4.10. Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока часто называются усилителями медленно изменяющихся величин или усилителями с гальваническими связями.

Особенностью схем усилителей постоянного тока является отсутствие в них реактивных элементов – индуктивностей, конденсаторов, трансформаторов. Для медленно изменяющегося напряжения сопротивление катушки индуктивности будет равно нулю, а сопротивление конденсатора Х_с=1/С равно бесконечности. Отсюда становится ясным, что связь между каскадами не может быть емкостной и не может быть индуктивной. Это вызывает серьезные трудности при проектировании усилителей постоянного тока.

Область применения усилителей постоянного тока широка. Они применяются в разных устройствах автоматики, так как многие датчики (термодатчики, фотодатчики) систем регулирования выдают сигнал в виде постоянного тока.

Из-за гальванической связи между каскадами любое изменение коллекторного напряжения предыдущего каскада, вызванное изменением напряжения источника питания Е_к и старением элементов схемы или изменением температуры окружающей среды, последующими каскадами ощущается как полезный сигнал и усиливается.

Непостоянство выходного напряжения, вызванное причинами, не зависящими от уровня входного сигнала, называется дрейфом нуля. Для сравнения различных усилителей постоянного тока дрейф нуля приводится к входу усилителя. Дрейф определяется в мВ/сутки (временный дрейф нуля) или для полупроводниковых усилителей в мВ/град (температурный дрейф). Например, U_вх.др = U_вых.др/К_U = 3 мВ/сутки считается небольшим.

В полупроводниковых усилителях наиболее ощутим температурный дрейф нуля, вызываемый первым каскадом усилителя, так как изменение коллекторного напряжения первого транзистора усиливает остальные каскады. Поэтому во входной цепи усилителя применяется температурная стабилизация.

Эффективным средством снижения дрейфа является применение дифференциальных усилителей.

Рис. 4.15 Схема дифференциального усилителя в ИМС К!УТ221

Пример дифференциального усилительного каскада (интегральная микросхема К1УТ221) с двумя источниками питания показан на рисунке 4.15.

Каскад представляет собой сбалансированный мост, верхние плечи которого образуют резисторы R_к1 иR_к2, а нижние – транзисторы VТ1 и VТ2. Рабочая точка транзисторов обеспечивается источником питания Е_к2, благодаря которому на

эмиттеры транзисторов подан минус, т. е. на базы подан плюс. Транзистор VТ3, резисторы R1, R2, R3 и транзистор VТ4 в данном включении образуют источник стабильного тока

. В подобных схемах часто один вход заземляют, а входной сигнал подают на другой вход. Если подать, например, на вход VТ1 положительный сигнал, VТ1 откроется, его ток эмиттера увеличится, а, поскольку общий ток эмиттеров I_э=const, ток транзистора VТ2 I_э2 уменьшится на ту же величину. Таким образом, коэффициент усиления по напряжению дифференциального каскада будет такой же, как у одного транзистора.

Дифференциальный усилитель имеет широкое распространение, так как является главной составной частью операционных усилителей.