ПІДСИЛЮВАЧІ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ. ППС ПРЯМОГО ПІДСИЛЕННЯ

Підсилювачами постійного струму (ППС) називаються електронні пристрої, які можуть підсилювати дуже повільні електричні сигнали; їх нижча робоча частота fн =0, а вища робоча частота f_В визначається призначенням підсилювача.

У вимірювальній техніці широко застосовують датчики. Вони є перетворювачами неелектричних величин в електричні, часто - в напругу постійного струму. Їх вихідна напруга пропорційна таким неелектричним величинам, як температура, тиск, освітленість і т.ін. Рівень вихідних напруг датчиків невеликий, з часом вони малозмінні або взагалі незмінні. Для підсилення таких сигналів і використовуються підсилювачі постійного струму (ППС).

АЧХ ППС зображена на рис. 75.

Рисунок 75 – АЧХ ППС

Її особливість полягає у тому, що нижня гранична частота діапазону підсилюваних сигналів дорівнює нулю. Отже, є можливість підсилен­ня сигналів постійного струму.

Схемотехнічно це забезпечується відсутністю розділових конденсаторів або трансформаторів між джерелом струму, каскадами і навантаженням. Тобто, ППС є підсилювачем з безпосередніми зв'язками.

Перевага наявності розділових елементів, які забезпечують розділення за постійним струмом і зв'язок за змінним - режим і-го каскаду за постійним струмом не впливає на роботу інших каскадів, джерела сигналу або навантаження.

У підсилювачах з безпосереднім зв'язком вплив дестабілізуючих факторів (наприклад, змін з часом температури або напруги живлення) на режим спокою каскаду призводить до того, що навіть за відсутності вхідного сигналу на виході підсилювача може з'являтися напруга, яка навантаженням буде сприйматися як результат підсилення деякого вхідного сигналу. Це явище називається дрейфом нуля ППС.

Дрейф нуля обумовлюється зміною вихідної напруги за зазначений проміжок часу при відсутності вхідного сигналу

d = (U_{др max} - U _{др. min} )/ K_U,

де U_{др max}, U _{др. min} . - відповідно максимальне та мінімальне значення вихідної напруги за зазначений проміжок часу;

К_U - коефіцієнт підсилення.

Для зменшення дрейфу в ППС застосовують термозалежні елементи (термокомпенсація), запроваджується жорстка стабілізація напруги живлення та, найчастіше, використовують спеціальні балансні схеми, застосування ВЗЗ.

У ППС завжди має бути пристрій установлення нуля, який дає змогу перед роботою встановити нуль на виході ППС (рис.76).

Рисунок 76 – ППС із зовнішніми колами

Найпростішим представником ППС є підсилювач прямого підсилення з безпосередніми зв'язками. Розглянемо схему двокаскадного підсилювача прямого підсилення, зображену на рис. 77.

Рисуноу 77 - Двокаскадний підсилювач постійного струму прямого підсилення

Він складається з двох каскадів, виконаних за схемою зі СЕ. Призначення елементів те ж саме, що і у підсилювачах змінного струму. Вхідний сигнал, що надходить до входу першого каскаду, підсилюється і з колектора транзистора VТ1 подається на вхід другого каскаду, ви­конаного на транзисторі VТ2. Після повторного підсилення, сигнал надходить на навантаження R_н.

На відміну від підсилювача змінного струму, де режим спокою вибирається з умов найліпшого підсилення вхідного сигналу і не впли­ває на навантаження завдяки наявності реактивних елементів зв'язку, у цьому підсилювачі процеси протікають по-іншому. Напруга спокою першого каскаду U_ок безпосередньо подається на вхід другого і, якщо не прийняти спеціальних заходів, під її дією транзистор насичується. Тобто ні про яке підсилення не може йти мови. Для того, щоб виключити це явище, до емітерного кола VТ2 вводять резистор R_Е2, на якому виділяється напруга U_Е2 , що компенсує напругу U_ОК , оскільки спрямована зустрічно.

Тобто виконується умова

U_ОК – U_Е2 = U_ОБ ; U_Е2 = R_Е2І_0Е2,

де І_0Е2 – струм емітера в режимі спокою.

Наявність великих R_ЕІ та R_Е2 призводить до виникнення в схемі глибоких ВЗЗ, що значно знижує коефіцієнт підсилення. Тому такі підсилювачі мають обмежену кількість каскадів (зазвичай не більше двох).

Для того, щоб знизити величину емітерної напруги, можна використати дільник напруги R_Е2, R_д (зображений на рис. 77 пунктиром). У цьому випадку навіть на малому опорі R_Е2 можна одержати потрібний рівень напруги. Але зменшення ВЗЗ призводить до підвищення втрат потужності, а отже, до зниження к.к.д.

Даний підсилювач має велике значення дрейфу нуля і використовується у випадках, коли немає високих вимог до якості підсилення. Для підвищення стабільності схеми в якості R_ЕІ і R_Е2 використовують терморезистори.

Основними методами підвищення стійкості ППС є:

- застосування балансних (мостових) схем.

- перетворення постійної напруги в змінну і підсилення змінної напруги з подальшим випрямленням (підсилення з модуляцією і демодуляцією сигналу – МДМ).

БАЛАНСНІ ППС

Балансні ППС будуються на основі чотириплечого моста з паралельним балансом, схема якого наведена на рис. 78.

Рисунок 78 -Чотириплечий міст

Умова балансу моста: R1/R2 = R3/R4. Тут U₁₂ = 0.

Напруга на виході мосту не залежить від змін  напруги живлення чи від пропорційних змін параметрів плечей.

На рис. 79 зображена найпростіша схема балансного підсилювача.

Рисунок 79 - Балансний підсилювач

Він складається з двох каскадів на транзисторах VТІ і VТ2. Причому параметри елементів обох каскадів повинні бути практично однаковими (в тому числі і транзисторів, що досить важко виконати): R₁ =R′₁ ; R₂ =R′₂ ; R_K1 =R′_K1; R_K2 =R′_K2. Навантаження R_н вмикається між колекторами транзисторів.

Підсилювач являє собою чотириплечий міст, де роль резистора R₁ виконує R_КІ;  R₂ - опір транзистора VТІ; R₃ - R'_K1; R₄ - опір транзистора VТ2.

Якщо вхідний сигнал відсутній, напруга на навантаженні дорівнює нулю (коли схема абсолютно симетрична). Дрейф нуля практично у 20 - 30 разів менший, ніж у підсилювача з безпосередніми зв'язками, оскільки визначається різницею І_0К1 та І_0К2.

Дія вхідної напруги будь-якої полярності приводить до розбалансу моста, оскільки на бази транзисторів подаються напруги різних знаків. При цьому потенціали колекторів одержують однакові по абсолютній величині, але протилежні по знаку прирости, через опір навантаження проходить струм, що створює на Rн  напругу U_вих, величина і полярність якої залежать тільки від величини і полярності вхідної напруги. Таким чином, амплітудна характеристика балансної схеми принципово не повинна відрізнятися від прямої лінії, яка проходить через початок координат.

За наявності вхідного сигналу з полярністю, що вказана на рис. 79, транзистор VТІ трохи відкривається, його колекторний струм зростає, а транзистор VТ2 пропорційно закривається і його колекторний струм зменшується. Внаслідок цього на навантаженні R_н з'являється напруга розбалансу .

Коефіцієнт підсилення становить

К = βR^′_K /R_вх ,

де R^′_K = R_K /2.  

Недоліком такого ППС є наявність значного ВЗЗ, зумовленого великими значеннями R_E1 і R_E2. Виключити цей недолік дозволяє схемотехнічне рішення, наведене на рис. 80.

Рис. 80 - Вилучення впливу ВЗЗ у балансному підсилювачі

У реальних балансних схемах завжди є деяка асиметрія. Тому напруга дрейфу на виході повністю не зникає. Проте дрейф нуля в балансних схемах визначається різницею струмів обох транзисторів і тому значно менше, ніж в звичних схемах прямого підсилення.

ДИФЕРЕНЦІАЛЬНИЙ ПІДСИЛЮВАЧ

Диференційним підсилювачем (ДП) називається підсилювач, який працює по принципу збалансованої мостової схеми і підсилює різницю двох напруг (рис.81).

Рисунок 81 – Диференціальний підсилювач

Коефіцієнт підсилення ДП залежить від способу підключення вхідного сигналу та навантаження:

- з симетричними входом і виходом. Такий ДП використовується як проміжний в трьохкаскадних ППТ і операційних підсилювачах або як вхідний;

- з симетричним входом і несиметричним виходом. Подібний ДП застосовується як проміжний в трьохкаскадних операційних підсилювачах;

- з несиметричними входом і симетричним виходом. Може застосовуватися як вхідний в трьохкаскадних ППТ і операційних підсилювачах;

- з несиметричними входом і виходом.

Визначимо показники ДП при його включенні з симетричним і входом і виходом (рис.3). Розрізняють дію на ДП протифазного і синфазного сигналів.

В ДП вхідні напруги подаються в базові кола транзисторів, а вихідна напруга знімається між колекторами транзисторів, тобто вихідна напруга на симетричному виході пропорційна диференційному (різницевому) вхідному сигналу або сумі протифазних напруг

U_ВИХ.Д = К_U (U_ВХ1 - U_ВХ2)= К_U U_ВХ.Д. U_ВХ.Д = U_ВХ1 - U_ВХ2

Отже, U_ВИХ.Д не залежить від абсолютного значення напруги вхідних сигналів, а визначається їх різністю. Оскільки на транзистори VT1 і VT2 (рис.2) діють протифазні напруги, то струми емітерів цих транзисторів також змінюються в протифазі. Приріст одного струму буде компенсуватися приріст другого, через резистор R_Е протікає тільки постійний струм І₀ = І_Е1 + І_Е2 ≈ 2І_Е.

При дії на ДП протифазних сигналів змінна напруга на R_Е відсутня, ВЗЗ через наявність R_Е також відсутній.

Якщо параметри транзисторів диференційного підсилювача рівні, і 

Rк = Rк₁ = Rк₂ , то К_UД = К_U1 = К_U2= U_{ВИХ Д} / U_ВХД = ≈ h_21Е Rк/ h₁₁

Вхідний опір диференційного підсилювача з симетричним входом дорівнює:

R_{ВХ Д} = U_{ВХ Д} / І_ВХ = (U_ВХ1 + U_ВХ2) / І_б = 2 R_{ВХ Е} = 2 h₁₁

Вихідний опір   

R_{ВИХ Д} ≈ 2 Rк

При дії на ДП синфазного сигналу обидва транзистори працюють на R_Е  як би паралельно, тобто при дії вхідного сигналу обидва транзистори відкриваються. Їх вхідні струми, а, отже, і струми емітерів одночасно збільшуються. В результаті через R_Е  матиме місце подвійний приріст струмів емітерів і на R_Е з'явиться напруга. Ця напруга є для транзисторів VT1 I VT2 напругою послідовного ВЗЗ за струмом, яка змінює вхідний опір і коефіцієнт підсилення ДП.

Якщо схема повністю симетрична, при дії синфазного сигналу зміна струмів колекторів плеч ДП буде рівна і рівна зміна напруг U_ВИХ1 i U _ВИХ2. Тому на симетричному виході ДП U_ВИХ.Д =0, тобто синфазний сигнал повністю знищується.

Важливим показником ДП є коефіцієнт підсилення напруги синфазного сигналу   

К_UСФ = U_ВИХ1 / U_ВХСФ = U_ВИХ2 / U_ВХСФ.

Оскільки для синфазного сигналу в ДП діє ВЗЗ, то

К_UСФ =h₂₁ R_К / R_ВХ.ЗЗ ,

де R_ВХ.ЗЗ – вхідний опір ДП для синфазного сигналу.

Вважаючи І_ВХ = І_б ,

R_ВХ.ЗЗ = U_ВХСФ/ І_б .

На практиці повного знищення постійного рівня синфазного сигналу не відбувається тому, що параметри навіть інтегральних транзисторів і резисторів не можуть бути ідеально узгоджені між собою. Тому деяка частина вхідного синфазного сигналу також підсилюється, вносячи у вихідну диференційну напругу синфазну складову:

U_ВИХ = К_UД (U_ВХ1 - U_ВХ2) + К_UСФ U_ВХСФ , U_ВХСФ =0,5(U_ВХ1 + U_ВХ2)

де К_UСФ ≈ Rк/2 R_Е – коефіцієнт підсилення синфазної вхідної напруги.                                   

Коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу

К_О.Сф.С = К_UД/ К_UСФ ≈ R_Е./ r_Е ,

 він характеризує якість роботи ДП і показує його здатність виділити слабкий протифазний сигнал на фоні сильної синфазної перешкоди.

Чим більше значення коефіцієнта ослаблення синфазного сигналу К_О.Сф.С , тим кращий диференційний підсилювач.

Для кращого подавлення синфазної напруги (перешкоди) необхідно включати великий опір в коло емітера. Резистор R_Е >> h_11Е - призначений для стабілізації емітерного струму. Струм через нього дорівнює:

І₀ = І_Е1 + І_Е2 ≈ І_К1 + І_К.

Опір резистора в колі емітера R_Е не можна брати дуже великим, тому що через емітерний опір протікає струм спокою обох транзисторів, що викликає велике падіння постійної складової напруги. Тому для подавлення синфазної складової напруги в якості емітерного резистора R_Е використовують схеми генераторів стабільного струму (ГСС)(схема на транзисторах), які мають малий опір для постійної складової і великий опір для змінної складової (диференційний опір) (рис.1).

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ:

1 Де застосовуються підсилювачі постійного струму (ППС)?

2 Чому дорівнює коефіцієнт підсилення диференційного підсилювача?

3 Що таке дрейф і як його зменшити?

4 Які сигнали підсилює, а які ослаблює диференційний каскад з симетричним виходом?

5 Що таке коефіцієнт послаблення синфазного сигналу і як його визначають?

6       Для чого призначений генератор стабільного струму (ГСС)?

ВИКЛАДАЧ– Ковальова Т.І.

ЛЕКЦІЯ № 23, 24, 25 (6 год.)