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
| Вид АЧХ |
| Вид амплитудной характеристики |
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 RЭ 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 2х 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 Rэ будет равно:
Таким образом, для синфазных сигналов резистор Rэ 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 Rэ.
Однако повышение сопротивления Rэ сопровождается увеличением падения напряжения на нем и требует значительного увеличения напряжения источника питания.
Поэтому вместо Rэ 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 1ый каскад считать входным, а 2ой 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.