3.5.7. Усилители постоянного тока

Усилителями постоянного тока (УПТ) называют такие устройства, которые 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.

Частотная характеристика УПТ равномерна (рис.3.27). В таких усилителях используется только гальваническая связь между каскадами. Отсутствие реактивных элементов приводит к тому, что через усилитель могут одновременно проходить полезный сигнал и сигнал помехи, обусловленный различного рода электрическими процессами, чаще всего нестационарного характера. Такими процессами могут быть, например, изменение во времени характеристик и параметров транзисторов из-за изменения условий окружающей среды либо с течением времени, нестабильность напряжения источника питания и др. В результате этого на выходе усилителя появляются ложные сигналы не отличающиеся от полезных.

Непостоянство выходного напряжения при неизменном уровне входного сигнала, обусловленное влиянием помех, называется дрейфом нуля усилителя.

При построении практических схем УПТ принимают меры для борьбы с дрейфом нуля, а именно, жесткая стабилизация источников питания, использование отрицательных обратных связей, применение балансных (дифференциальных) и компенсационных схем.

УПТ - наиболее распространенный тип усилительных устройств в вычислительной технике. Они имеют много разновидностей (дифференциальные, операционные, усилители с преобразованием сигнала и др.).

Дифференциальные усилители (ДУ). Другое название их - параллельно-балансные каскады.

Принцип работы балансной схемы можно пояснить на примере четырехплечевого моста, схема которого представлена на рис.3.28. Если выполняется условие R₁R₃ = R₂R₄, т.е. мост сбалансирован, то в нагрузочном резисторе R_н ток равен нулю. Баланс не нарушится и в том случае, если будет изменяться напряжение Е.

На рис.3.29 представлена схема простейшего дифференциального каскада, которая аналогична схеме рис.3.28, если резисторы R₂ и R₃ заменить транзисторами Т₁ и Т₂ и считать, что R₁ = R_к1, а R₄ = R_к2. Сопротивления резисторов R_к1 и R_к2 выбирают равными, а транзисторы Т₁ и Т₂ с идентичными характеристиками. В этом случае схема симметрична.

В отсутствие сигнала напряжение на выходе U_вых12 равно нулю. Поскольку схема симметрична, всякое одновременное 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 схемы при подаче на входы 1 и 2 сигналов: равных по значению и синфазных; равных по значению и противофазных (дифференциальных).

На вход ДУ поданы синфазные сигналы. Потенциалы баз

транзисторов изменятся на одну величину. Ток через резистор R_э поровну распределится между плечами ДУ, и потенциалы коллекторов изменятся на одно и то же значение. Напряжение на выходе будет равно нулю. Таким образом, идеальный ДУ не пропускает на выход синфазный сигнал.

На вход ДУ поданы дифференциальные сигналы. Входное напряжение U_вх12 между точками 1 и 2 будет равно разности этих сигналов. Поскольку схема симметрична, половина этого входного напряжения будет приложена к эмиттерному переходу одного транзистора (со знаком плюс), а другая половина - к эмиттерному переходу другого транзистора (со знаком минус). В результате этого приращения токов в плечах схемы будут одинаковы, но с разными знаками. Потенциал коллектора одного транзистора увеличится, а другого уменьшится на одно и то же значение. На выходе ДУ между точками а и б появится выходное напряжение. Таким образом, дифференциальный сигнал, поданный на

вход ДУ, вызывает появление усиленного сигнала на выходе.

В идеальных ДУ за счет подавления синфазного сигнала дрейфа нуля не существует, в реальных ДУ он присутствует, но очень незначителен по сравнению с дифференциальным (полезным) сигналом.

Качество ДУ оценивают коэффициентом подавления синфазного сигнала К_псс = К_Д/К_С, где К_Д - коэффициент усиления дифференциального сигнала; К_С - коэффициент усиления синфазного сигнала. ДУ считается хорошим, если К_псс > 10⁴ - 10⁵.

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.

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, с очень высоким и стабильным коэффициентом усиления (от 1000 до 100000), широкой полосой пропускания сигнала (f_в = 10 - 100 МГц), высоким входным сопротивлением (R_вх > 10 кОм), малым выходным сопротивлением (R_вых < 100 Ом), малым дрейфом нуля, высоким коэффициентом подавления синфазных сигна­лов, несимметричным выходом. Таким образом, это высококачественный универсальный усилитель.

Условное обозначение ОУ показано на рис.3.30,а, а его амплитудная характеристика - на рис.3.30,б.

Вход 1 называют прямым, т.к. сигнал на выходе и сигнал на этом входе имеют одинаковую полярность. Вход 2 называют инвертирующим, т.к. сигнал на выходе имеет противоположную полярность по отношению к сигналу на этом входе. Питание ОУ осуществляется от двухполярного источника со средней точкой (рис.3.30,в), это дает возможность получить на выходе ОУ двухполярный сигнал. Существуют различные варианты подачи входного сигнала (на один из входов, между двумя входа­ми, два различных сигнала). Часто сигнал подают на неинвертирующий вход, а через инвертирующий вход ОУ охватывают глубокой ОС. В этом случае можно получить устройства с различными свойствами, которые будут определяться параметрами цепи ОС. С помощью такого ОУ можно осуществлять математические операции (умножение, интегрирование, дифференцирование, сравнение и др.). Операционный усилитель является универсальным устройством аналоговых (линейных) интегральных микросхем.

Типовая схема ОУ показана на рис.3.31. В ней имеется: два дифференциальных каскада на транзисторах Т₁, Т₂ и Т₃, Т₄ (каскады предварительного усиления); переходный однотактный каскад на транзисторе Т₅ и выходной каскад на транзисторах Т₆ и Т₇, выполненный по схеме эмиттерного повторителя. Диоды обеспечивают температурную стабилизацию.