Балансный усилитель постоянного тока

Тема 1.4. Усилители

Назначение, основные характеристики, параметры и классификация усилителей

Усилители относятся к одним из самых распространенных элементов автоматики.

Усилители предназначены для усиления слабых электрических сигналов с целью повышения их помехоустойчивости при передаче на расстояние и для надежного воздействия на нагрузочные элементы.

Усилитель не меняет природу и форму сигнала, он лишь увеличивает его мощность. Увеличение мощности выходного сигнала усилителя происходит за счет энергии источника питания. Очевидно, что мощность выходного сигнала усилителя не может превосходить мощности источника питания.

Источниками слабых сигналов для усилителя могут быть, например, датчик, предшествующий усилитель. Нагрузкой усилителя являются такие устройства, как последующий усилитель, реле, электродвигатель, гальванометр и т.д.

Большую часть усилителей составляют электронные усилители на транзисторах или в интегральном исполнении, реже используются электромашинные и магнитные усилители.

По диапазону частот усиливаемого сигнала различают следующие типы усилителей:

Обобщенная идеализированная характеристика усилителя имеет вид (рис.4.1):

Рис.4.1

Здесь х – входная величина усилителя,

у – выходная величина,

ОА – рабочий участок характеристики усилителя, для которого форма выходного сигнала повторяет форму выходного.

Основные параметры усилителя:

Коэффициент усиления k– показывает, во сколько раз выходной сигнал усилителя больше входного.k определяется для линейного участка характеристики ОА по формуле k=у/х. Для вычисления k значения у их нужно выразить в одинаковых единицах измерения. Например, определим коэффициент усиления для усилителя напряжения, для которого выходное напряжение Uвых=1,5 В при входном напряжении равном Uвх=20 мВ. По определению k= Uвых/ Uвх; Uвых=1,5В=1500мВ. k= 1500мВ/20 мВ=750.

х_макс– максимальное значение входной величины, которое еще усиливается усилителем без искажения;

у_макс - максимальное значение выходной величины на рабочем участке характеристики.

Для многокаскадного усилителя коэффициент усиления k связан c коэффициентами усиления его каскадов формулой k= k1×k2× … k_n, где k1, k2 ,.. коэффициенты усиления каскадов усилителя.

Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока – распространенный тип усилителей в автоматике. Они имеют много разновидностей: однотактные, балансные, одно- и многокаскадные и др.

Однотактные усилители

Однотактные усилители используют, например, в электронных реле, в схемах управления двигателями постоянного тока.

На рис. 4.2 представлена схема однотактного усилителя на n-p-n транзисторе, включенного по схеме с общим эмиттером.

Рис.4.2

Основные элементы схемы:

- VT – транзистор,

- Rк – нагрузка цепи коллектора транзистора,

- Ек – источник питания.

Дополнительные элементы:

- R1, R2 – делитель напряжения, напряжение, снимаемое с резистора R2 служит для создания начального отрицательного смещения на базе транзистора; R1 и R2 подбирают таким образом, чтобы в начальном состоянии транзистор был полуоткрыт. При этом начальное выходное напряжение, снимаемое с коллектора транзистора, равно 1/2Ек.

- Резистор Rэ служит для термостабилизации тока транзистора.

На рис. 4.3 показаны временные диаграммы входного и выходного напряжения, когда на вход усилителя подается медленно изменяющееся напряжение по величине и знаку.

Рис. 4.3

Пояснения к диаграммам: Положительное входное напряжение уменьшает сопротивление транзистора, и напряжение на его коллекторе приближается к нулю, тем ближе, чем выше уровень входного напряжения. Отрицательное входное напряжение увеличивает сопротивление транзистора, поэтому выходное напряжение возрастает, приближаясь к значению напряжения источника питания Ек.

Усилительные свойства данной схемы проявляются в том, что при изменении входного напряжения, выходное напряжение меняется пропорционально входному. При этом за счет усилительных свойств амплитуда изменения выходного напряжения больше амплитуды изменения входного напряжения.

Недостатки однотактного усилителя:

- Характеристика усилителя (Uвых=F(Uвх)) не выходит из начала координат;

- Сильный дрейф нуля, который проявляется в самопроизвольном изменении выходного напряжения, когда входное не меняется, даже если входное напряжение равно нулю.

Причины дрейфа нуля:

- Нестабильность питающего напряжения;

- Температурная зависимость свойств транзисторов от температуры.

Дрейф нуля нельзя исключить, но можно уменьшить, используя стабилизированные источники питания, и частично компенсируя зависимость свойств транзистора от температуры, включая в цепь эмиттера транзистора резистор Rэ (см. рис.4.2).

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.

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 = U_вых/U_вх = U_{вых мах}/_{Uвх мач} Из этой формулы получим U_{вх мач} = U_{вых мах}/k и, учитывая, что U_{вых мах=} Uп, получим:

U_{вх мач} = U_п/k

U_{вх мач=} 5 В/10000=0,0005 В= 0,5 мВ.

Как видно, полученное значение U_{вх 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.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: