Компьютерная электроника Лекция 22. Усилители постоянного тока

Определения Для усиления медленно изменяющихся напряжений или токов необходимы усилители, полоса пропускания которых имеет нулевую нижнюю границу (f н = 0. Усилители, обладающие таким свойством, носят название усилителей постоянного тока (УПТ) независимо от того, какая из величин – ток или напряжение усиливается.

УПТ прямого усиления Простейшим вариантом УПТ является схема с гальванической межкаскадной связи, в которой напряжение сигнала, усиленное предыдущим каскадом, непосредственно поступает на вход последующего.

УПТ прямого усиления Определим соотношение между резисторами R к и R э при условии одинакового положения рабочей точки на динамической характеристике. U э1 = U б – U бэ1 ; U э2 = U э1 + U кэ1 – U бэ2 ; U э3 = U э2 + U кэ2 – U бэ3. Поскольку U кэ > U бэ, то из уравнений следует U э3 > U э2 > U э1 ; R э3 > R э2 > R э1 ; R к3 < R к2 < R к1. Как известно, K U = R K /R Э Поэтому, очевидно, что K U1 > K U2 > K U3.

УПТ прямого усиления Таким образом, коэффициент усиления каждого последующего каскада становится все более низким. Поэтому построение многокаскадного УПТ с высоким коэффициентом усиления представляет собой сложную задачу. Еще более сложная задача - обеспечение высокой стабильности работы усилителя при изменении напряжения питания, режимов работы транзистора, параметров компонентов, температуры. Нижняя частота АЧХ УПТ равна нулю (из-за отсутствия разделительных конденсаторов). В области высоких частот АЧХ УПТ не отличается от характеристики усилителей с резистивно-емкостной связью..

УПТ прямого усиления Основной специфический параметр УПТ - дрейф нуля, который представляет собой изменения выходного напряжения, не связанные с входным напряжением и обусловлен внутренними процессами в усилителе. Различают абсолютный дрейф нуля и дрейф, приведенный к входу усилителя. Последний описывается соотношением: U вх.д = U вых.др /К U. Особую роль играет температурный дрейф. При необходимости получения малого дрейфа нуля применяют другие типы усилителей, в основном: - дифференциальные (мостовые усилители); - усилители с модуляцией и демодуляцией (усилители МДМ), в которых постоянное напряжение преобразуется в переменное, усиливается, а затем выпрямляется (демодулируется).

Дифференциальные усилители Дифференциальный усилительный каскад имеет два входа и три выхода (два несимметричных и симметричный). Для дифференциального усилителя различают два вида входных сигналов: дифференциальный и синфазный. Для сигнала U вх1 транзистор VT1 включен по схеме с ОЭ, а транзистор VT2 по схеме с ОБ. Для сигнала U вх2 транзистор VT1 включен по схеме с ОБ, а транзистор VT2 по схеме с ОЭ. Для избегания громоздких промежуточных преобразований, воспользуемся искусственными приемами, позволяющими получить интересующие результаты.

Дифференциальные усилители Предположим, что каскад абсолютно симметричен, т. е. сопротивления резисторов, входящих в каждое плечо, и параметры транзисторов VT1 и VT2 одинаковы. В этом случае при равных входных сигналах U вх1 и U вх2 токи транзисторов VTI и VT2 равны между собой, а именно: I к1 = I к2 ; I э1 = I э2 ; I б1 = I б2. Пусть входные напряжения получат одинаковые приращения разных полярностей 0,5*U вх : U вх1 = U вх0 + U вх /2; U вх2 = U вх0 - U вх /2. В результате ток одного транзистора увеличится на I к, а другого на столько же уменьшится: I к1 = I к0 + I к ; I к2 = I к0 - I к.

Дифференциальные усилители При этом результирующий ток через эмиттерный резистор останется без изменения. Постоянным будет и падение напряжения на нем. Аналогично ведет себя каскад, если входное напряжение подать на один вход, а второй соединить с общей шиной. Вне зависимости от способа подачи входного напряжения, напряжения база- эмиттер обоих транзисторов, вызывающих выходные токи, равны между собой и равны половине разности входных напряжений U вх = U вх1 – U вх2.

Дифференциальные усилители Рассмотрим эквивалентную схему для дифференциального сигнала. В этом случае потенциал эмиттеров остается постоянным, поэтому для переменной составляющей от эквипотенциален общей шине усилителя. Рассмотрим основные параметры. 1Коэффициент усиления напряжения а) по несимметричным выходам: K U1хх =- *R К /( R Г +R ВХ ); K U2хх =- *R К /( R Г +R ВХ ). б) по симметричным выходу: K U12хх =(U вых1 – U вых2 ) /(U вх1 – U вх2 ) = = - *R К /( R Г +R ВХ ).

Дифференциальные усилители 2 Входное сопротивление. R ВХ = 2*[r Б + (1+ )*r Э ], для его увеличения в ценпь эмиттера включают резистор. 3 Выходное сопротивление: R ВЫХ = 2*R К. Оценим влияние сопротивления нагрузки на значение коэффициента усиления, для чего составим упрощенную эквивалентную схему. Для этой схемы: K U12 = K U12хх * K п ; R ВЫХ = 2*R К. K п =R н */(2*R к +R н ).

Дифференциальные усилители Проведем преобразования, в результате получим: K U12 =[ - *R К /( R Г +R ВХ )]*[R н */(2*R к +R н )]= = (1/2)*[- *(2*R К ) R н ]/( R Г +R ВХ ).

Дифференциальные усилители При подаче на вход дифференциального каскада синфазного напряжения U вых1 и U вых2 изменяются, но в полностью сбалансированном каскаде их разность остается постоянной. Определим параметры каскада при подаче синфазного сигнала по эквивалентной схеме. Учтем, что r Э >R К, тогда R ВХ син = r Б + 2*(1+ )*[R Э r* К /2].

Дифференциальные усилители Коэффициент усиления напряжения K U син =- *R К /( R Г +R ВХ син ). Поскольку R ВХ син >>R ВХ, то K U син K ос.син нес, поскольку синфазный сигнал увеличивает как U вых1 так и U вых2, а из разность остается неизменной.

Дифференциальные усилители Особенности: - усиливает дифференциальный сигнал; - ослабляет синфазный сигнал; - температурные, временные и режимные дрейфы значительно меньше, чем у УПТ прямого усиления.