ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Теоретические сведения
Усилитель постоянного тока
ДУ относится к разряду усилителей постоянного тока (УПТ). УПТ служат для усиления медленно меняющихся сигналов или сигналов, значение которых после изменения остается неизменным сколь угодно долго. Широко применяются в измерительных устройствах, в системах автоматического регулирования и в различных стабилизаторах.
Главная задача УПТ — это обеспечение высокой стабильности работы усилителя при изменении напряжений источников питания, режимов работы транзисторов или сопротивлений резисторов. Существенным недостатком УПТ является «дрейф нуля» - наличие сигнала на выходе при его отсутствии на входе. К основным причинам возникновения «дрейфа нуля» можно отнести:
Изменение температуры окружающей среды;
Температурная нестабильность характеристик элементов цепи УПТ;
Нестабильность источника питания;
Влияние внешних полей;
Старение элементов схемы устройства.
Помимо колебаний температуры, напряжения питания, изменениями параметров всех активных и пассивных элементов схемы усилителя, на «дрейф нуля» оказывает влияние температурная нестабильность обратного тока коллектора. То есть, даже очень медленные изменения параметров вызывают изменения в значениях тока и напряжения, которые передаются на выход усилителя и приводят к изменениям выходного сигнала. УПТ обладает нулевой нижней рабочей частотой, а высшая определяется назначением усилителя и условиями его работы. Существует несколько конфигураций схем (видов) УПТ:
с непосредственной межкаскадной связью;
с поленциометрической межкаскадной связью;
балансный УПТ (ДУ).
На данный момент самым эффективным из известных средств устранения «дрейфа нуля» является использование ДУ. Это самый часто применяемый способ, что обусловлено его простотой, которая достигается путем применения принципа сбалансированного моста.
Дифференциальный усилитель
ДУ предназначен для усиления сколь угодно медленно изменяющихся во времени сигналов, частотный диапазон которых начинается от 0Гц. К его достоинствам можно отнести: малый дрейф нуля, высокая степень подавления синфазных помех. То есть устройство не усиливает синфазный сигнал, а просто обеспечивает помехозащищённость схемы. На основные свойства ДУ может влиять температурный дрейф токов в ветвях схем, так как его воздействие аналогично синфазному сигналу. При этом ДУ требует двухполярного источника питания и необходимо очень строгое соблюдение симметрии схемы для обеспечения баланса. Возникновение разбаланса параметров двух половин схем вызывает погрешность функционирования ДУ. К таким параметрам относят, например, токи коллекторов, тепловые токи переходов, резисторы коллекторной цепи.
Рассмотрим функционирование ДУ на примере четырехплечевого моста (Рис. 1.), выполненного на резисторах R1, R2, R3, R4. В одну диагональ включен источник U, в другую – сопротивление нагрузки Rн.
Рис. 1. Схема четырехплечевого моста.
При выполнении условия: R1/R2=R3/R4 - считаем, что мост сбалансирован, поэтому ток в Rн равен нулю. Для сохранения баланса необходимо постоянное выполнение заданного условия при изменении напряжения U и сопротивления резисторов плеч моста.
Выбор и обоснование электрической функциональной схемы ДУ
Составим функциональную схему ДУ (Рис. 2). Идеальный ДУ усиливает только разностный (дифференциальный) сигнал.
Рис. 2. Функциональная схема ДУ.
Как можно заметить, функциональная схема аналогична схеме моста (Рис.1), так же как и принципиальная на рисунке 3 (R2 и R4 заменены на транзисторы VT1 и VT2, а R1=Rк1, R3=Rк2). К свойствам данной схемы балансного УПТ можно отнести:
на баланс моста не влияет изменение питающего напряжения;
изменение температуры окружающей среды в данной схеме не вызывает ощутимого разбаланса моста, т.к. резистивные сопротивления изменяются на равные величины.
Выбор и обоснование электрической принципиальной схемы ДУ
Для выполнения данной курсовой работы будем придерживаться следующей принципиальной схеме, по которой будет производиться последующий расчет усилителя:
Рис. 3. Итоговая принципиальная схема ДУ.
В ДУ всегда Rк1=Rк2, а VT1 и VT2 –идентичны. Тогда Uвых=0, при отсутствии входного сигнала. Соответственно воздействие температур на транзисторы не будет различаться, а значит изменение их параметров будет происходить одинаково и в одну сторону, что не отразится на выходном сигнале.
При подаче синфазных сигналов (одинаковых по величине и фазе) на вход, токи обоих транзисторов изменятся на одинаковую величину. Соответственно по-прежнему Uвых= 0. Изменение температуры, паразитные наводки, старение элементов и др. можно рассматривать как синфазные входные воздействия.
При подаче дифференциальных сигналов (одинаковые по величине, но сдвинутые по фазе на 180°) возрастание тока в одном плече будет сопровождаться уменьшением тока в противоположном, вследствие чего на дифференциальном выходе Uвых появится напряжение. Исходя из этого дифференциальный каскад обладает очень высокой устойчивостью работы и малочувствителен к помехам.
На данном балансном УПТ нагрузка Rн включена в диоганаль моста, который образован посредством использования резисторов (Rк1 и Rк2), потенциалом (Rп) и транзисторов (T1 и T2). Мост считается сбалансирован если усилитель симметричен (Rк1=Rк2, Rт1=Rт2). Таким образом, изменение источника питания (Ек) и одинаковое изменение плеч моста не вызывают дрейфа выходного тока и напряжения.
Уменьшению дрейфа способствует увеличение отрицательной обратной связи (ООС), осуществляемой при помощи RЭ, то есть уменьшению коэфициента усиления сифазного сигнала способствует увеличение сопротивления общего резистора эмитеров транзисторов. Но это не дает гарантии того, что дрейф выходного сигнала устраняется полностью, на что указывает факт неравномерного температурного воздействия и изменения напряжения источника питания (параметры усилителя будут изменяться не одинаково).
