Усилители постоянного тока

Усиление слабых сигналов постоянного тока с помощью рассмотренных выше схем требует отказа от разделительных конденсаторов, но при этом постоянные напряжения смещения как на входе, так и на выходе каскада совмещаются с напряжениями сигналов. Для их разделения могут быть использованы специальные схемы компенсации напряжений смещения, принцип действия которых основан на том, что из суммы напряжений смещения и сигнала вычитается напряжение смещения, величина которого предполагается известной. Практическое применение этот метод нашел в схемах так называемых балансных или дифференциальных усилительных каскадов, которые в настоящее время являются незаменимыми составными частями аналоговых интегральных микросхем, в частности, операционных усилителей. Базовая схема дифференциального каскада имеет следующий вид

Схема составлена таким образом, что является симметричной, т.е. транзисторы VT1 и VT2 одинаковы по всем характеристикам и параметрам, Rk1=Rk2, Re>>Rk, E1=E2. Схема имеет два входа v1 и v2 и два выхода u1 и u2. При анализе работы схемы рассматриваются два варианта подачи сигналов : v1=v2 (синфазный входной сигнал) и v1=-v2 (дифференциальный входной сигнал). В первом случае очевидно, что u1=u2, и изменение напряжения на коллекторах много меньше изменения напряжения на эмиттере, соотношение между этими напряжениями такое же, как между сопротивлениями резисторов Rk и Re. Поскольку напряжение сигнала на эмиттерной нагрузке практически равно напряжению сигнала на входе каскада, можно утверждать, что в данном случае изменение напряжения на каждом коллекторе оказывается много меньше величины входного сигнала, т.е. коэффициент усиления в данном случае много меньше единицы.

В случае использования дифференциального входного сигнала через резистор эмиттерной нагрузки протекают два равных и противоположно направленных тока, в результате чего изменения напряжения на эмиттере не происходит. Зато на каждом коллекторе появляется усиленный по сравнению с входным сигнал, коэффициент усиления при этом определяется по формуле, полученной для каскада с общим эмиттером (см. лекц. 1), и величина его много больше единицы.

Часто в качестве выходного сигнала такого каскада используют разность напряжений между коллекторами, которая при отсутствии сигналов на входе и при действии синфазного входного сигнала практически равна нулю. Отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС) и измеряется в децибелах. Для увеличения этого коэффициента необходимо повышать сопротивление эмиттерной нагрузки каскада для сигнальной составляющей тока при сохранении ее меньшей величины для эмиттерного тока смещения. С этой целью в качестве эмиттерной нагрузки каскада используют транзистор, что дает желаемый эффект за счет разницы между статическим и динамическим сопротивлениями выходной цепи транзистора.

Статическим называется выходное сопротивление, определяемое по отношению напряжений и токов в рабочей точке транзистора, а динамическим- сопротивление, определяемое по отношению малых приращений напряжений и токов в рабочей точке. Разницу между ними легко увидеть, посмотрев на график выходных характеристик транзистора (см. лекц. 1). На основе схемы дифференциального каскада с некоторыми дополнениями может быть реализована схема многокаскадного усилителя постоянного тока в интегральном исполнении, т.е. интегральная микросхема операционного усилителя, пример которой показан ниже.

В данной схеме можно выделить каскады дифференциальных усилителей на транзисторах VT1, VT2 и VT5,VT6, причем эмиттерной нагрузкой первого каскада является транзистор VT11.

Выходной каскад выполнен на транзисторах VT9, VT15, каждый из которых представляет собой эмиттерный повторитель, а вместе они образуют так называемую двухтактную схему выходного каскада, в котором верхний транзистор передает во внешнюю нагрузку положительную полуволну усиленного сигнала, а нижний- отрицательную.

Методами микроэлектронной технологии такая схема изготавливается в виде кристаллической пластинки с размерами не более 1.5 1.5 миллиметра и после установки в герметичный корпус с внешними выводами для подключения к источникам питания, источнику сигнала и нагрузке становиться функциональным устройством под названием операционный усилитель. Такое функциональное устройство может быть использовано, как универсальный элемент для создания большого разнообразия аналоговых схем различного назначения и является базовым элементом современной аналоговой электроники. Основной отличительной особенностью операционного усилителя является его высокий коэффициент усиления для сигналов постоянного и переменного тока и возможность его использования в схемах с обратной связью. За счет внешних цепей обратной связи, как положительной, так и отрицательной возможно построение схем усилителей с заданным коэффициентом усиления, частотных фильтров различных типов, генераторов сигналов различной формы и ряда других устройств.