Контрольные вопросы

1.Что такое усилитель?

2. Эквивалентная схема усилителя.

3. Чем отличается ПОС от ООС?

4. Отличия ОС по напряжению от ОС по току.

5. Отличия параллельной ОС от последовательной ОС?

6. Почему в основном применяется ООС?

7. В каких устройствах применяется ПОС?

8. В чем заключается механизм термостабилизации?

9. Назначение емкости в цепи эмиттера в схеме термостабилизации?

10. Как изменится выходной сигнал если закоротить резистор ?

11. Основные характеристики усилителей.

12. Какой вид ООС влияет коэффициент усиления по току?

13. Какой вид ООС и каким образом влияет на входное сопротивление усилителя?

14. Какой вид ООС и как влияет на выходное сопротивление усилителя?

ЛЕКЦИЯ 7

УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

(2 часа)

План

1. Общая характеристика усилителей постоянного тока и их особенность. Методы согласования каскадов.

2. Дрейф нуля УПТ. Влияние дрейфа отдельных каскадов на результирующую величину дрейфа многокаскадного УПТ. Усилители постоянного тока с непосредственными связями. Дифференциальный каскад УПТ.

3. Операционные усилители (ОУ). Основные параметры и характеристики ОУ. Пример маркировки операционного усилителя К553УД2.

Усилителями постоянного тока (УПТ) называются усилители, коэффициент усиления которых не изменяется при уменьшении частоты до нуля. Они должны иметь АЧХ горизонтальную в пределах от f = 0 до некоторой fв порядка сотен или тысяч герц. УПТ предназначены для усиления медлнно изменяющихся сигналов, или сигналов, которые после некоторого изменения остаются постоянными сколь угодно долгое время.

Для передачи медленно изменяющегося сигнала по тракту усиления необходимы непосредственные по постоянному току связи: источника входного сигнала с входной цепью усилителя, между усилительными каскадами, выходного каскада с нагрузкой. Использовать для связи реактивные элементы – конденсаторы и трансформаторы, как в усилителях переменного тока нельзя, так как именно они обуславливают спад АЧХ в области низких частот. Непосредственная связь осуществляется предельно просто. Выход предыдущего каскада через проводник или резистор соединяется со входом последующего. Однако при этом приходится согласовывать сравнительно большой потенциал на выходе предыдущего каскада с малым потенциалом на входе последующего. Кроме того, возникает более серьезная проблема – дрейф нуля.

Наиболее распространены четыре метода согласования каскадов: 1) с дополнительным источником в цепи связи, 2) со стабилитроном в цепи связи, 3) с делителем напряжения и дополнительным источником питания, 4) с каскадом сдвига уровня. Первые три метода имеют ряд недостатков (дополнительный источник, потери, сложность реализации), хотя широко применяются в ламповых усилителях. В транзисторных интегральных устройствах наиболее широко используются каскады сдвига уровня.

Дрейф нуля УПТ. Дрейфом начального уровня или дрейфом нуля называется самопроизвольное изменение выходного сигнала при неизменном или равном нулю входном сигнале.

Абсолютный дрейф УПТ ( ) – это максимальное отклонение выходного напряжения от своего первоначального значения за определенный промежуток времени при замкнутом входе. Дрейф выходного напряжения обусловлен самопроизвольным изменением во времени напряжения источников питания и смещения – временной дрейф, а также нестабильностью параметров усилительных элементов при изменении температуры окружающей среды – температурный дрейф. В транзисторных УПТ основным является температурный дрейф.

Значение – дрейф, приведенный ко входу усилителя, ограничивает минимальный входной сигнал и характеризует чувствительность усилителя.

Здесь – коэффициент усиления усилителя;

При проектировании многокаскадных УПТ для уменьшения дрейфа целесообразно использовать четное число инвертирующих каскадов, так как при этом происходит частичная компенсация составляющих дрейфа с разными знаками. Наибольшее влияние на величину дрейфа всего усилителя оказывает дрейф первого каскада, к которому предъявляются наиболее высокие требования по его стабильности. В УПТ с малым уровнем дрейфа в качестве входного часто используют дифференциальный каскад с генератором стабильного тока.

Для уменьшения дрейфа УПТ используют:

1. Известные методы термостабилизации режима работы.

2. Включение четного числа инвертирующих каскадов.

3. Построение схем УПТ с преобразованием сигнала, то есть с его модуляцией и последующей демодуляцией.

4. Гальваническую развязку каскадов с помощью оптопар.

Усилители постоянного тока с непосредственными связями

УПТ с непосредственными связями называют усилителями прямого усиления (рис.7.1).

Одной из особенностей УПТ с непосредственными связями является то, что на вход последующего каскада поступает не только усиливаемый сигнал, но и постоянная составляющая коллекторного напряжения предыдущего каскада. Поэтому напряжение между базой и эмиттером последующего каскада будет больше, чем напряжение, соответствующее выбранному положению рабочей точки. Чтобы избежать этого, сопротивление в цепи эмиттера каждого последующего каскада выбирается большим, чем в предыдущем каскаде, с тем, чтобы обеспечить соответствие выбранному положению рабочей точки.

Рис. 7.1 Усилитель постоянного тока с непосредственными связями

Дифференциальный каскад УПТ

Дифференциальным каскадом УПТ называется усилитель разности напряжений (рис. 7.2) Сопротивления базы и коллектора выбираются одинаковыми .

Рис. 7.2. Дифференциальный каскад УПТ

Транзисторы и подбираются одинаковыми по коэффициенту усиления. Представим, что на оба входа подаётся одинаковое напряжение . В этом случае токи через транзисторы и будут одинаковыми. Суммарный ток через обозначим через . Тогда:

; ; ;

; ; .

Допустим, что . На первый вход подается более положительное напряжение, чем на второй вход. В этом случае транзистор откроется в большей степени, чем транзистор . Ток через транзистор увеличится на определённую величину , а ток через уменьшится на такую же величину , поскольку суммарный ток постоянен и равен .

;

;

.

Если на первый вход будем подавать большее значение напряжения, чем на второй вход, то на выходе получится отрицательное значение напряжения, поэтому первый вход называется инвертирующим входом.

Если , то и поэтому второй вход дифференциального усилителя называется неинвертирующим входом.

Основной особенностью дифференциальных каскадов является то, что дрейф нуля будет значительно меньше, чем в УПТ прямого усиления. Это объясняется тем, что выходное напряжение равно разности коллекторных напряжений каждого из транзисторов, поэтому медленные изменения напряжения за счёт внутренних процессов схемы будут взаимно уничтожаться.

Операционные усилители

Операционным усилителем (ОУ) называется усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход (два вывода) и один общий выход (один вывод). Один из входов называется инвертирующим (или инверсным), а другой – инвертирующим (или прямым). При изменении напряжения на инвертирующем входе выходное напряжение будет изменяться в противофазе со входным, а напряжение на неинвертирующем входе изменяется в фазе со входным. Название операционный усилитель связано с его первоначальным применением – для выполнения различных математических операций с аналоговыми сигналами (сложение, вычитание, умножение и др.). В настоящее время ОУ является универсальным элементом электронных схем, поскольку может выполнять как усилительные, так и ключевые функции.

Коэффициент усиления ОУ составляет десятки и сотни тысяч. Большой коэффициент усиления, при охвате усилителя ООС, позволяет создавать высокотермостабильные схемы, которые надежно работают в широком диапазоне температур. ОУ имеет очень большое входное и малое выходное сопротивление и выполняется в микроэлектронном исполнении.

Состоит ОУ из трех и более каскадов. Первый каскад собран по дифференциальной схеме с генератором стабильного тока, уменьшающим дрейф нуля. Второй каскад обычно также дифференциальный, но без генератора стабильного тока. Последний или выходной каскад собран по схеме эмиттерного повторителя. Он согласовывает высокоомное сопротивление предпоследнего каскада с низкоомной нагрузкой и обеспечивает требуемую нагрузочную способность всего ОУ. Число каскадов определяется необходимым коэффициентом усиления ОУ, который примерно равен произведению коэффициентом усиления отдельных каскадов.

Параметры операционных усилителей:

Напряжение питания =2×(5…16,5)В.

Ток потребления =(0,15…10)мА. Входной ток =(0,1…1000)нА.

Коэффициент усиления .

Напряжение смещения =(0,5…20)мВ. Это напряжение, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы =0.

Разность входных токов =(0,05…500)нА.

Входное сопротивление =5кОм…50Мом.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала =(60…100)Дб.

Максимальное синфазное напряжение =(10…30)В.

Максимальное дифференциальное напряжение =(5…30)В.

Максимальное выходное напряжение =(10…12)В.

Минимальное сопротивление нагрузки =2кОм.

Частота единичного усиления =(0,5…30)МГц.

Скорость нарастания выходного напряжения (Рис.7.3) характеризует быстродействие ОУ. . =(0,2…500)В/мкс.

Рис. 7.3. Скорость нарастания выходного напряжения в ОУ

Пример маркировки ОУ К553УД2

Вход A (Рис 7.4) – инвертирующий вход, а вход B – неинвертирующий. Входы C – для подключения двуполярного источника питания. Входы D – выводы для подключения цепей коррекции.

В технической литературе встречается устаревшее УГО ОУ, изображённое на рисунке 7.5.

Рис. 7.4 Операционный усилитель К553УД2

Рис. 7.5. Устаревшее обозначение ОУ на схемах