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 сопротивленииR_н 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 R_l = R_K1, а R₄ = R_К2. Сопротивления резисторов R_Kl и R_K2 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 U_BЫХl2 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 R_Э 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.