3.14. Усилители постоянного тока

Усилителями постоянного тока называют такие устройства, которые могут усиливать медленно изменяющиеся электрические сигналы, то есть они способны усиливать и переменные и постоянные составляющие входного сигнала. Усилители постоянного тока имеют много разновидностей (дифференциальные, операционные, усилители с преобразованием входного сигнала и др.). Поскольку такие устройства пропускают наряду с переменной составляющей еще и постоянную, то отдельные каскады должны быть связаны между собой либо непосредственно, либо через резисторы, но не через разделительные конденсаторы или трансформаторы, которые не пропускают постоянную составляющую. Основную проблему усилителей постоянного тока представляет дрейф нуля – отклонение напряжения на выходе усилителя от начального (нулевого) значения при отсутствии входного сигнала. Основной причиной этого явления являются температурная и временная нестабильность параметров активных элементов схемы усилителя, резисторов, а также источников питания. Одним из возможных путей уменьшения дрейфа нуля является использование дифференциальных усилителей.

3.14.1. Дифференциальные усилители

П ринцип работы дифференциального усилителя поясним на примере четырехплечевого моста (рис. 3.47), выполненного на резисторах R1 , R2 , R3, R4 . В одну диагональ включен источник U , а в другую – сопротивление нагрузки . Если выполняется условие

(3.68)

то мост сбалансирован, и ток в будет равен нулю. Баланс не нарушится, если будут меняться напряжение U и сопротивления резисторов плеч моста, но при условии, что соотношение (3.68) сохранится.

На рис. 3.48 представлена схема простейшего дифференциального усилителя. Очевидно, что она аналогична схеме моста на рис. 3.47, если R2 и R4 заменить транзисторами VT1 и VT2 и считать, что R1 = , R3 = .

Сопротивления и выбирают равными, а транзисторы VT1 и VT2 – идентичными. Тогда при отсутствии входного сигнала также равно нулю. Температурное воздействие будет одинаковое на оба идентичных транзистора, поэтому, хотя их параметры и изменятся, но одинаково и в одну сторону, что не отразится на выходном сигнале, так как разность и останется неизменной. Если на входы схемы и подать одинаковые сигналы по величине и фазе, называемые синфазными, то токи обоих транзисторов будут изменяться на одинаковую величину, соответственно будут изменяться напряжения и , а напряжение по прежнему будет сохраняться равным нулю. Если на входы подать одинаковые по величине, но сдвинутые по фазе на 180 сигналы, называемые дифференциальными, то возрастание тока в одном плече будет сопровождаться уменьшением тока в противоположном. И, вследствие последнего появится напряжение на дифференциальном выходе . Изменение температуры, паразитные наводки, старение элементов и др. можно рассматривать как синфазные входные воздействия. Исходя из этого, дифференциальный каскад обладает очень высокой устойчивостью работы и малочувствителен к помехам.

Выводы:

1. Дифференциальные усилители предназначены для усиления сколь угодно медленно изменяющихся во времени сигналов, частотный диапазон которых начинается от 0 Гц.

2. Дифференциальный усилитель: имеет следующие достоинства: малый дрейф нуля; высокая степень подавления синфазных помех.

3. Недостатки дифференциального усилителя: требует двухполярного источника питания; необходима очень высокая симметрия схемы.