Підсилювачі постійного струму

Підсилювачі постійного струмупризначені для підсилення сигналів, які повільно змінюються з часом, тобто сигналів, частота яких наближається до нуля. При таких частотах неможливо використовувати реактивні елементи (конденсатори, трансформатори) для міжкаскадних зв’язків, а також для зв’язку входу і виходу підсилювача відповідно з джерелом і приймачем сигналу. Тому в підсилювачах постійного струму застосовують безпосередньо омічний (гальванічний) зв’язок.

При омічних зв’язках відсутня розв’язка по постійному струму між окремими каскадами, що викликає труднощі у виборі режиму початкового зміщення. Крім того, в процесі роботи, при відсутності реактивних зв’язків, полегшується проходження сигналу завади, який виникає внаслідок зміни параметрів елементів схеми при зміні температури і напруги джерела живлення. Сигнал завади, обумовлений внутрішніми процесами, називається дрейфом нуля підсилювача.

Підсилювачі постійного струмуподіляються на:

-диференційні;

-операційні.

 

Диференціальний підсилювач

 Диференціальний підсилювач (ДП) - це балансні (мостові) підсилювальні каскади паралельного типу, які характеризуються високою стабільністю параметрів при дії на них різних стабілізуючих факторів, великим коефіцієнтом підсилення диференціальних сигналів і високим ступенем заглушування синфазних завад.

    Структурна схема ДП наведена на рис.84, типова – на рис.85.

Типова схема складається з двох каскадів, у яких використовується загальний емітерний резистор R_е . Елементи схеми утворюють міст, в одну діагональ якого вмикаються резистори R_K1 і R_K2 , а в другу – транзистори VT₁ і VT₂ .Необхідними умовами для нормальної роботи ДП є рівність резисторів R_K1 = R_K2 і ідентичність параметрів  VT₁ і VT₂ , тобто вона повинна бути повністю симетричною. В цьому випадку в початковому стані ( до надходження вхідного сигналу) міст буде повністю збалансованим, а напруга на його виході буде дорівнювати нулю (примітка: умовою балансу моста є рівність добутку опорів протилежних плечей, тобто в нашому випадку R_K1 R_заг2 = R_K2 R_заг1, де R_заг1, R_заг2 - сума внутрішнього опору відповідного транзистора і R_е).

Порушення умови балансу приводить до розбалансування моста і появі вихідної напруги, пропорційної розбалансу, що виникло. Такий розбаланс може виникати, наприклад, при зміні вихідних опорів R_{VT 1} і R_{VT 2}, які , в свою чергу, залежать від вхідних напруг U_вх1 і U_вх2 . 

    Можна стверджувати, що, якщо елементи схеми будуть повністю ідентичні, вихідна напруга при дії будь-яких факторів буде залишатися сталою. При наявності балансу будь-яка зміна напруги живлення не викличе зміну вихідної напруги.

    Якщо параметри транзисторів ідентичні, то зміна температури приведе до однакових змін струмів обох транзисторів. В результаті абсолютне значення вихідної напруги залишиться незмінним.

    Слід звернути увагу, що диференціальний підсилювач має два входи і два виходи, тобто на нього можна подавати і знімати симетричні прирощення сигналів. Тому для вихідної напруги можна записати:

 

                          U_вих = U_вих1 - U_вих2 = -К₁ U_вх1 – ( - К₂ U_вх2 ),

де К₁ - коефіцієнт підсилення каскаду на транзисторі VT1; К₂ – коефіцієнт підсилення на транзисторі  VT2.

Для диференціального підсилювача в загальному випадку прирощення напруги на його входах мають протилежні знаки: U_вх1 = -U_вх2 і U_вх = U_вх1 - U_вх2 = 2U_вх1.

    Використовуючи останні вирази, одержимо:

                  U_вих = - U_вх (К₁ + К₂) / 2 = - U_вх К_ДП ,

де К_ДП = (К₁ + К₂) / 2 – коефіцієнт підсилення диференціального підсилювача.

 

Висновок 1: коефіцієнт підсилення за напругою диференціального підсилювача при рівній температурній стабільності завжди більший за коефіцієнт підсилення в каскаді на одиночному транзисторі.

    Так як для диференціального підсилювача прирощення напруги на його входах однакові і мають протилежні знаки: U_вх1 = -U_вх2 , то і викликані ними прирощення як колекторного, так і емітерного струмів також мають протилежні знаки. Зміни колекторних потенціалів обох транзисторів, викликані протилежними за знаком прирощеннями колекторних струмів, що протікають через різні резистори, приводять до появи вихідної напруги:

 

                 Δ U_вих = Δ І_{К 1} R_K1 – ( - Δ І_К2 R_K2 ) = R_K (Δ І_К1 + Δ І_К2 ) .

 

На загальному емітерному резисторі зміна емітерних струмів дає відповідне прирощення:

                                                Δ U_Е = R_E (Δ І_E1 - Δ І_E2 ) .

Якщо параметри обох половин диференціального підсилювача однакові, то | Δ І_E1| = | Δ І_К2| і Δ U_E = 0.

Як вже відмічалося, напруга Δ U_E відображає дію в каскаді, виконаному за схемою з загальним емітером, послідовного ВЗЗ(від’ємного зворотного зв’язку) за струмом навантаження. Відсутність цієї напруги говорить про те, що в повністю симетричному диференціальному каскаді як по постійному струму, так і по змінному, дія ВЗЗ відсутня.            

На відміну від корисного сигналу, напруга, яка викликана дією різних збурюючих факторів, таких , як температурна зміна параметрів транзисторів, зміна напруги живлення, старіння елементів і т.п. , діє на обидва входи диференціального підсилювача в фазі. Такі напруги прийнято називати синфазними. Згідно сказаному, U_{1вх с ф}  = U_{2вх с ф} =  U_{вх с ф} .

    Для синфазних сигналів (по аналогії, як ми зробили вище), можна записати:

 

       U_{вих с ф} = - U_{вх с ф} К₁ – ( - U_{вх с ф} К₂)   = - U_{вх с ф} (К₁ – К₂ ) = - U_{вх с ф}  К_{с ф} .

 

Так як маємо різницю коефіцієнтів підсилення і враховуючи, що вони однакові (дестабілізуючі фактори однаково впливають на перший і другий транзистори при їх повній ідентичності), то з одержаного виразу випливає висновок, що вже був зроблений раніше:

Висновок 2: при однакових параметрах обох половин схеми вихідна напруга диференціального підсилювача не залежить від дії зовнішніх дестабілізуючих факторів.

    В реальному підсилювачі із-за неминучої асиметрії схеми К₁ ≠ К₂ і тому відбувається тільки часткова компенсація зміни вихідної напруги, яка викликана дією зовнішніх дестабілізуючих факторів. Причому, чим ближче властивості елементів, що входять до схеми, тим менший дрейф нуля каскаду.

    Ступінь компенсації дрейфу нуля прийнято характеризувати коефіцієнтом заглушення синфазних вхідних напруг диференціального підсилювача.

    Під коефіцієнтом заглушення вхідних синфазних напруг розуміють відношення прирощень синфазного і диференціального вхідних напруг, що приводять до однакової зміни вихідної напруги диференціального підсилювача.

    Згідно даному визначенню U_вих = U_вх К_UК = U_{вх с ф} К _{c ф} , звідки:

                                    

                                           К_{п с ф} =  U_{вх с ф} / U_вх = К_UК / К _{c ф} .

    Величина К_{п с ф} в сучасних диференціальних підсилювачах досягає

10 000 ... 100 000.                 

Операційний підсилювач  

Сучасний етап розвитку електроніки характеризується тим, що при проектуванні електронних засобів різного призначення використовують не дискретні елементи (транзистори, діоди, резистори, конденсатори і т.п.) , а закінчені функціональні вузли, виконані у вигляді інтегральних схем (ІС). Це дозволяє підвищити експлуатаційні характеристики апаратури, підвищити її надійність. Розглянемо найбільш розповсюджену аналогову інтегральну схему - операційний підсилювач.

    Операційний підсилювач (ОП) є багатокаскадним підсилювачем постійного струму, що задовольняє наступним умовам:

- коефіцієнт підсилення за напругою К_U прямує до нескінченності;

- вхідний опір прямує до нескінченності (а це значить, що вхідний струм повинен бути рівним нулю);

- вихідний опір прямує до нуля (а це значить, що навантаження не повинно впливати на вихідну напругу);

- частотний діапазон підсинюваних сигналів повинен простиратися від сталої напруги до дуже високих частот;

- якщо вхідна напруга дорівнює нулю, то вихідна напруга теж дорівнює нулю.

 - оскільки коефіцієнт підсилення дуже великий, то при скінченому значенні вихідної напруги напруга на його вході повинна бути близькою до нуля.

Його умовне схематичне позначення наведено на рис.86.

Вхідне коло ОП звичайно виконується за диференційною схемою, а це значить, що вхідні сигнали можна подавати на будь-який з двох входів, один з яких змінює полярність вихідної напруги і тому називається інвертувальним, а другий не змінює полярності вихідної напруги і називається – неінвертуальним (тобто фазові відношення вхідного і вихідного сигналів для різних входів відрізняються).

Інвертувальний вхід можна позначати кружечком або писати біля нього знак (+).

Вихідна напруга ОП U_вих пов’язана з вхідними напругами U_вх1 і U_вх2 співвідношенням:

U_Y = К_U (U_вх2 - U_вх1 ) ,

де К_U – власний коефіцієнт підсилення за напругою.

Різницю напруг (U_вх2 - U_вх1 ) = U_диф – називають диференціальним вхідним сигналом.                         

Тому можемо дати інше визначення ОП:

Операційним підсилювачем (ОУ) називається диференціальний підсилювач електричних сигналів, у якого вихідна напруга U_Y пропорційна різниці вхідних напруг U_вх1  і U_вх2 .

    Як було вже відмічено раніше, К_U повинен прямувати до нескінченності, але на практиці він обмежується значеннями 10 ⁵ – 10 ⁶ .

Основні параметри ОП:

1. Коефіцієнт підсилення за напругоюК_U характеризує величину підсилення диференціального сигналу, що подається на входи підсилювача:

К _U = ∆ U_вих / ∆U_вх.

2. Вхідна напруга зміщення U_зм – це напруга , яка обумовлена в основному неідентичністю напруг емітерних переходів транзисторів вхідного диференціального підсилювача. Наявність цієї напруги приводить до порушення умови, згідно якому U_вих → 0 |_{Uвх = 0}. Чисельно U_зм дорівнює величині напруги, яку треба прикласти до входу ОП, щоб вихідна напруга дорівнювала нулю. Типове значення U_зм складає одиниці або десятки мілівольт.

3. Вхідний струм (І_вх) – струм, що протікає у вхідному колі ОП і необхідний для забезпечення необхідного режиму його роботи (типове значення – від одиниць мікроампер до декількох десятків наноампер).

4. Різниця вхідних струмів ∆І_вх = / І_вх1 – І_вх2 / - струм зсуву, обумовлений неоднозначністю величин коефіцієнтів підсилення транзисторів .

5. Коефіцієнт послаблення синфазного сигналу, визначається як відношення напруги синфазного сигналу, поданого на обидва входи ОП, до диференціальної вхідної напруги, яка забезпечує на виході сигнал такої ж величини, як і у випадку синфазної напруги.

К_{п с ф} =  U_{вх с ф} / U_вх при U_{вих с ф}  = U_{вих диф}

---

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 113; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!