2.7.Усилители постоянного тока (упт)

УПТ предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, то есть сигналов, частота которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать следующей АЧХ (рисунок 2.13).

Рисунок 2.13

Для передачи медленно изменяющегося сигнала по тракту усиления необходимы непосредственная, по постоянному току, связь источника входного сигнала с входной цепью усилителя и аналогичная связь между усилительными каскадами (рисунок 2.14).

Рисунок 2.14

Таким образом, в УПТ отсутствуют элементы, предназначенные для отделения усилительных каскадов по постоянному току. Поэтому выходное напряжение определяется в УПТ не только усиленным полезным сигналом, но и ложным сигналом, создаваемым за счёт изменения во времени параметров режимов по постоянному току в первых каскадах, поскольку эти изменения усиливаются последующими каскадами.

Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом усилителя. Причинами дрейфа могут быть нестабильность напряжения питания усилителя, температурная и временная нестабильность параметров транзисторов и резисторов.

Радикальным средством уменьшения дрейфа УПТ является применение дифференциальных усилительных каскадов (ДУК).

Рассмотрим одну из самых распространённых схем ДУК (рисунок 2.15).

Рисунок 2.15

ДУК выполнен по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами R_к1 и R_к1, а два других – транзисторами VT1 и VT2. Выходное напряжение снимается между коллекторами транзисторов (то есть с диагонали моста) или с коллекторов. На транзисторе VT3 собрана схема источника стабильного тока Iэ, определяемого суммой токов Iэ1 и Iэ2. транзистор VT4 предназначен для повышения стабильности тока Iэ при изменении температуры. ДУК допускает подачу входных сигналов от двух источников на входы Uвх1 и Uвх2 или от одного источника одновременно на два входа. Питание каскада производят от двух разнополярных источников Ек1 и Ек2 с равными напряжениями. Т.к. эти источники соединены последовательно, то суммарное напряжение питания схемы Ек=Ек1+Ек2. С помощью Ек2 снижают потенциал эмиттеров VT1 и VT2 относительно «земли», что позволяет подавить помехи на входы усилителя. Схема ДУК требует применения близких по параметрам VT1 и VT2 и равных сопротивлений Rк1 и Rк2. Благодаря этому при входных сигналах, равных нулю, достигается баланс моста, то есть напряжение на коллекторах обоих транзисторов равны и Uвых=0=Uвых1-Uвых2. При изменении напряжения питания, температуры и других факторов, из-за одинаковых дрейфов обоих усилительных каналов каскада, напряжения на коллекторах изменяются на одну и туже величину и дрейф на выходе канала отсутствует.

2.8. Операционные усилители (оу).

Это усилители постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющие дифференциальный вход (два входных вывода) и общий выход (рисунок 2.16).

Рисунок 2.16

Один из входов усилителя (Uвхн, „+”) называется неинвертирующим, а второй (Uвхи „-”) – инвертирующим. При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по фазе (по знаку) с приращением входного сигнала. Если подать сигнал на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположно по фазе) по сравнению с входным сигналом.

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики. Uвых=f(Uвх) (рисунок 2.17).

Рисунок 2.17

Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов, при нулевом сигнале на другом. Горизонтальные участки соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного) транзистора либо закрытого транзистора выходного каскада. При изменении напряжения входного сигнала на этих участках выходное напряжение усилителя остаётся без изменения и равно +Uвыхmax или –Uвыхmax, близкому к напряжению источника питания. Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления Кu=∆Uвых/∆Uвх. Коэффициент усиления ОУ зависит от типа усилителя и может составлять от нескольких сотен до сотен тысяч. Состояние Uвых=0 при Uвх=0 называется балансом ОУ.

Частотные параметры ОУ определяются по АЧХ, Кu=f(f) (рисунок 2.18).

Рисунок 2.18

fср – частота среза, начиная с которой Кu уменьшается. Fгр – граничная частота, соответствует уменьшению Кu в раз и определяет полосу пропускания усилителя. f1 – частота, при которой Кu=1.

Рассмотрим примеры построения аналоговых схем на операционных усилителях.