря на то, что каждый из них в отдельности изменяет свой режим работы, как при изменении питания, так и при изменении температуры, а разница выходных сигналов транзисторов VT₁ и VT₂ остается постоянной, т. е. дрейфы транзисторов вычитаются. Это и есть основное свойство ДУ, которое используется при построении УПТ.

В усилителях постоянного тока в качестве входного каскада используют ДУ, как на БТ, так и на ПТ. В реальных схемах не удается достичь точного согласования характеристик транзистора, т. е. простой ДУ все равно имеет какой-то дрейф. Для уменьшения этого дрейфа современные ДУ 4-го поколения содержат 10-15 транзисторов.