11. Усилители постоянного тока
Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель можно использовать и для усиления переменных сигналов. К таким усилителям можно отнести и операционные усилители.
Для того, чтобы постоянные или медленно изменяющиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на его выход, должны использоваться только гальванические связи между отдельными частями усилителя или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные. Полученные переменные сигналы могут быть усилены с помощью усилителей переменного тока, в которых гальванические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов. После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся.
Характерным свойством УПТ является дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом входном под действием влияния внешней среды (изменений температуры, питающего напряжения, старения электронных элементов).
Основными методами снижения дрейфа являются жесткая стабилизация источников питания усилителей, использование отрицательных обратных связей, применение балансных компенсационных схем УПТ, использование элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры.
Для устранения отмеченных недостатков УПТ строят в виде параллельно-балансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, который можно назвать дифференциальным усилителем.
Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах
Схема дифференциального усилителя представлена на рис. 11.1.
Рис. 11.1. Дифференциальный усилитель
Основная идея, реализованная в дифференциальном каскаде, состоит в использовании в одном целом двух совершенно одинаковых половин. Это приводит к тому, что выходное напряжение uвых.диф очень слабо зависит от входного синфазного напряжения и практически определяется только uвх.диф.
Дифференциальное входное напряжение определяется выражением
.
Коэффициент усиления по напряжению для дифференциального сигнала Кдиф описывается выражением
.
Как известно, при увеличении начального тока в цепи эмиттера величина rэ уменьшается, а при уменьшении увеличивается. Поэтому при увеличении тока i0 коэффициент Кдиф увеличивается. Это позволяет изменять коэффициент усиления, изменяя начальный режим работы усилителя.
Усилитель постоянного тока с модуляцией и демодуляцией (усилитель типа мдм)
В усилителях рассматриваемого типа входной постоянный или медленно изменяющийся сигнал преобразуется (модулируется) в переменный повышенный частоты. Полученный сигнал усиливается с помощью усилителя переменного напряжения, а затем вновь преобразуется (демодулируется) в постоянный или медленно изменяющийся. Частота переменного напряжения часто составляет десятки килогерц.
Структурная схема усилителя типа МДМ приведена на рис. 11.2.
Рис. 11.2. Структура усилителя Рис.11.3. Временные диаграммы
с МДМ напряжений в усилителе
Модулятор преобразует постоянный или медленно изменяющийся входной сигнал в переменное напряжение с частотой fоп, определяемой генератором опорного напряжения, и амплитудой, пропорциональной входному сигналу. Переменное напряжение uм с выхода модулятора поступает на вход низкочастотного усилителя переменного тока. Демодулятор – фазочувствительный выпрямитель – преобразует переменное напряжение в постоянное, причем величина постоянного напряжения пропорциональна амплитуде переменного напряжения, а следовательно, пропорциональна входному сигналу.
Временные диаграммы указанных на схеме напряжений, поясняющих работу усилителя, приведены на рис. 11.3.
Вследствие того, что в усилителях типа МДМ разорваны гальванические связи между каскадами, удается достичь высокого качества усиления, так как дрейф нуля в данной схеме отсутствует. Такие усилители могут использоваться в высокоточных (прецизионных) устройствах.
Еще одним достоинством усилителей типа МДМ является возможность изолировать с помощью трансформатора входную и выходную части. Изолирующие усилители широко используются, например, в медицинской электронике.