4.2.2. Балансный усилитель постоянного тока
Балансные усилители постоянного тока используют для значительного снижения дрейфа нуля в усилителях постоянного тока и применяют обычно для усиления очень слабых сигналов.
Балансные усилители строят на двух одинаковых усилительных плечах. Ниже на рисунке 4.3 показан простейший транзисторный балансный усилитель постоянного тока.
Симметричность этой схемы обеспечивается тем, что VT1 и VT2 однотипные транзисторы с одинаковыми характеристиками, R1=R2, оба плеча усилителя питаются от общего источника питания Ек. Резистор Rэ служит для температурной стабилизации работы транзисторов и является общим для эмиттерных цепей транзисторов.
Рис. 4.3
Входное напряжение подается между выводами эмиттеров. Выходное напряжение снимается с коллекторов транзисторов.
Симметричность схемы обеспечивает равенство нулю выходного напряжения при нулевом входном напряжении. Это объясняется тем, что в отсутствие входного напряжения транзисторы VT1 и VT2 работают в одинаковых режимах и потенциалы коллекторов в этом случае одинаковы.
При подаче входного напряжения симметричность режимов работы транзисторов нарушается, так как потенциалы эмиттеров оказываются противоположных знаков. При этом транзистор, на базу которого подается «+» входного напряжения, оказывается закрытым и потенциал на его коллекторе равен –Ек. Транзистор, на базу которого подается «-» входного напряжения, оказывается открытым и потенциал на его коллекторе понижается. Таким образом, выходное напряжение уже не равно нулю и оно тем больше, чем больше величина входного напряжения, если, конечно открытый транзистор не выходит в режим насыщения. При изменении полярности входного напряжения знак выходного напряжения также меняется. Описанные свойства балансного усилителя проиллюстрированы на диаграмме - рис. 4.4:
Рис. 4.4
На диаграмме выделен рабочий участок характеристики усилителя – АВ.
½Uвх мах½ - максимальное входное напряжение усилителя, которое еще усиливается усилителем.
½Uвых мах½ - максимальное выходное напряжение усилителя.
Очевидно, что ½Uвх мах½=½Ек½.
Коэффициент усиления балансного усилителя обычно больше коэффициента усиления одноактного усилителя, собранного на одном транзисторе. По сравнению с однотактным усилителем балансный усилитель менее чувствителен к внешним условиям, например к изменению температуры, к изменению напряжения питания.
Очевидно, что качество работы балансного усилителя зависит от степени приближенности реального усилителя к его идеальной симметричности. Наилучшим образом это приближение достигается в балансных усилителях в интегральном исполнении.
4.2.3. Операционные усилители
Операционным усилителем (ОУ) называют многокаскадный балансный усилитель постоянного напряжения в интегральном исполнении с большим коэффициентом усиления (k=103 – 106). На базе ОУ строят различные устройства: усилители постоянного и переменного напряжения с заданными параметрами, компараторы и др.
На рис. 4.5 представлено обозначение микросхемы ОУ.
Рис. 4.5
Интегральный ОУ имеет два входа: инвертирующий (обратный), обозначенный на рисунке кружком, и неинвертирующий (прямой). Верхний вывод справа – выход. Выводы «+U» и «-U» используются для подключения двуполярного источника питания. Вывод «┴» - общий вывод («земля»). Сигнал на выходе ОУ инвертирован относительно напряжения, подаваемого на его инверсный вход, и неинвертирован по отношению напряжения, подаваемого на его прямой вход.
Основные параметры ОУ: Напряжение питания Uп и коэффициент усиления К..
Идеализированная характеристика ОУ имеет вид, показанный на рис.4.6
Рис.4.6
Используя эту характеристику определим максимальное входное напряжение для ОУ, если Uп=5 В и k=10000. По определению k = Uвых/Uвх = Uвых мах/Uвх мач Из этой формулы получим Uвх мач = Uвых мах/k и, учитывая, что Uвых мах= Uп, получим:
Uвх мач = Uп/k
Uвх мач= 5 В/10000=0,0005 В= 0,5 мВ.
Как видно, полученное значение Uвх мач микросхемы ОУ, очень мало и мало из-за большого значения k. Этот «недостаток» ОУ устраняют введением в усилитель отрицательной обратной связи с помощью резистора, включаемого между выходом ОУ и его инверсным входом.