Лекция №7.

Усилители постоянного тока.

В усилителях переменного напряжения связь между каскадами осуществлялась с помощью RC-цепей или трансформаторов. При такой связи усиливалась только переменная составляющая.

В стабилизаторах напряжения и тока, измерительных приборах, устройствах автоматики (для регистрации давления, температуры, освещенности, влажности и др.), для усиления медленно изменяющихся напряжений и токов необходимы усилители, полоса пропускания которых имеет нижнюю граничную частоту . Усилители обладающие этим свойством, носят название УПТ.

С помощью УПТ можно усиливать токи 10^-15…10^-16 А.

Вид АЧХ и амплитудной характеристики УПТ показан на рисунках

Рис. 1. Рис. 2.

УПТ прямого усиления.

В УПТ прямого усиления сигнал с выхода предыдущего каскада поступает непосредственно на вход следующего.

Рис. 3.

Режим покоя рассчитывается так же, как и для УНЧ.

Сопротивление резистора должно быть таким, чтобы обеспечивалось условие

отсюда

обычно .

Таким образом, при одинаковых режимах работы справедливы неравенства

Коэффициент усиления каждого каскада будет равен:

Анализ полученных выражений показывает, что в таком усилители невозможно получить значительное усиление за счет увеличения числа каскадов.

Дрейф нуля в УПТ.

Недостатком рассмотренных УПТ является дрейф нуля.

Изменение выходного напряжения, не связанного с входным напряжением и обусловленное внутренними процессами в усилители, называют дрейфом нуля усилителя.

Основные причины, вызывающие дрейф нуля УПТ:

Изменение температуры окружающей среды; изменение давления и влажности окружающей среды;

Изменение напряжений источников питания; шумы, создаваемые активными и пассивными элементами.

Количественно дрейф нуля оценивается дрейфом приведенным ко входу .

Величина приведенного дрейфа ограничивает минимально различимый входной сигнал. Приведенный дрейф нуля по напряжению для каскадов с ОЭ примерно равен 2…8 мВ/град для кремниевых БТ и 20…30 мВ/град для германиевых БТ.

Уменьшение дрейфа нуля достигается следующими мерами:

-стабилизацией источников питания;

-термостатированием;

-примененим ООС по постоянному току;

-применением кремниевых БТ и ПТ;

-использованием балансных (мостовых схем).

Балансные усилители.

В транзисторных и интегральных усилителях широкое распространение получила схема параллельного баланса.

Рис. 4.

Данная схема представляет собой мост, плечами которого является резисторы и транзисторы .

Для нормальной работы схемы она должна быть строго симметричной. В этом случае мост оказывается сбалансированным, а напряжение на его выходе равно 0.

Схема с симметричным входом и симметричным выходом на биполярных транзисторах.

Изменение напряжения питания и других факторов в данной схеме приводит к одинаковому изменению токов . В результате напряжение выходных электродах изменяется одинаково и разность напряжений между ними по-прежнему остается равной нулю.

Входное напряжение вызывает изменение токов причем .

Напряжение на резисторе R_Э при этом не изменяется, так как

Это означает, что транзисторы совместно с R₁ и R₂ образуют однокаскадные усилители ООС.

Коэффициент усиления можно определить из соотношений:

.

Дифферециальные усилители.

Дифференциальные усилители (ДУ) на биполярных тр-рах и полевых отличаются от балансных усилителей наличием 2^х несимметричных входов (рис. 5.).

Рис.5.

При поступлении на входы ДУ парафазных напряжений его работа () не отличается от работы балансного усилителя.

При поступлении на входы ДУ синфазных сигналов изменения токов равны по значению и по знаку, а изменение напряжения на R_э будет равно:

Таким образом, для синфазных сигналов резистор R_э является элементом ООС.

В этом случае коэффициент усиления одного плеча равен

.

Подставив в выражение для одного плеча, получим

.

При входных синфазных сигналах потенциалы коллекторов изменяются одинаково, поэтому напряжение на симметричном выходе .

В большинстве случаев входные сигналы не являются чисто синфазными или противофазными, а содержат одинаковую (синфазную ) и отличающуюся дифференциальную части.

Рис. 6.

Сигналы, действующие на входе ДУ, можно математически представить в следующей форме:

В каждом плече синфазная составляющая будет усиливаться с коэффициентом усиления , а дифференциальная с коэффициентом так что .

Последнее выражение показывает, что в ДУ синфазные сигналы представляют собой сигналы помехи, поэтому желательно иметь ;

Уменьшение можно достигнуть увеличением R_э.

Однако повышение сопротивления R_э сопровождается увеличением падения напряжения на нем и требует значительного увеличения напряжения источника питания.

Поэтому вместо R_э часто включают генератор стабильного тока (ГСТ).

Дифференциальные усилители с генератором стабильного тока.

Рассмотрим интегральную схему ДУ типа К118УД1.

Рис. 6.

ГСТ выполнен на биполярном тр-ре . Режим работы , а следовательно и ток всей коллекторной цепи определяются делителем , сопротивлением и диодом .

В качестве диода используется тр-р в диодном включении

Рис.

Большое динамическое и малое статическое сопротивления ГСТ обусловлены характером зависимости

Рис. 8.

В интегральных ДУ и интегральных ГСТ широко используется диодно-транзисторные структуры, называемые отражателями тока или токовыми зеркалами.

Простейшая схема токового зеркала имеет вид.

Рис. 9.

Схема содержит два идентичных БТ. У уоторых соединены эмиттерные переходы.

При одинаковых площадях эмиттерных переходов тр-ов эмиттерные токи равны между собой, вследствии чего ток оказывается равным току.

Если 1^ый каскад считать входным, а 2^ой выходным, то повторяет .

Отражатель имеет малое входное и большое выходное сопротивление.

Эмиттерные токи отличаются друг от друга если эмиттерные переходы тр-ов находятся под разными напряжениями

или площади эмиттеров различны.

Чтобы создать различные напряжения в эмиттерные цепи включают сопротивления.

Рис. 10.

Подбирая эти с сопротивления можно получить коэффициент передачи тока отражателя в пределах 0,1…0,9.

Рис. 11.

Увеличение площади эмиттерного перехода транзистора позволяет получить коэффициент передачи тока отражателя в пределах 1…10.