2.9. Усилители постоянного тока

Усилителями постоянного тока (УПТ) называют такие устройства, кото­рые 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.

Частотная характеристика УПТ равномерна (рис.2.11). В таких уси­лителях используется только гальваническая связь между каскадами. Отсутствие реактивных элементов приводит к тому, что через усили­тель могут одновременно проходить полезный сигнал и сигнал помехи, обусловленный различного рода электрическими процессами, чаще всего нестационарного характера. Такими процессами могут быть, например, изменение во времени характеристик и параметров транзисторов из-за изменения условий окружающей среды либо с течением времени, неста­бильность напряжения источника питания и др. В результате этого на выходе усилителя появляются ложные сигналы не отличающиеся от по­лезных.

Непостоянство выходного напряжения при неизменном уровне входно­го сигнала, обусловленное влиянием помех, называется дрейфом нуля усилителя.

При построении практических схем УПТ принимают меры для борьбы с дрейфом нуля, а именно, жесткая стабилизация источников питания, использование отрицательных обратных связей, применение балансных (дифференциальных) и компенсационных схем.

УПТ - наиболее распространенный тип усилительных устройств в вы­числительной технике. Они имеют много разновидностей (дифференци­альные, операционные, усилители с преобразованием сигнала и др.).

Дифференциальные усилители (ДУ). Другое название их - параллель­но-балансные каскады.

Принцип работы балансной схемы можно пояснить на примере четы­рехплечевого моста, схема которого представлена на рис.2.12. Если выполняется условие R₁R₃ = R₂R₄, т.е. мост сбалансирован, то в наг­рузочном резисторе R_н ток равен нулю. Баланс не нарушится и в том случае, если будет изменяться напряжение Е.

На рис.2.13 представлена схема простейшего дифференциального каскада, которая аналогична схеме рис.2.12, если резисторы R₂ и R₃ заменить транзисторами Т₁ и Т₂ и считать, что R₁ = R_к1, а R₄ = R_к2. Сопротивления резисторов R_к1 и R_к2 выбирают равными, а транзисторы Т₁ и Т₂ с идентичными характеристиками. В этом случае схема симмет­рична.

В отсутствие сигнала напряжение на выходе U_вых12 равно нулю. Поскольку схема симметрична, всякое одновременное 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 схемы при подаче на входы 1 и 2 сигналов: равных по значению и синфазных; равных по значению и противофазных (дифференциальных).

На вход ДУ поданы синфазные сигналы. Потенциалы баз транзисторов изменятся на одну величину. 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 нулю. Таким об­разом, идеальный ДУ не пропускает на выход синфазный сигнал.

На вход ДУ поданы дифференциальные сигналы. Входное напряжение U_вх12 между точками 1 и 2 будет равно разности этих сигналов. Пос­кольку схема симметрична, половина этого входного напряжения будет приложена к эмиттерному переходу одного транзистора (со знаком плюс), а другая половина - к эмиттерному переходу другого транзис­тора (со знаком минус). В результате этого приращения токов в пле­чах схемы будут одинаковы, но с разными знаками. Потенциал коллек­тора одного транзистора увеличится, а другого уменьшится на одно и то же значение. На выходе ДУ между точками а и б появится выходное напряжение. Таким образом, дифференциальный сигнал, поданный на вход ДУ, вызывает появление усиленного сигнала на выходе.

В идеальных ДУ за счет подавления синфазного сигнала дрейфа нуля не существует, в реальных ДУ он присутствует, но очень незначителен по сравнению с дифференциальным (полезным) сигналом.

Качество ДУ оценивают коэффициентом подавления синфазного сигна­ла К_псс = К_Д/К_С, где К_Д - коэффициент усиления дифференциального сигнала; К_С - коэффициент усиления синфазного сигнала. ДУ считается хорошим, если К_псс > 10⁴ - 10⁵.

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.

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, с очень высоким и стабильным коэффициентом усиления (от 1000 до 100000), широкой полосой пропус­кания сигнала (f_в = 10 - 100 МГц), высоким входным сопротивлением (R_вх > 10 кОм), малым выходным сопротивлением (R_вых < 100 Ом), ма­лым дрейфом нуля, высоким коэффициентом подавления синфазных сигна­лов, несимметричным выходом. Таким образом, это высококачественный универсальный усилитель.

Условное обозначение ОУ показано на рис.2.14,а, а его амплитуд­ная характеристика - на рис.2.14,б.

Вход 1 называют прямым, т.к. сигнал на выходе и сигнал на этом входе имеют одинаковую полярность. Вход 2 называют инвертирующим, т.к. сигнал на выходе имеет противоположную полярность по отношению к сигналу на этом входе. Питание ОУ осуществляется от двухполярного источника со средней точкой (рис.2.14,в), это дает возможность по­лучить на выходе ОУ двухполярный сигнал. Существуют различные вари­анты подачи входного сигнала (на один из входов, между двумя входа­ми, два различных сигнала). Часто сигнал подают на неинвертирующий вход, а через инвертирующий вход ОУ охватывают глубокой ОС. В этом случае можно получить устройства с различными свойствами, которые будут определяться параметрами цепи ОС. С помощью такого ОУ можно осуществлять математические операции (умножение, интегрирование, дифференцирование, сравнение и др.). Операционный усилитель являет­ся универсальным устройством аналоговых (линейных) интегральных микросхем.

Типовая схема ОУ показана на рис.2.15. В ней имеется: два диффе­ренциальных каскада на транзисторах Т₁, Т₂ и Т₃, Т₄ (каскады пред­варительного усиления); переходный однотактный каскад на транзисто­ре Т₅ и выходной каскад на транзисторах Т₆ и Т₇, выполненный по схеме эмиттерного повторителя. Диоды обеспечивают температурную стабилизацию.