9.5. Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока предназначены для усиления сигналов, изменяющихся с низкой частотой (близкой к 0). К таким сигналам относятся аналоговые величины, то есть непрерывно изменяющиеся напряжение или ток.

Усилители постоянного тока отличаются от схем усилителей других типов. В таких усилителях используется только активная нагрузка, использование индуктивных нагрузок исключено. Применение конденсаторов в цепях межкаскадных связей исключено. Таким образом, в усилителях постоянного тока используются непосредственные связи, а также многокаскадное усиление.

Рассмотрим усилитель прямого усиления, изображённый на рис.9.13. Усилитель состоит из трёх каскадов усиления. Каждый каскад собран по схеме с общим эмиттером и его работа в принципе не отличается от работы усилителей низкой частоты.

Рис.9.13. Усилитель постоянного тока

В связи с использованием высокого потенциала коллектора предыдущего каскада для базы следующего каскада в эмиттэрных цепях ставятся гасящие сопротивления с отрицательной обратной связью по току. Эти обратные связи уменьшают дрейф нуля усилителя (изменеие выходного напряжения без изменения входного напряжения). Дрейф вызывается изменением питающего напряжения, температуры окружающей среды и т.д. Для борьбы с дрейфом стабилизируют питающее напряжение.На рис.9.14 приведены статические характеристики работы первого каскада усилителя. Зона покоя (точка b) нагрузочной характеристики, а также точка b’ входной характеристики определяется делителем на участке база – эмиттер первого каскада.

Рис.9.14. Статические характеристики работы первого каскада усилителя постоянного тока

9.6. Импульсные усилители

Импульсному (ключевому) режиму работы транзистора соответствуют два состояния: транзистор или закрыт или полностью открыт. В этом режиме транзисторы используют как бесконтактные переключающиеся устройства.

Рассмотрим работу схемы, приведённой на рис.9.15. Временные зависимости входного и выходного напряжений усилителя изображены на рис.9.16. В интервалах времени и т.д., когда , переход эмиттер – база заперт и ток коллектора . Следовательно, напряжение на коллекторе равно напряжению источника питания , транзистор закрыт. Когда на вход транзистора подают отрицательные импульсы (интервалы времени ), переход эмиттер – база открывается и по коллекторной цепи проходит ток насыщения , при этом напряжение на коллекоре , транзистор полностью открыт.

Рис.9.15. Схема импульсного усилителя на биполярном транзисторе

Рис.9.16. Временные зависимости входного и выходного напряжений усилителя

9.7. Операционные усилители

Операционные усилители выполнены на интегральных микросхемах и применяются как усилители постоянного тока для работы в режиме усиления и выполнения математических операций над аналоговыми или медленно изменяющимися величинами (сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование, логарифмирование и т.д.).

Условное изображение операционного усилителя приведено на рис.9.17, в котором знаком (–) обозначен инвертирующий вход, а знаком (+) неинвертирующий вход. Питание операционного усилителя осуществляется от двух источников с положительной и отрицательной ЭДС. На рис.9.18 приведены характеристики вход - выход усилителей с инвертирующим и неинвертирующим входами. Входное напряжение насыщения незначительно .

Рис.9.17. Условное изображение операционного усилителя

Рис.9.18. Характеристики вход - выход операционных усилителей с инвертирующим и неинвертирующим входами

В схемах операционных усилителей используется отрицательная обратная связь по напряжению. Рассмотрим примеры использования схем операционных усилителей с элементами цепи обратной связи .

На рис.9.19 приведена схема масштабного инвертирующего усилителя, у которого элементы обратной связи равны активным сопротивлениям .

Рис.9.19. Схема масштабного инвертирующего усилителя

Используя первый и второй законы Кирхгофа для входного и выходного контуров усилителя, направления обхода которых указаны, а также считая, что у операционных усилителей , имеем Тогда, после преобразований, следует, что , то есть выходное напряжение масштабного усилителя равно входному напряжению , помноженному на масштабный множитель с отрицательным знаком. Коэффициент усиления усилителя по напряжению

. (9.10)

На рис.9.20 изображена схема суммирующего усилителя (сумматора).

Рис.9.20. Схема суммирующего усилителя (сумматора)

Сумматор – это операционный усилитель с несколькими входами, у которого , , , , , тогда, умножив значения всех токов на, получим:

. (9.11)

В этом случае усилитель выполняет операцию сложения входных напряжений со своими масштабными коэффициентами. Если все входные сопротивления равны , то .

На рис.9.21 приведена схема интегрирующего усилителя (интегратора), у которого в цепи обратной связи использован конденсатор.

Рис.9.21. Схема интегрирующего усилителя (интегратора)

Изобразив сопротивление обратной связи в комплексном виде , а входное сопротивление , можно представить выходное напряжение в виде временной зависимости . Перейдем к операторной форме записи, что соответствует замене на оператор Лапласа p . Тогда изображение входной и выходной величины по Лапласу выразится зависимостью , что соответствует интегрированию оригинала, то есть:

, (9.12)

где - масштабный коэффициент.

На рис.9.22 изображена схема дифференцирующего усилителя, у которого на входе усилителя установлен конденсатор.

Рис.9.22. Схема дифференцирующего усилителя

Входное сопротивление конденсатора в комплексном виде , а сопротивление обратной связи .

Выходное напряжение можно представить в комплексном виде временной зависимостью . Перейдем к операторной форме записи, что соответствует замене на оператор Лапласа p . Тогда изображение входной и выходной величины по Лапласу выразится зависимостью , что соответствует взятию производной от её оригинала, то есть:

. (9.13)

где - масштабный коэффициент.