- •18.7. Питание усилителей. Подача смещения на вход активного элемента
- •18.8. Схемы стабилизации положения рабочей точки
- •18.9. Свойства активных элементов при различных способах включения
- •18.10. Многокаскадные усилители
- •18.11. Импульсные усилители
- •18.12. Усилители постоянного тока
- •18.13. Дифференциальные усилители
- •18.14. Операционные усилители
- •Контрольные вопросы
18.12. Усилители постоянного тока
Усилителями постоянного тока (УПТ) называют такие приборы, которые могут усиливать медленно изменяющиеся электрические сигналы, т. е. они способны усиливать не только переменные, но и постоянные составляющие напряжения и тока. Низшая рабочая частота таких усилителей нулевая, а верхняя может быть любой, вплоть до очень высокой (несколько мегагерц).
Усилители постоянного тока — наиболее распространенный тип усилительных устройств в вычислительной технике. Они имеют много разновидностей (дифференциальные, операционные, усилители с преобразованием сигнала и др.).
Амплитудно-частотная характеристика УПТ равномерна (рис. 18.23). Исходя из назначения УПТ связь между каскадами должна осуществляться таким образом, чтобы обеспечивалось прохождение постоянной составляющей, поэтому для межкаскадной связи нельзя использовать конденсаторы и трансформаторы. Усилители не должны содержать также блокировочных и разделительных конденсаторов. Связь между каскадами осуществляется или через резисторы, или непосредственно с помощью соединительных проводников (гальваническая межкаскадная связь).
ВУПТ необходимо обеспечить условие, чтобы в отсутствие входного сигнала на выходе отсутствовали как переменная, так и постоянная составляющие сигнала, иначе нарушится пропорциональность между входным и выходным напряжениями. Однако, если не будут приняты соответствующие меры, это требование в УПТ не будет соблюдаться. Отклонение напряжения на выходе усилителя от начального (нулевого) значения в отсутствие сигнала называетсядрейфом усилителя. Основными причинами дрейфа являются температурная и временная нестабильность параметров усилительных элементов, резисторов и источников питания, а также низкочастотные шумы и помехи. Дрейф нуля искажает усиливаемые сигналы, может нарушить работу цепи на- столько, что она будет неработоспособна.
Для компенсации дрейфа нуля, возникающего за счет изменения температуры, применяют специальные термокомпенсационные схемы, а на входе усилителя — дифференциальные каскады. Иногда усилитель предварительно прогревают, чтобы все его элементы к началу работы имели постоянную температуру, реже — термостатируют. Для исключения дрейфа, являющегося следствием нестабильности источников питания, последние стабилизируют с помощью электронных, магнитных и других стабилизаторов. УПТ не содержат элементов, которые не поддаются микроминиатюризации, поэтому в основном выполняются в виде гибридных и полупроводниковых интегральных микросхем. Усилители могут быть однотактными и двухтактными (дифференциальными). В настоящее время усилители постоянного тока выполняют по дифференциальной схеме.
18.13. Дифференциальные усилители
По структуре дифференциальные усилители (ДУ) являются усилителями постоянного тока. В микроэлектронике они являются одним из универсальных элементов линейных интегральных микросхем. Другое название их — параллельно-балансные каскады. Их используют с целью обеспечения значительного снижения дрейфа нуля в усилителях постоянного тока.
Принцип работы балансной схемы можно пояснить на примере четырехплечего моста, показанного на рис. 18.24. Если выполняется условие т. е. мост сбалансирован, то в нагрузочном сопротивленииRн ток равен нулю. Баланс не нарушится и в том случае, если будут изменяться напряжениеи сопротивления резисторов плеч моста, но при условии, что соотношение между сопротивлениями резисторов сохраняется.
На рис. 18.25 представлена схема простейшего дифференциального каскада. Нетрудно убедиться, что она аналогична схеме рис. 18.24, если резисторы R2 и R3 заменить транзисторами T1 и Т2 и считать, что Rl = RK1, а R4 = RК2. Сопротивления резисторов RKl и RK2 выбирают равными, а транзисторы Т1 и Т2 - с идентичными характеристиками. В этом случае схема симметрична.
Как и в случае четырехплечего моста (см. рис. 18.24), в отсутствие сигнала напряжение на выходе UBЫХl2 равно нулю, так как токи и потенциалы коллекторов транзисторов Т1 и Т2 равны. Поскольку схема симметрична, всякое изменение характеристик транзисторов (за счет изменения температуры или из-за старения) вызовет одинаковое изменение токов в обоих плечах, поэтому разбаланса схемы не произойдет и дрейф выходного напряжения будет практически равен нулю.
Рассмотрим, как изменится состояние цепи при подаче на входы 1 и 2 сигналов: равных по значению и однофазных (синфазных); равных по значению, но с противоположными фазами (дифференциальных).
На вход ДУ поданы синфазные сигналы. Потенциалы баз транзисторов T1 и Т2 изменятся на На это же значение изменятся потенциалы эмиттеров. Ток через резистор RЭ поровну распределится между плечами ДУ, и потенциалы коллекторов изменятся на одно и то же значение. Напряжение на выходе будет равно нулюТаким образом, идеально симметричный ДУ не пропускает на выход синфазный сигнал.
На вход ДУ поданы дифференциальные сигналыВходное напряжение между точками 1 и 2 будет равно разности этих сигналовПоскольку схема симметрична, часть напряжения, равнаяприложится к эмиттерному переходу одного транзистора (со знаком плюс), а другая часть — к эмиттерному переходу другого транзистора (со знаком минус). Потенциал эмиттера одного транзистора увеличится, а другого уменьшится насоответственно, приращения токов в плечах схемы будут одинаковы, но иметь разные знаки. Потенциал коллектора одного транзистора увеличится, а другого уменьшится на одно и то же значение. На выходе схемы между точками а и б появится разность потенциалов, а следовательно, выходное напряжение
Таким образом, дифференциальный сигнал, поданный на вход ДУ, вызывает появление усиленного сигнала на выходе. Поскольку рассмотренный тип усилителей реагирует только на дифференциальный сигнал, его называют дифференциальным усилителем.
В идеальных ДУ за счет подавления синфазного сигнала дрейфа нуля не существует, так как напряжение дрейфа обоих плеч является синфазным сигналом для симметричных цепей ДУ. Помехи и наводки, действующие одновременно на оба входа, часто являются синфазными составляющими входного сигнала, но, поскольку абсолютная симметрия плеч ДУ практически невозможна, полностью подавить синфазную составляющую входного сигнала не удается; в реальных ДУ дрейф нуля существует, но он очень незначителен по сравнению с дифференциальным (полезным) сигналом.
Коэффициент усиления дифференциального сигнала при идеальной симметрии схемы, когда отсутствует синфазная составляющая входного сигнала,
(18.30)
где выходное напряжение
В реальном ДУ в присутствии синфазной составляющей сигнала
(18.31)
где
- коэффициент усиления синфазного сигнала, когда дифференциальный сигнал отсутствует.
Качество дифференциального усилителя оценивают коэффициентом подавления синфазного сигнала
(18.32)
ДУ считается хорошим, если
Отметим, что, поскольку в основе работы ДУ лежит идеальная симметричность его плеч, а выполнить это практически возможно только при микроэлектронном исполнении, наиболее широко ДУ используются в интегральных микросхемах. В ИМС элементы расположены настолько близко (на расстоянии нескольких десятков микрометров), что обеспечивается идентичность параметров элементов схемы.