5.4. Электрометрические и измерительные усилители

Эти усилители предназначены для измерения напряжения и тока сверхмалых значений. Измерение напряжения производится в диапазоне от 0 до 100 мВ, а измерение тока — от 10^-16 до 10^-3 А. Для электрометрических усилителей основным параметром является большое входное сопротивление. Они работают в области частот от 0 до 10 Гц. Основной погрешностью этих усилителей является временной и температурный дрейфы нуля. Электрометрические усилители нашли большое применение для усиления малых сигналов и потенциалов различных датчиков.

На рис. 5.5 показана схема и характеристики термостабильного электрометрического усилителя, который позволяет измерять минимальный ток 10^-5 А. Выходное напряжение при этом равно 50 мВ. Усилитель содержит входной каскад на сборке полевых транзисторов DA₁. Сигнал с полевых транзисторов подается на вход ОУ. Для балансировки схемы служат потенциометры R₅ и R₁₀. Временной дрейф схемы составляет 20 мВ/ч, а температурный — 5 мВ/°С.

Рисунок 5.5. Схема электрометрического усилителя (а) и его частотная характеристика (б).

5.5. Многокаскадные усилители

Разработка многокаскадных усилителей связана с тем, что получить большой (более 100) коэффициент усиления на одном активном элементе практически нельзя. Многокаскадные усилители должны строиться с таким расчетом, чтобы при большом коэффициенте усиления в устройстве не возникали паразитные колебания. Для исключения паразитных возбуждений приходится применять специальные меры. К ним относятся:

• разделение общего коэффициента усиления на нечетное число каскадов;

• питание каждого каскада от своего источника (или имеется индивидуальная конденсаторная развязка);

• максимальное удаление выхода последнего каскада от входа первого каскада.

Рисунок 5.6. Трёхкаскадный усилитель с конденсаторной связью

На рис. 5.6 показана схема трехкаскадного усилителя с конденсаторной развязкой между каскадами. Режим по постоянному току у каждого каскада свой. Входной переменный сигнал проходит от каскада к каскаду через разделительные конденсаторы.

5.6. Усилители мощности

Мощные усилители низкой частоты гармонических сигналов являются необходимым элементом любых систем.

Одним из основных параметров этих усилителей является коэффициент усиления по мощности, который зависит от сопротивления нагрузки и входного сопротивления, а также от изменения питающего напряжения.

Рабочий диапазон частот — это полоса частот усилителя, в которой коэффициент усиления остается неизменным. Для усилителей низких частот (УНЧ) рабочий диапазон с удовлетворительными качествами лежит в диапазоне от 16 Гц до 20 кГц. В УНЧ, работающих в полосе частот от 50 Гц до 10 кГц, неравномерность коэффициента усиления частот составляет менее 5 дБ.

Рисунок 5.7. Схема бестрансформаторного усилителя мощности

Нелинейные искажения в УНЧ обусловлены динамической характеристикой. При повышении уровня входного сигнала увеличивается выходная мощность, но возрастает и уровень нелинейных искажений. Искажения менее 1 % для определенной мощности на выходе считаются небольшими и вполне допустимыми для качественного воспроизведения звука. Динамический диапазон усилителя — это разность U_max - U_min, где U_min — превышение номинального уровня выходного сигнала над минимальным уровнем, еще различимым на фоне собственных шумов. Верхний предел выходного сигнала ограничивается заданной нормой нелинейных искажений и номиналом питающего напряжения.