13. Усилители постоянного тока

При измерении некоторых физических величин (давление, температура и пр.) приходится обрабатывать медленно изменяющиеся электрические сигналы,

снимаемые с датчиков. Для обработки и усиления таких сигналов, как правило,

используют усилители постоянного тока. Усилителем постоянного тока (УПТ)

143

называются устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты. АЧХ усилителя постоянного тока приведена на рис. 1.11.

Основные параметры и характеристики УПТ.

Наряду с уже известными параметрами и характеристиками любого усилителя, такими как АЧХ, ФЧХ, переходная характеристика, коэффициент усиления и др. УПТ имеют два специфических параметра.

1) Напряжение дрейфа, приведенное по входу:

^Uвых Uвх 0	^Uдр.вх.	(13.1)
^K0

Здесь K₀– номинальный коэффициент усиления.

2. Напряжение смещения U_см : это такое напряжение, которое необходимо подать на вход УПТ, чтобы на его выходе получить напряжение, равное нулю.

^Uдр.вх ^Uсм

(13.2)

Как правило, в справочной литературе приводится модуль напряжения

смещения.

Классификация усилителей постоянного тока

1. УПТ с гальванической связью между каскадами. Напряжение смещения УПТ с гальванической связью составляет единицы вольт: U_см n 0,1 1 В.

Дифференциальные УПТ с гальванической связью между каскадами имеют напряжение смещение на порядок ниже: U_см n 10 100 мВ

2. УПТ с преобразованием сигнала (УПТ типа модулятор–демодулятор).

U_см n10 ⁶ 10 ⁹ В.

3. УПТ с коррекцией нулевого уровня (аналоговый или цифровой УПТ).

U_см n10 ⁶ 10 ⁹ В

144

4. Автогенераторные преобразователи. Такие УПТ преобразуют постоянное

напряжение в частоту, либо фазу с последующим усилением гармонического сигнала и обратным преобразованием. U_см n10 ⁸ 10 ¹¹ В

4. Параметрический УПТ. Такие усилители строятся на основе параметрических емкостей. Они являются самыми малошумящими

усилителями постоянного тока. U_см n10 ⁸ 10 ¹¹ В.

Основными причинами возникновения дрейфа нуля в УПТ являются:

1. Изменение напряжение питания.

2. Изменение температуры окружающей среды, в том числе и изменение температуры кристалла транзистора.

3. Старение активных элементов (транзисторов).

4. Старение пассивных элементов, что приводит к изменению рабочей точки.

13.1. Упт с гальванической связью между каскадами

Принципиальная схема усилителя постоянного тока с гальванической

связью между каскадами приведена на рис.13.1.

Eп

R1 Rк1 Rк2

Uвых

Uвх

R2 Rэ1 R_э2

Рис.13.1. Принципиальная схема УПТ с гальванической связью между каскадами

Из приведенной схемы видно, что рабочие точки всех каскадов такого усилителя оказываются связанными. Таким образом, на напряжение дрейфа оказывают влияние нестабильности рабочих точек всех каскадов.

145

Коэффициент усиления каждого из каскадов схемы рис.13.1 определяется выражением:

K		SRк	(13.3)
	1 SRэ

Пусть транзисторы VT1 и VT2 в приведенной схеме идентичны, тогда:

^Uк1 ^Uб1^; ^Uк1 ^Uб2

(13.4)

Напряжение на коллекторе первого транзистора равно напряжению на базе второго транзистора и больше напряжения на базе первого транзистора. Для сохранения положения рабочей точки на входных и выходных характеристиках транзистора следует увеличивать сопротивление в цепи эмиттера R_э .

Следовательно, у последующих каскадов коэффициент усиления уменьшается.

Таким образом, делать усилитель с большим числом каскадов оказывается нецелесообразным. Поскольку номинал сопротивление R_э возрастает, то часто вместо этого сопротивления включают стабилитрон.

• каскадах УПТ происходит повышение постоянного потенциала от его входа к выходу, что создает сложности обеспечения рабочей точки активного элемента. Поэтому приходится согласовывать сравнительно большой (по модулю) потенциал на выходе предыдущего каскада с малым потенциалом на входе последующего. Существуют четыре основных метода согласования каскадов:

0. с дополнительным источником напряжения в цепи межкаскадной связи;

0. со стабилитроном в цепи межкаскадной связи;

0. с делителем напряжения и дополнительным источником питания;

0. с каскадом сдвига уровня.

• реальных устройствах, как правило, используется чаще второй способ стабилизации рис.13.2.

146

Eп

R1 Rк1 Rк2

Uвых

Uвх

R2 R^э1 R_э2

Рис.13.2. Схема согласования со стабилитроном в цепи межкаскадной связи

Для обеспечения режима работы транзисторов также может быть

использована схема на транзисторах разного типа проводимости рис.13.3.

Eп

R1	Rк1	э	2	к
		R		R 3

Uвых

Uвх

^R2 Rэ1 Rк2 R_э3

Рис.13.3 Принципиальная схема УПТ с гальванической развязкой между каскадами на

транзисторах разного типа проводимости

2. Дифференциальные усилители постоянного тока

• настоящее время наибольшее распространение получили УПТ на основе дифференциальных каскадов. Такие усилители реализуются в виде монолитных ИМС и широко выпускаются промышленностью (КТ118УД, КР198УТ1 и др.).

Дифференциальный каскад представляет собой симметричный усилитель

параллельного баланса (рис.13.4).

147

		Eп
Rб	Rк1 Rк2	Rб
Uвх1	Uвых	вх
		U	2

VT1 _{a b}^Vt2

Rэ

Рис.13.4. Принципиальная схема дифференциального УПТ

Схема дифференциального усилителя УПТ состоит из двух каналов усиления. Выходное напряжение представляет собой разность выходных напряжений двух каналов усиления. Таким образом, при условии симметрии плеч усилителя удается уменьшить напряжение дрейфа УПТ. Пусть на усилитель действует некоторое дестабилизирующее воздействие

(непостоянство напряжение питания, изменение температуры окружающей среды и др.). В этом случае выходное напряжение на выходе каждого из каналов изменяется одинаково:

Uк1 U Uк2 U

(13.5)

Поскольку выходное напряжение равно разности выходных напряжений двух каналов, то при условии идентичности плеч имеем:

^Uвых ^Uк1 ^Uк2

(13.6)

Для дифференциального УПТ вводится понятие ослабления синфазных сигналов F_s . Чем больше коэффициент ослабления синфазных сигналов, тем меньше напряжение дрейфа. Для хорошей дифференциальной пары F_s 80дБ.

При общей эмиттерной нагрузке обоих активных элементов усиление увеличивается в два раза. Напряжение на общем сопротивлении в цепи эмиттера R_э , вызванное изменением входного напряжения на базе транзистора

VT1, оказывается противофазным для транзистора VT2.

148

Поскольку идентичность двух плеч усиления обеспечить сложно, то включают дополнительное подстроечное сопротивление в цепи эмиттера транзисторов (рис.13.5).

a	Rбал	b

Rэ

Eп

Рис.13.5 Схема включения подстроечного сопротивления R_бал

Дальнейшее уменьшение напряжение дрейфа требует применения специальных схем для стабилизации тока эмиттера транзисторов VT1 и VT2,

чем достигается стабильность рабочих точек транзисторов. В качестве таких схем используют генераторы стабильного тока (ГСТ), которые включают в эмиттерную цепь транзисторов. В качестве ГСТ часто используют схему

«токовое зеркало» (рис.13.6).

R3

J0

J1

R1 ^R2

Рис.13.6. Принципиальная схема токового зеркала

Требуется стабилизировать ток J₀ . Самым стабильным элементом является сопротивление. Класс точности этого элемента является достаточно высоким. На этом и основан принцип работы схемы токового зеркала.

149

Необходимым и достаточным условием работы схемы является большое значение крутизны транзистора:

S 200 300	мА	(13.7)
	В

При выполнении условия J_б J_к,J_э током базы можно пренебречь, по сравнению с токами коллектора и эмиттера транзистора, при этом:

Uбэ J0R1 Uд J1R2			(13.8)
Если допустить, что напряжения Uбэ и Uд одинаковы, то
J0 J1	^R2		(13.9)
	R
1

Таким образом, если J₁ стабилен, то будет стабилен и ток J₀ .

Вместо диода в схемах токового зеркала часто используют транзистор в диодном включении.