Как сделать упт

Обновлено: 07.07.2024

Усилители постоянного тока

Усилителями постоянного тока называют усилители на сопротивлениях, сохраняющие постоянство усилительных свойств при уменьшении частоты сигнала, вплоть до нуля. Эти усилители позволяют производить над входными напряжениями различные математические операции, поэтому их иногда называют операционными или решающими усилителями. Они находят широкое применение в схемах автоматических устройств и в различной измерительной аппаратуре (ламповых вольтметрах, осциллографах и т. д.).

В отличие от реостатных усилителей низкой частоты усилители постоянного тока имеют гальваническую связь между каскадами: анод предыдущего каскада соединяется с управляющей сеткой следующего каскада либо непосредственно, либо через сопротивление. В области верхних частот усилительные свойства и частотная характеристика УПТ ничем не отличаются от свойств и характеристик реостатного усилителя.

Для осуществления гальванической связи используют особые схемы, обеспечивающие нужный режим работы каскадов. На рис. 160 приведены схемы усилителей постоянного тока , в которых питание каскадов осуществляется от общего источника напряжения.

Рис. 160. Схемы усилителей постоянного тока с одним источником питания.

В первой схеме ( рис. 160, а ) на каскады подается питание при помощи делителя. Напряжение источника питания распределяется пропорционально его сопротивлениям. Напряжение смещения на лампе Л 1 образуется на сопротивлении R 1 по которому проходят токи делителя и всех ламп (на схеме для упрощения показано только два каскада). Источником анодного напряжения для этой лампы является напряжение на сопротивлениях R 2 , R 3 , по которым также проходят токи делителя и всех ламп, кроме лампы Л 1 . Нагрузкой ее является сопротивление R a1 . Каскад Л 2 подсоединен в разрыв мевду сопротивлениями R 2 и R 3 . Если падения напряжения на сопротивлениях R 3 и R а1 , будут одинаковыми, то в режиме покоя на управляющей сетке лампы Л 2 окажется нулевой потенциал.

Если падение напряжения на сопротивлении R 3 меньше, чем на сопротивлении R а1 , то потенциал точки А окажется ниже потенциала точки В и на управляющей сетке лампы Л 2 окажется отрицательный потенциал. На сопротивлении R 3 образуется напряжение, компенсирующее падение напряжения на R а1 , и тем самым позволяющее обеспечить любой режим работы лампы Л 2 Источником анодного напряжения для этой лампы является падение напряжения на сопротивлениях R 5, R 4 и R 3 . Сопротивление R а2 является нагрузочным сопротивлением лампы Л 2 , а на сопротивлении R 5 образуется компенсирующее напряжение для следующего усилительного каскада, не показанного на схеме.

Коэффициент усиления каскада определяется выражением

В схеме осуществлена обратная связь через делитель. При наличии сигнала на входе по сопротивлению R 1 проходят токи всех каскадов, на нем образуется переменное напряжение, которое через сопротивление R с поступает на управляющую сетку лампы Л 1 . Аналогичные обратные связи имеют место во всех каскадах, кроме последнего (так, например, напряжение обратной связи образуется также на сопротивлении R 3 ). Однако влияние обратной связи в многокаскадном усилителе, собранном по такой схеме, ослабляется компенсирующим действием четных каскадов: знаки сигналов обратной связи, поступающие на управляющие сетки ламп четных каскадов, находятся в противофазе с сигналами обратной связи, поступающими с анодов ламп нечетных каскадов.

Существенным недостатком схемы является также необходимость в наличии высоковольтного источника питания, так как

E ист =│E с │+ U а1 + U а2 +. +U аn — U комп2 — U комп3 — . — U комп(n-1)

где 1, 2, . n — порядковый номер каскада усиления; U а — напряжение анодного питания каскада; U комп — компенсирующее напряжение.

В схеме УПТ, приведенной на рис. 160, б, изменения тока в цепи одного каскада не вызывает перераспределения потенциала на делителе, что приводит к ослаблению обратной связи. В режиме покоя напряжение смещения на управляющую сетку лампы Л 1 поступает с сопротивления R к . Источником анодного напряжения является падение напряжения на сопротивлении R 1 , а на сопротивлении R 2 создается компенсирующее напряжение. Напряжение смещения на управляющей сетке лампы Л 2 │E' с │ = U R2 - U Rc .

Эта схема по сравнению с предыдущей имеет примерно в 2 раза меньший коэффициент усиления:

Уменьшение коэффициента усиления происходит за счет снижения сопротивления нагрузки, вследствие шунтирующего действия на сопротивление R a1 делителя R 3 — R c1 и потерь напряжения сигнала на сопротивлении R 3 .

Существенным достоинством этой схемы является то, что напряжение источника питания определяется режимом работы одного каскада.

Напряжение дрейфа нуля может привести к нежелательным изменениям режимов работы ламп и оказаться больше напряжения полезных усиленных сигналов. Считается допустимым, когда напряжение дрейфа нуля на входе усилителя составляет сотые доли минимального расчетного напряжения сигнала.

Дрейф нуля уменьшают предварительным прогревом усилителя, применением специальных компенсирующих и балансирующих элементов в первых каскадах усилителя и стабилизацией напряжений источников питания.

Усилителями постоянного тока (УПТ) называют такие устройства, которые могут усиливать медленно изменяющиеся электрические сигналы, то есть они способны усиливать и переменные и постоянные составляющие входного сигнала.

Таким образом, для осуществления передачи сигналов частот, близких к нулю, в УПТ используется непосредственная (гальваническая) связь. Непосредственная связь может быть использована и в обычных усилителях переменного тока с целью уменьшения числа элементов, простоты реализации в интегральном исполнении, стабильности смещения и т.д. Однако такая связь вносит в усилитель ряд специфических особенностей, затрудняющих как его выполнение, так и эксплуатацию. Хорошо передавая медленные изменения сигнала, непосредственная связь затрудняет установку нужного режима покоя для каждого каскада и обусловливает нестабильность их работы.

При разработке УПТ приходится решать две основные проблемы: согласование потенциальных уровней в соседних каскадах и уменьшение дрейфа (нестабильности) выходного уровня напряжения или тока.

Применение усилительных каскадов в УПТ ограничивается дрейфом нуля. Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения. Этот эффект наблюдается и при отсутствии сигнала на входе. Поскольку дрейф нуля проявляется таким образом, как будто он вызван входным сигналом УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала. Существует достаточно много физических причин, обусловливающих наличие дрейфа нуля в УПТ. К ним относятся нестабильности источников питания, температурная и временная нестабиль­ности параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы, помехи и наводки. Среди перечисленных причин наиболь­шую нестабильность вносят изменения температуры, вызывающие дрейф. Этот дрейф обусловлен теми же причинами, что и не­стабильность тока коллектора усилителя в режиме покоя изменениями I кбо , U бэ0 и B .Поскольку температурные изменения этих параметров имеют закономерный характер, то в некоторой степени могут быть скомпенсированы. Так, для уменьшения абсолютного дрейфа нуля УПТ необходимо умень­шать коэффициент нестабильности S нс .

Абсолютным дрейфом нуля , называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ обычно оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведен­ного ко входу усилителя: е др = . Приведенный ко входу усилителя дрейф нуля не зависит от коэффициента усиления по напряжению и. эквивалентен ложному входному сигналу. Величина е др ограничивает минимальный входной сигнал, т. е. определяет чувствительность усилителя.

В усилителях переменного тока, естественно, тоже имеет место дрейф нуля, но так как их каскады отделены друг от друга разделительными элементами (например, конденсаторами), то этот низкочастотный дрейф не передается из предыдущего каскада в последующий и не усиливается им. Поэтому в таких усилителях (рассмотренных в предыдущих главах) дрейф нуля минимален и его обычно не учитывают. В УПТ для уменьшения дрейфа нуля, прежде всего, следует заботиться о его снижении в первом каскаде. Приведенный ко входу усилителя температурный дрейф снижа­ется при уменьшении номиналов резисторов, включенных в цепи базы и эмиттера. В УПТ резистор R Э большого номинала может создать глубокую ООС по постоянному току, что повысит стабильность и одновременно уменьшит KU для рабочих сигналов постоянного тока. Поскольку здесь KU пропорционален S нс , то величина е др оказывается независимой от S нс . Минимального значения е др можно достичь за счет снижения величин R э, R б и Rr . При этом для кремниевых УПТ можно получить в своих каскадах. В многокаскадном усилителе наблюдается последовательное повышение потенциала на эмиттере транзистора каждого

При разработке УПТ необходимо обеспечивать согласование потенциалов не только между каскадами, но и с источником сигнала и нагрузкой. Если источник сигнала включить на входе усилителя между базой первого транзистора и общей шиной, то через него будет протекать постоянная составляющая тока от источника питания EK . Для устранения этого тока обычно включают генератор входного сигнала между базой транзистора Т1 и средней точкой специального делителя напряжения, образованного резисторами R 1 и R 2 . На рисунке 2.3.1 приведена принципиальная схема рассматриваемого входного каскада УПТ прямого усиле­ния. При правильно выбранном делителе потенциал его средней точки в режиме покоя равен потенциалу покоя на базе первого транзистора.

Рисунок 2.3.1 схема входного каскада УПТ

Нагрузка усилителя обычно включается в диагональ моста, образованного элементами выходной, цепи УПТ. Рассматриваемый здесь способ включения нагрузки используется для получения U н =0 при Е r =0. Номиналы резисторов R3 и R4 выбираются таким образом, чтобы напряжение средней точки делителя равнялось напряжению на коллекторе выходного транзистора в режиме покоя. При этом в нагрузке для режима покоя не будет протекать тока. В каждом каскаде УПТ прямого усиления за счет резисторов в цепи эмиттера образуется глубокая ООС. Поэтому для определения входного сопротивления Ku oc каскада ОЭ здесь можно пользоваться формулами и Ku ОС = - R кн / R э соответственно. Обычно максимальное усиление свойственно первому каскаду, у которого R к имеет наибольшее значение. Однако и в последующем каскаде УПТ, где R к меньше, все равно его номинал должен быть больше номинала R э . В многокаскадных УПТ прямого усиления может происходить частичная компенсация дрейфа нуля. Так, положительное приращение тока коллектора, первого транзистора вызовет отрицательное приращение тока базы и, следовательно, тока коллектора второго транзистора. В результате суммарный дрейф нуля второго каскада может оказаться меньше, чем в отсутствие первого каскада в идеальном случае и сведен к нулю. Заметим, что полная компенсация дрейфа нуля возможна лишь при специальном подборе элементов и только для некоторой конкретной температуры. Хотя на практике это почти и недо­стижимо, тем не менее в УПТ с четным числом усилительных каскадов наблюдается снижение дрейфа нуля.

Способ построения УПТ на основе непосредственной связи в усилительных каскадах с глубокой ООС может быть использован для получения сравнительно небольшого коэффициента усиления (в несколько десятков) при достаточно большом 2.3.1 ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

В настоящее время наибольшее распространение получили диф­ференциальные (параллельно-балансные или разностные) усилители. Такие усилители просто реализуются в виде монолитных ИС и широко выпускаются отечественной промышленностью: К118УД, КР198УТ1 и др. Их отличает высокая стабильность работы, малый дрейф нуля, большой коэффициент усиления дифференциального сигнала и большой коэффициент подавления синфазных помех.

На рисунке 2.3.1.1 приведена принципиальная схема простейшего варианта дифференциального усилителя (ДУ). Любой ДУ выпол­няется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами R к1 и R к1 , а два других — транзисторами Т1 и Т2. Сопротивление нагрузки включается между коллекторами транзисторов, т. е. в диагональ моста. Сразу отметим, что резисторы R 01 и R 02 имеют небольшие величины, а часто и вообще отсутствуют. Можно считать, что резистор R Э подключен к эмиттерам транзисторов. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что питание ДУ осуществляется от двух источников, напряжения которых равны (по модулю) друг другу. Таким образом, суммарное напряжение питания ДУ равно 2Е.

Рисунок 2.3.1.1 Схема дифференциального усилителя

Использование второго источника (—Е) позволяет снизить потенциалы эмиттеров Т1 и Т2 до потенциала общей шины. Это обстоятельство дает возможность подавать сигналы на входы ДУ без введения дополнительных компенсирующих напряжений. При анализе работы ДУ принято выделять в нем два общих плеча, одно из которых состоит из транзистора Т1 и резистора Rк1 (и R01 ), второе —из транзистора Т2 и резистора Rк2 (и R02 ). Каждое общее плечо ДУ является каскадом ОЭ. Таким образом, можно заключить, что ДУ состоит из двух каскадов ОЭ. В общую цепь эмиттеров транзисторов включен резистор RЭ , которым и задается их общий ток. Для того чтобы ДУ мог качественно и надежно выполнять свои функции, а также в процессе длительной работы сохранить свои параметры и уникальные свойства, в реальных усилителях требуется выполнить два основных требования. Рассмотрим эти требования последовательно.

Второе основное требование состоит в обеспечении глубокой ООС для синфазного сигнала. Синфазными называются одинаковые сигналы, т. е. сигналы, имеющие равные амплитуды, формы и фазы. Если на входах ДУ (рис. 10) присутствуют U вх1 = U вх2 , причем с совпадающими фазами, то можно говорить о поступлении на вход ДУ синфазного сигнала. Синфазные сигналы обычно обусловлены наличием помех, наводок и т. д. Часто они имеют большие амплитуды (значительно превышающие полезный сигнал) и являют­ся крайне нежелательными, вредными для работы любого усилителя.

Выполнить второе основное требование позволяет введение в ДУ резистора R Э , (или его электронного эквивалента). Если на вход ДУ поступает сигнал синфазной помехи, например, положительной полярности, то транзисторы Т1 и Т2 приотк­роются и токи их эмиттеров возрастут. В результате по резистору R Э будет протекать суммарное приращение этих токов, об­разующее на нем сигнал ООС. Нетрудно показать, что R Э образует в ДУ последовательную ООС по току. При этом будет наблюдаться уменьшение коэффициента усиления по на­пряжению для синфазного сигнала каскадов ОЭ, образующих общие плечи ДУ, K исф1 и Кисф2 . Поскольку коэффициент усиления ДУ для синфазного сигнала Кисф = Кисф1 - Кисф2 и за счет выполнения первого основного требования Кисф1 ≈ Кисф2 удается получить весьма малое значение Кисф , т. е. значительно подавить синфазную помеху.

Так как в монолитном ДУ с достаточным приближением можно выполнить оба основных требования, удается не только подавить синфазную внешнюю помеху, но и снизить влияние внутренних факторов, проявляющихся через изменения парамет­ров элементов схемы. Конечно, параметры составляющих каска­дов будут изменяться, но по весьма близким зависимостям, влияние которых будет дополнительно ослабляться наличием ООС.

Теперь рассмотрим работу ДУ для основного рабочего входно­го сигнала — дифференциального. Дифференциальными (противо­фазными) принято называть сигналы, имеющие равные амплиту­ды, но противоположные фазы. Будем считать, что входное напряжение подано между входами ДУ, т. е. на каждый вход поступает половина амплитудного значения входного сигнала, причем в противоположных фазах. Если U вх1 в рассматриваемый момент представляется положительной полуволной, то U вх2 — отрицательной.

За счет действия U вх1 транзистор Т1 приоткрывается, и ток его эмиттера получает положительное приращение ∆I Э1 , а за счет действия U вх2 транзистор Т2 закрывается, и ток его эмиттера получает отрицательное приращение, т.е. — ∆I Э2 . В ре­зультате приращение тока в цепи резистора R Э ∆IR Э = ∆I Э1 - ∆I Э1. Если общие плечи ДУ идеально симметричны, то ∆IR Э = 0 и, следовательно, ООС для дифференциального сигнала отсутствует. Это обстоятельство позволяет получать от каждого каскада ОЭ в рассматриваемом усилителе, а следовательно, и от всего ДУ большое усиление. Отсюда происходит и название усилителя — дифференциальный. Так как для дифференциального входного сигнала в любой момент напряжения на коллекторах транзисто­ров Т1 и Т2 будут находиться в противофазе, то на нагрузке происходит выделение удвоенного выходного сигнала. Итак, резистор R Э , образует ООС только для синфазного сигнала.

Поскольку в реальных ДУ идеальную симметрию плеч осущест­вить нельзя, то R Э все же будет и для дифференциального сигнала создавать ООС, но незначительной глубины, причем чем лучше симметрия плеч, тем меньше ООС. Небольшую последовательную ООС по току задают в каскадах ДУ с по­мощью резисторов R01и R02 . Как отмечалось выше, эти резисторы имеют небольшие номиналы (участки полупровод­никовой подложки), поэтому создаваемая ими ООС невелика и существенно не влияет на усилительные свойства ДУ.

Таким образом, при выполнении в ДУ двух основных требова­ний он обеспечивает стабильную работу с малым дрейфом нуля, с хорошим усилением дифференциального сигнала и со значитель­ным подавлением синфазной помехи. В зависимости от того, как подключены в ДУ источник входного сигнала и сопротивление нагрузки, следует различать схемы его включения.

Школьные учебники сильны в описании идеального мира. Все неизвестные в уравнении могут быть найдены, на каждый вопрос найдется ответ. В реальном же мире, чтобы заставить работать аналоговую схему, необходимо провести не один час в лаборатории, в то время как простое и быстрое решение проблемы может находиться совсем в другой плоскости… . Среди множества постоянных ошибок, возникающих при использовании ИУ, для усиления сигнала, эффект входного смещения (Uсм) наиболее критичен. Фактически, любая постоянная ошибка может быть смоделирована в терминах Uсм: 1. Ксс (коэффициент подавления синфазного сигнала- DC CMRR) может быть представлен как изменение напряжения смещения при подаче синфазного сигнала; 2. Кип (коэффициент подавления изменения напряжения питания- DC PSRR) — может быть представлен как изменение напряжения смещения при изменении напряжения питания. Даже если Uсм тарировано при изготовлении усилителя, его дрейф (температурный и временной) может быть большей проблемой, чем его начальный уровень сам по себе. Такой дрейф лучше всего компенсировать при помощи некоторых активных схем, интегрированных в микросхему. Один из наиболее важных источников динамической ошибки в схемах (кроме внешних факторов) – это шум, зависящий от схемных решений производителя и особенностей технологического процесса. Поскольку в основном сигнал датчика усиливается блоком с высоким коэффициентом усиления, величина входного шума увеличивается соответственно. В основном шум представлен двумя формами: розовый шум (иначе называемый шум 1/f или фликкер-шум) и белый шум. Розовый шум наиболее критичен на низких частотах (

Усиливать или не усиливать?

Как упомянуто выше, наиболее важными характеристиками для ИУ являются розовый шум (шум 1/f, фликкер-шум), входное напряжение смещения Uсм и его дрейф (температурный и временной). Поскольку основное влияние розового шума проявляется на низких частотах, используется множество техник обеспечения нулевого входного смещения, а заодно и компенсации розового шума. Среди способов обеспечить нулевое входное смещение обычно применяются следующие: усилители с выборкой сигнала, усилители постоянного тока с модуляцией и демодуляцией сигнала, усилители с автоматическим обнулением, усилители с автоматическим обнулением и расширением спектра (например, MAX4208). К примеру, усилители с выборкой сигнала используют плавающую емкость, подключенную к ИУ для автоматической коррекции напряжения входного смещения. Поскольку вход с выборкой не может считаться достаточно высокоомным, результирующая ошибка системы может быть скомпенсирована внесением несоответствия в сопротивление датчика, что и реализуется в несбалансированных мостовых схемах. Измерение тока потребления схемы

Потребность в схемах активного управления питанием в современных портативных устройствах привела к возобновлению интереса к применению усилителей для измерения тока. ИУ может быть использован (рис. 3) в датчике тока с шунтом, включенным между источником питания и модулем памяти или микропроцессором, или для измерения тока в возвратной цепи Н-моста преобразователя напряжения.


Большие токи в данных системах предполагают, что измерительное сопротивление должно быть очень мало для уменьшения излишнего рассеивания на нем мощности. Для корректной работы входное напряжение смещения усилителя должно быть много меньше, чем минимальное измеряемое напряжение (соответствующее минимальному измеряемому току), и точность усиления напряжения должна быть достаточно высока. Для подобных целей подойдет ИУ MAX4208 с ультранизким напряжением смещения, большим коэффициентом подавления синфазного сигнала и однополярным питанием.

Недостатком схем УПТ прямого усиления является сравнительно большое значение напряжения дрейфа - порядка единиц микровольт на градус - и уровня низкочастотного шума.

На практике измерений бывает необходимо усиливать малые токи порядка единиц наноампер и напряжения порядка единиц микро­вольт. Такая задача часто встречается при измерении неэлектрических величин, например температуры, давления, фототоков, токов иониза­ции, а также при измерении пьезоэлектрических

эффектов и т.п. Широ­кое применение усилители малых токов и напряжений получили в технике для целей автоматического контроля и управления, в цифровых измерительных приборах. В этом случае применяют УПТ с преобразо­ванием входного напряжения, достоинством которых являются малое значение температурного дрейфа (0,01. 0,1 мкВ/К° и малая чувстви­тельность к изменениям напряжения источника питания и температуры окружающей среды.


В УПТ с преобразованием используется принцип модуляции-демодуляции. Указанный принцип заключается в том, что сигнал постоянного тока преобразуется в , затем усиливается и снова преобразуется с помощью демодулятора в сигнал постоянного тока. Поэтому такие усилители с промежуточ­ной модуляцией (М ) входного сигнала и с последующей демодуляци­ей ( ДМ) усиленного выходного сигнала называют усилителями типа МДМ .

Рисунок 1.59 – Структурная схема усилителя МДМ

Усиленный модулированный дискретный сигнал поступает на де­модулятор, в котором осуществляется синхронное детектирование. Для синхронного детектирования опорное напряжение с выхода гене­ратора поступает на демодулятор. Синхронное детектирование позво­ляет сохранить соответствующую полярность выходного напряжения. На выходе демодулятора ставится фильтр нижних частот, который от­фильтровывает несущую частоту и высшие гармоники. В результате получают напряжение той же формы, что и на входе усилителя.

Описанная схема УПТ с преобразованием, в частности, применяет­ся в качестве входного усилителя в цифровом вольтметре типа В7-23. Таким образом, дрейф нуля в схемах УПТ с преобразованием определяется дрейфом нуля на выходе модулятора и составляет сотые доли микровольта в минуту, изменения

131 напряжения дрейфа снижа­ются до тысячных долей микровольта.

Недостатком усилителей типа МДМ является ограничение верх­ней граничной частоты

( не более 0,1….0,2 частоты модуляции), а так­же необходимость использования источника модулирующего напряжения - генератора.

Усилители с преобразованием сигнала на дискретных элементах оказались громоздкими и ненадёжными, поэтому они не нашли широ­кого применения. Между тем, изготовить такие усилители по интегральной технологии на кристалле стандартных размеров нетрудно. Данное обстоятельство способствовало тому, что современные УПТ с

Читайте также: