151045 (Усилители постоянного тока и операционные усилители)

1. УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1.1. Общие сведения

В устройствах автоматического управления, регулирования и контроля часто регистрируются величины, изменение которых во времени происходит чрезвычайно медленно, т.е. их частота составляет всего лишь единицы или даже доли герца. Для усиления таких медленно изменяющихся напряжений или токов необходимы усилители, полоса пропускания которых имеет нижнюю границу f_н = 0. Усилители, обладающие этим свойством, носят название усилителей постоянного тока (УПТ) независимо от того, какая из величин – ток или напряжение – подлежит усилению, а также независимо от значения верхней частоты рабочего диапазона частот. При этом необходимо подчеркнуть, что обычно основная информация заключается не в исходном постоянном напряжении, а в его последующих изменениях, не важно в каких, медленных или быстрых (с частотами до f_в).

Типичная АЧХ таких усилителей приведено на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1. Амплитудно-частотная характеристика УПТ

Следует обратить внимание на то, что в области высших частот АЧХ не отличается от характеристики усилителей с резистивно-емкостной связью.

При усилении слабых электрических сигналов одного каскада обычно оказывается недостаточно, поэтому приходится применять, как и в случае усилителя переменных сигналов, усилитель, состоящий из нескольких каскадов. Соединение каскадов между собой, не представляющее сложности в усилителях переменного напряжения, при усилении постоянного тока или напряжения сопряжено с преодолением больших сложностей. Это, прежде всего, обусловлено тем, что в усилителях постоянного тока для связи выхода предшествующего каскада с входом последующего не могут быть применены ни трансформаторы, ни разделительные конденсаторы. Поэтому единственной схемой межкаскадной связи, пригодной для усилителей постоянного тока прямого усиления, является схема гальванической связи. Такая связь вносит в усилитель постоянного тока ряд специфических особенностей, затрудняющих как построение усилителя, так и его эксплуатацию.

Усиление постоянных напряжений и токов можно осуществляется двумя принципиально различными методами: непосредственно по постоянному току и с предварительным преобразованием постоянного тока в переменный. В соответствии с этим усилители постоянного тока делятся на два основных типа: усилители прямого усиления и усилители с преобразованием.

1.2. УПТ прямого усиления

Все схемы усилителей, рассмотренные в предыдущих разделах, для УПТ не годятся, т.к. в них связь между каскадами осуществляется через разделительные конденсаторы или трансформаторы, через которые невозможно пропустить ультранизкочастотные колебания. Для межкаскадной связи здесь пригодны элементы, сопротивление которых в широком диапазоне частот от f_н = 0 и выше остаются практически неизменными. В качестве таких элементов могут быть использованы резисторы, стабилитроны, диоды. Применяется также непосредственное присоединение выхода предыдущего каскада к входу последующего. Примеры построения таких схем приведены на рисунке 6.1 (показано только два каскада, на элементах которых поставлены необходимые для анализа обозначения).

Рисунок 6.1. Схема УПТ с непосредственной связью и увеличением напряжения на эмиттере

Как видно из рисунка, высокое выходное постоянное напряжение предыдущего каскада непосредственно подается на базу последующего. Это не только необходимо учитывать при расчете напряжения смещения второго транзистора, но и также может привести к выходу его из строя. Поэтому, в схемах УПТ прямого усиления необходимо либо увеличивать напряжение на его эмиттере, либо уменьшать напряжение на базе последующего каскада.

В схемах рисунка 6.1 использован первый подход: в цепь эмиттера введены дополнительные элементы – резистор или стабилитрон. Кроме повышения напряжения эмиттера это приводит к образованию отрицательной обратной связи, которая уменьшает коэффициент усиления схемы. Например, в первых двух схемах коэффициент усиления второго каскада

. (6.1)

Избавится от обратной связи, как это было в эмиттерной стабилизации с помощью шунтирующего конденсатора (см. раздел 3,6), невозможно, т. к. нижняя частота каскада f_н = 0. Для ослабления обратной связи необходимо уменьшить величину резистора R_э. На схеме рисунка 6.1,б это сделано в результате пропуская через него ток от источника питания (Е_к). В таком случае, при одинаковом напряжении U_э, сопротивление резистора , будет меньше, чем в предыдущей схеме, когда через него протекал только ток эмиттера I_Э2. На схеме рисунка 6.1,в в цепи эмиттера использован стабилитрон. В этом случае, величина сопротивления в цепи эмиттера будет определяться динамическим сопротивлением стабилитрона. Можно вместо стабилитрона включать источник ЕДС.

Уменьшение напряжения на базе последующего транзистора осуществляется с помощью делителя выходного напряжения первого каскада (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2. Схема УПТ с непосредственной связью и уменьшением напряжения на базе

Уменьшение напряжения, получаемое за счет использования простейшего резистивного делителя (рисунок 6.2,а) нецелесообразно. В этом случае, во столько раз уменьшается постоянное напряжение на базе во столько же раз уменьшается суммарный коэффициент усиления всей схемы. Для того, чтобы это не происходило, можно в качестве верхнего плеча делителя напряжения включать источник ЕДС или стабилитрон (рисунок 6.2,б), или в нижнее плечо – источник тока (рисунок 6.2,в). Необходимо отметить, что включение стабилитрона по рисунку 6.1,б предпочтительнее, чем в схеме рисунка 6.2,б т.к. ток эмиттера существенно больше тока базы и стабилитрон работает в лучшем режиме.

1.3. Напряжение смещение нуля и его дрейф

При разработке усилителя обычно задают начальный (исходный) уровень входного сигнала и диапазон его изменения в определенном частотном диапазоне. Как частный случай начальный входной сигнал может быть равен нулю (U_{вх нач} = 0). Этому начальному сигналу должен соответствовать какой-то выходной сигнал. Частный случай выходного сигнала – U_вых = 0 при U_{вх нач} = 0, что можно добиться в результате использования нескольких источников питания, различных схемных решений, подобных, например, тем, которые использованы в операционных усилителях. Для более простых схем исходное выходное напряжение (U_вых при U_{вх нач}) обычно отличается от нуля. Например, в схемах рисунков 6.1 и 6.2 оно будет равно напряжению на коллекторе второго транзистора при U_вх = U_{вх нач}. В разделе 3.4 показана зависимость этого напряжения от разброса номиналов резисторов и параметров транзистора доже для одного каскада. Конечно, можно опытным путем определить величину выходного напряжения при подаче на вход исходного начального сигнала и последующие изменения определять относительно этого значения. Но при большом количестве экземпляров однотипных усилителей такой подход будет нерациональным. Обычно указывают определенную величину выходного напряжения при исходном уровне входного. Ее определяют на основе статистических измерений и расчетов.

Каждый экземпляр усилителя может иметь индивидуальное выходное напряжение (при U_{вх нач} = 0), отличающееся от нормативного. Это отклонение называют напряжением смещения нуля. Объяснение такому наименованию следует искать в операционных усилителях – наиболее массовом типе УПТ. У них за начальный уровень входного сигнала принято напряжение, равное нулю, а соответствующее выходное при двуполярном симметричном питании также должно быть равно нулю. Поэтому для них напряжение смещения нуля – это напряжение на выходе при закороченном (нулевом) входе, причем оно отсчитывается относительно земли (нуля).

Более выгодным является пересчет напряжения смещения нуля во входную цепь:

, (6.2)

где U_{cм вх} – приведенное (ко входу) напряжение смещения нуля;

U_{см вых} – напряжение смещения нуля на выходе усилителя;

К – коэффициент усиления.

Можно считать что это напряжение всегда приложено ко входу УПТ (рисунок 6.3), вызывая появление на выходе дополнительного напряжения, не обусловленного входным полезным сигналом.

Рисунок 6.3. УПТ с источником напряжения смещения нуля, приведенного ко входу

Такой подход сразу же показывает один из методов борьбы с напряжением смещения нуля – надо на вход усилителя подать (кроме входного полезного сигнала) еще дополнительное напряжение, по величине равное U_смвх, но противоположное ему по знаку. Дополнительное напряжение скомпенсирует U_{см вх} и изменение выходного напряжения будет отображать изменение входного информационного сигнала. В операционных усилителях, которые, как было указано выше, являются самыми распространенными типами УПТ, приводимые в технической литературе значения напряжения смещения нуля являются напряжения смещения нуля, приведенными ко входу. В определении этого параметра операционных усилителей, указывается, что U_см – это то напряжение, которое необходимо подать на вход в отсутствии информационного сигнала, при котором выходное напряжение становится равным нулю.

Большим недостатком УПТ прямого усиления, которое резко сужает их область применения, является зависимость их характеристик и параметров от дестабилизирующих факторов – температуры, напряжения источника питания, сопротивления нагрузки и т.п. Их влияние, прежде всего, проявляется в нестабильности положения рабочей точки. Подобная зависимость наблюдается и в каскадах усилителей переменного тока (см. разделы 3). Однако в них она не приводила к ухудшению параметров всей схемы. Даже если рабочая точка какого-либо каскада и изменилась, то это изменение не сказывалось на рабочей точке последующих каскадов, так как элементы межкаскадной связи (конденсаторы, трансформаторы) не пропускали на вход последующих каскадов постоянную составляющую. Поэтому никаких дополнительных мер, кроме стабилизации точки покоя отдельного каскада, в усилителях переменного тока обычно не предпринимается.

Для УПТ прямого усиления изменение напряжения на входе первого каскада (неважно, по каким причинам – из-за изменения входного полезного сигнала или из-за изменения положения рабочей точки, например, в связи с изменением температуры, старения элементов или любых других дестабилизирующих факторов) усиливается этим и последующими каскадами. Это приводит к тому, что даже при отсутствии входного сигнала и компенсации U_{см вх} напряжение на выходе УПТ изменяется. Это явление получило название дрейфа нуля. Характеристика дрейфа для наиболее значимых дестабилизирующих факторов обычно приводится в технической документации на УПТ. Например, в параметрах операционных усилителей имеется показатель изменения напряжения смещения нуля при изменении температуры на один градус.

Напряжение дрейфа на выходе усилителя, даже при компенсации U_см, может оказаться одного порядка с напряжением сигнала или даже больше его. Поэтому наряду с такими методами уменьшения дрейфа, как стабилизация напряжения источников питания, применение глубокой отрицательной обратной связи и другие, используют сугубо схемотехнические меры, связанные с рациональным выбором элементов и построением самих схем усиления.

Основными методами повышения устойчивости УПТ являются:

1. Применение балансных (мостовых) схем.

2. Преобразование постоянного напряжения в переменное и усиление переменного напряжения с последующим выпрямлением (усиление с модуляцией и демодуляцией сигнала – МДМ).

1.4. Балансные схемы УПТ

Балансные УПТ строятся на основе схемы сбалансированного четырехплечного уравновешенного моста: два одинаковых усилительных элемента, работающие в идентичном режиме, образуют два плеча моста, а другими двумя плечами являются два одинаковых резистора R_к в их коллекторной цепи. Каскады могут быть выполнены как на основе биполярных, так и полевых транзисторов. Типовая балансная схема транзисторного УПТ приведена на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4. Балансная схема УПТ

Данная схема по существу представляет собой мост, плечами которого являются коллекторные резисторы R_к и внутренние сопротивления транзисторов VTI и VT2. Резисторы R_б1 и R_б2 входят в делители напряжения источника витания и служат для выбора исходного режима работы транзисторов. В объединенную эмиттерную цепь включен резистор R_э. К одной из диагоналей поста подведена напряжение источника питания Е_к, а с другой – снимаются выходное напряжение (нагрузку каскада подключают между коллекторами транзисторов):

(6.3)

Для нормальной работы схемы необходима полная симметрия плеч. В этом случае в исходном состоянии (до поступления входного сигнала) мост окажется сбалансированным, а напряжение на его выходе будет равно нулю. Реально симметрия достигается, прежде всего, выбором согласованной пары (идентичных) транзисторов и вспомогательных элементов каскада (резисторов цепей смещения, стабилизации и т.п.). Нередко используются транзисторные сборки, в которых оба активных элемента выполняются в едином технологическом процессе на одной подложке, в непосредственной близости друг от друга. Если в схеме обеспечена абсолютная симметрия, то выходное напряжение не изменяется из-за действия дестабилизирующих факторов (температуры и других внешних факторов).

При полной симметрии плеч токи покоя обоих транзисторов, а также их отклонения в случае изменения режима (например, при изменении напряжения Е_к изменении температуры и т. п.) имеют равную величину. Потенциалы коллекторов при этом также равны или получают одинаковые приращения напряжений. Поэтому при одинаковом воздействии дестабилизирующих факторов на оба транзистора одновременно баланс моста не нарушается и выходное напряжение не появляется, т.е. напряжение дрейфа равно нулю.