2.3.5. Усилитель постоянного тока

Усилителем постоянного тока (УПТ) называется уси­литель, сохраняющий постоянство коэффициента усиле­ния при уменьшении частоты входного сигнала вплоть до нуля. Верхний предел частоты при этом не ограничи­вается и может достигать больших значений. УПТ широко применяются для усиления медленно изменяющихся сигналов от преобразователей неэлектрических параметров в электрические, в измери­тельных приборах, в автоматических системах, в стаби­лизаторах напряжения и тока и других электронных устройствах.

Наиболее распространенным типом УПТ являются балансные (мостовые), в которых УЭ включены парал­лельно и в совокупности с резисторами образуют плечи моста. Вариант такого балансного каскада УПТ показан на рис.2.17. УПТ состоит из транзисторов VI, V2, коллек­торных резисторов R_К',R_К'', резисторов делителя в базо­вых цепях R₁, R₂ и резистора в эмиттерной цепи R_Э. Входная цепь не имеет общей точки с выходной цепью, причем каждый из входных (выходных) зажимов сим­метричен относительно корпуса. Транзисторы подобраны в пару с минимальным разбросом параметров, в особен­ности по неуправляемому обратному току I_К0. Резисторы R_К' и R_К'' вместе с транзисторами образуют плечи моста. В одну диагональ моста включен источник питания, а в другую – нагрузка R_Н.

Рис.2.17. Усилитель постоянно­го тока мостового типа

Входное напряжение U_ВХ распределяется симметрично между со­противлениями резисторного делителя и в противофазе поступает на базы транзисторов. Ток коллектора одного из транзисторов воз­растает, ток другого – уменьшается, мост разбалансируется, и в на­грузке появляется ток:

I_Н=

Выходное напряжение пропорционально входному, а его поляр­ность совпадает с полярностью входного. Резисторный делитель в це­пи баз и резистор в цепи эмиттеров стабилизируют рабочий режим каскада. Коэффициент усиления мостового (балансного) каскада УПТ такой же, как и у одиночного каскада с ОЭ.

2.3.6. Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель (рис.2.18) выполняется на двух транзисторах с отдельными коллекторными и общим эмиттерным резисторами.

.

Рис.2.18. Каскад дифференциального усилителя

Питание схемы осуществляется от двух источников постоянного напряжения различной полярности: положительного коллекторного Е_К и отрицательного эмиттерного Е_Э.

В усилителе два входа и два выхода: входные напряжения U_ВХ1 и U_ВХ2 подаются между базами транзисторов и общей шиной, соединенной с общей точкой источников напряжения, а выходные напряжения U_ВЫХ1 и U_ВЫХ2 снимаются между коллекторами транзисторов и общей шиной.

Дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности входных напряжений. Коэффициент усиления усилителя равен отношению дифференциального выходного к дифференциальному входному напряжению:

Благодаря симметрии усилителя изменения температуры и величины напряжений питания сказываются на обеих половинах схемы в равной мере, а поэтому не выводят схему из равновесия и не вызывают заметного дрейфа нуля.

Следует рассмотреть цепь эмиттерного источника E_Э, задающую транзисторам режим покоя (U_ВХ1=U_ВХ2=U_C).

В режиме покоя справедливо равенство Е_Э=I_ЭПR_Э+U_БЭП+U_С, откуда I_ЭП=(Е_Э-U_БЭП-U_C)/R_Э. Следовательно, задав общий эмиттерный ток I_ЭП, мы тем самым задаем и коллекторные токи покоя I_КП1=I_КП2= I_ЭП/2. Обычно Е_Э>>U_БЭП и Е_Э>>U_C, поэтому ток эмиттера I_ЭПЕ_Э/R_Э. Чем больше Е_Э и R_Э, тем ближе эмиттерный источник питания к источнику тока и тем меньше режим покоя (I_КП, U_КП) и дрейф нуля зависят от величины синфазного сигнала.

Входное напряжение U_ВХ делится поровну между двумя транзисторами (двумя входными сопротивлениями транзисторов r_{ВХ Э}), поэтому приращение напряжения база-эмиттер одного транзистора U_БЭ=U_ВХ/2, а коэффициент усиления:

Если входной сигнал подается на один из входов U_ВХ=U_ВХ1, то второй вход должен быть соединен с общей шиной (U_ВХ=0).

Дифференциальные каскады ввиду малого дрейфа нуля используются в качестве входных каскадов многокаскадных УПТ, к которым относятся и операционные усилители.

На рис.2.18 показана схема сдвига уровня из делителя R₁R₂. Поскольку U_ВЫХ2=U_ВЫХ.П2-I_КОМПR₁U_ВЫХ, то ясно, что для снижения дрейфа нуля необходимо стабилизировать как режим покоя транзисторов (U_ВЫХ.П2), так и напряжение компенсации (I_КОМПR₁). С этой целью в реальных усилителях вместо резисторов R_Э и R₂ (нижнего плеча делителя) устанавливают источники тока на транзисторе с цепями температурной компенсации.