Усилители постоянного тока
Цель работы – изучить назначение, особенности и способы схемной реализации усилителей постоянного тока, экспериментально определить коэффициент усиления по напряжению усилителей, реализованных на транзисторах и на интегральных микросхемах, снять их амплитудное характеристики, а также определить дрейф нуля.
Общие сведения
Усилители постоянного тока являются основой операционных усилителей – большого класса усилителей со специальными частотными характеристиками. Название этих усилителей связано с применением для выполнения различных операций над электрическими сигналами.
Коэффициент усиления зависит от частоты. Это имеет особое значение в многокаскадных усилителях, каковыми как правило являются усилители постоянного тока.
В области нижних частот на коэффициент усиления сильное влияние оказывает емкость конденсатора сязи Сс (см. рис.2 лабораторной работы №7). С уменьшением частоты конденсатора связи ХСс – 1/WCc возрастает, падение напряжения на нем увеличивается, выходное напряжение уменьшатся, что приводит к снижению коэффициента усиления по напряжению К.
В области верхних частот на коэффициент усиления оказывает влияние емкость « включения» параллельно входу усилительного каскада, Со = Свх+См, где
Свх – входная емкость каскада
С – емкость монтажа
Сопротивление этой емкости ХС0 – 1/WC0 на нижних частотах много больше входного сопротивления каскада Rbx, поэтому оно не влияет на величину выходного напряжения. На верхних частотах сопротивление ХС0 становится соизмеримым с сопротивлением Rbx. С ростом частоты сопротивление Хс0 уменьшается, шунтирует сопротивление Rbx, поэтому выходное напряжение, а следовательно и коэффициент усиления к снижается. Конденсатор связи Сс на верхних частотах не оказывает влияния на коэффициент усиления, так как его сопротивление Хсс мало. Для оценки свойств усилителя на разных частотах пользуются амплитудно-частотными характеристиками.
Амплитудно-частотная характеристика усилителя
|
Рис 1.
При очень низких частотах (WH 0) коэффициент усиления Кн 0, так как сопротивление конденсатора связи Хсс=1/WнСс ∞
При очень высоких частотах Wb ∞ коэффициент усиления Кв 0 так как сопротивление емкостного элемента ХС0=1/WbC0 0
Снижение коэффициента усиления в области нижних и верхних частот называют частотными искажениями. Это название обусловлено тем, что при усилении несинусоидального напряжения отдельные составляющие его усиливаются по разному из-за неравномерной частотной характеристики, вследствие чего форма кривой усиливаемого напряжения искажается.
Частотные искажения оценивают коэффициентами частотных искажений которые равны:
На нижних частотах Мн=Ко/Кн, на верхних частотах Мв=Ко/Кв.
Частоты f н.гр. и f в.гр., соответстующие допустимым значениям коэфицента частотных искажений, называют нижней и верхней граничными частотами, а диапозон частот, в котором коэфиценты частотных искажений не превышает допустимых т.е.
F= f в.нр. – f н.гр. полосой пропускания усилителя.
Усилители постоянного тока должны иметь равномерную частотную характеристику жо самых низких частот (К≠0 при f=0)
Амплитудно-частотная характеристика усилителя постоянного тока
Рис.2
Поэтому в многокаскадных усилителях постоянного тока для связи между каскадами не могут быть использованы реактивные элементы связи (конденсаторы, трансформаторы); необходима непосредственная (гальваническая) связь между каскадами – резисторы.
Как и в любом усилителе в усилителе постоянного тока при отсутсвии входного сигнала должно отсутсвовать напряжение иток в нагрузке. Однако, в усилителе постоянного возникновения специфические трудности, связанные с отделением полезного выходного сигнала от постоянных состоявлющих напряжении тока, необходимых для работы транзисторов. Это отделение усилителях постоянного тока подраздляются на усилители с одним и двумя источниами питания.
Простеший усилитель постоянного тока с одним источником питания состоит из обычного усилительного каскада по схеме с общимэмиттером с температурной стабилизацией. В отличие от усилителей с резисторно-емкостной связью в этом усилителе постоянного тока нагрузочный резистор включен между коллектором транзистора и средней точкой делителя, а входное напряжение приложено между базой транзистора и средней делителя. Соотношение сопративлений делителей таковы, что в отсутствии входного сигнала ток во входной цепи и ток нагрузочного резистора. Для точной подстройки режима делитель выполнен на двух постоянных и одном переменном резисторе, позволяющем плавно изменять в некоторых пределах потенциал.
Усилитель постоянного тока с одним источником питания
Рис.3
При подаче входного сигнала появляется ток во входной цепи, изменяется базовый и коллекторный ток транзистора, что приводит к изменению коллекторного напряжения транзистора и возникновению тока нагрузного резистора.
Усилитель поястоянного с одним источником обладает тем недостатком, тем нагрузочнй резистор и источник не могут быть соединены с общей точкой.
Усилитель постоянного тока с двумя источникам питания
Рис. 4
Между тем соединение с общей точкой необходимо во многих многоканальных усилителях.
Этого недостатка лишен усилитель постоянного тока с двумя источниками питания
В этой схеме источники питания +Е1 и –Е2 ( напряжение смещения) создают положительные и отрицательное напряжения относительно общей точки , имеющей нулевой потенциал ( на схеме обозначена ). Схему рассчитывают таким образом, что при Uвх=0 потенциал базы φб=0 и потенциал эмиттера немного ниже. Потенциалы других точек транзистора ( относительно общей точки ) зависят от напряжения источников питания. К делителю R3 R4 в отсутствии входного сигнала приложено напряжение Ur3+Ur4=φk-(-E2)=φk+E2, при этом потенциал средней точки делителя должен быть равен нулю , так как в этом режиме выходное напряжения на плечах делителя соответственно равны Ur3= φk и Ur4=E2. Чтобы ток делителя R3R4 не нарушал режим работы транзистора ,его обычно выбирают значительно меньше тока коллектора: I=(0,02 … 0,1)Iк.
Сопротивления резисторов могут быть определены из соотношений R3=Ur3/I, R4=Ur4/I
При подаче входного сигнала ( «+» относительно «┴» ) увеличивается ток базы транзистора , что приводит к увеличению тока коллектора. При этом увеличивается падения падение напряжения на резисторе R1 и понижается потенциал коллектора φk. Понижение потенциала в « верхней» точки делителя R3R4 приводит к понижению потенциала средней точки ( появляется «- » относительно « ┴» ) и появлению отрицательное выходного напряжения. Усилитель, в котором при подаче положительного входного напряжения ( относительно общей точки ) появляется отрицательное выходное напряжение, называется инвертирующим.
Таким образом, делитель, включенный на выходе усилительного каскада, компенсирует постоянную составляющую коллекторного напряжения.
Использование двух источников питания допускает создание многокаскадных усилителей. Так как входное и выходное напряжения имеют общую точку с нулевым потенциалом, выход первого каскада подключается непосредственно ко входу второго каскада и т.д. до получения необходимого коэффициента усиления.
Специфическим недостатком усилителей постоянного тока, затрудняющим усиление очень малых напряжений и токов является «дрейф нуля».
Дрейф нуля заключается в том, что с течением времени изменяются токи транзисторов и напряжения между их электродами.
При этом нарушается компенсация постоянной составляющей напряжения и на выходе усилителя появляется напряжения и на выходе усилителя появляется напряжения на выходе усилителя появляется напряжение в отсутствии входного сигнала, В этом случае выходное напряжение , деленное на коэффициент усиления , называют « напряжением дрейфа», приведенном ко входу усилителя: Uдр=Uвых/K (при Uвх=0)
Усилитель постоянного тока может правильно воспроизводить на выходе только те сигналы, которые значительно превышают напряжение дрейфа , т.е. Uвх >>Uдр
В транзисторных усилителях основными причинами дрейфа нуля являются температурная нестабильность характеристик транзисторов и нестабильность источников питания .поэтому для борьбы с дрейфом нуля применяют и температурную стабилизацию и стабилизация напряжения питания. Напряжение дрейфов этом случае удается снизить до 5…20мВ
Однако, основным методом снижения дрейфа нуля является применение балансных усилителей постоянного тока.
Балансные усилители постоянного тока построены по принципу четырехплечного симметричного моста. С одной стороны, если мост сбалансирован, т.е. R1/R2=R4/R3, то при изменении напряжения баланс не нарушается ( φ1=φ2 ) и в нагрузочном резисторе Rn ток In равен нулю. С одной стороны при пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R1, R2 или R3, R4 баланс моста не нарушается. Заменив резисторы R2 и R3 транзисторами, получим параллельную балансную схему усилителя постоянного тока.
Параллельный балансный усилитель постоянного тока
Рис.6
В схеме параллельного симметричного балансного усилителя постоянного тока с двумя источниками питания(Рис.6) сопротивления резисторов R2 и R3 в коллекторных цепях транзисторов выбирает равным, а режимы обоих транзисторов устанавливают одинаковым. Часто в таких усилителях постоянного тока применяют подобранные пары транзисторов с идентичными характеристиками.
На стабильность электрических режимов существенное влияние оказывает сопротивление резистора R1,стабилизирующее общий ток транзисторов ( чем больше R1, тем меньше изменение тока при изменении напряжения). Для увеличения этого сопротивления повышают напряжение источника питания Е2. В интегральных микросхемах вместо резистора R1 часто используют стабилизатор постоянного тока.
Переменный резистор Rп служит для балансировки каскада или, как говорят, для «установки нуля». Это необходимо в связи с тем, что не удается подобрать абсолютно идентичных транзисторов и резисторов R2 и R3. При изменении положения движка потенциометра Rп изменяется сопротивления резисторов, включенных в коллекторные цепи транзисторов и, следовательно, потенциалы коллекторов. Перемещением движка потенциометра добиваются отсутствия тока в нагрузочном резисторов при отсутствии входного сигнала (ψ1=ψ2).
При изменении ЭДС коллекторного источника питания Е1 или источника смещения Е2 изменяются токи обоих транзисторов и потенциалы их коллекторов. Если транзисторы идентичны и сопротивления резисторов R2, R3 в точности равны, то тока в нагрузочном резисторе за счет изменения Е1 и Е2 не будет. Аналогично, изменения характеристик транзисторов вследствие изменения температуры окружающей среды практически не будут вызывать тока в нагрузочном резисторе.
В то же время при подаче входного сигнала в базовую цепь транзистора Т1 (или Т2) изменяется его коллекторный ток и напряжение, что вызовет появление напряжения на нагрузочном резисторе.
В балансных усилителях постоянного тока напряжения дрейфа удается снизить до 0,1…2мВ, что в сравнении с небалансной схемой в 20…100 раз меньше.
Выходное напряжение Uвых синфазно входному напряжению Uвх1 (не инвертирующий вход) и противофазно входному напряжению Uвх2 (инвертирующий вход). Следовательно при наличии Uвх1 и Uвх2 можно написать Uвых = К(Uвх1-Uвх2).
Нессиметричный параллельный балансный усилитель постоянного тока
Рис.7
Схема несимметричного баланса усилителя, в котором коллекторный резистор включен только в коллекторную цепь транзистора Т2 приведена на Рис.7. Такой усилительный каскад обладает несколько большим дрейфом и применяется лишь в тех случаях, когда необходимо получить выходное напряжение относительно общей точки. Для компенсации постоянной составляющей коллекторного напряжения (в режиме покоя) в этом усилителе применен делитель R3R4 (см. выше).
Усилители постоянного тока часто реализуются на интегральных микросхемах. Основные требуемые характеристики усилителя (коэффициент усиления, линейность амплитудной характеристики, величина выходного напряжения и др.) в схеме усилителя на интегральных микросхемах реализуются проще, с меньшими потерями энергии, чем в схеме усилителя на транзисторах. Коэффициент усиления примерно на два порядка больше, чем в усилителе на транзисторах, габаритные размеры значительно меньше.
Содержание работы:
Изучить назначения, технические требования, предъявляемые к усилителям постоянного тока, и способы их схемной реализации.
1. Опытным путем изучить порядок балансировки схемы усилителя постоянного тока на транзисторах.
2. Экспериментально определить значение коэффициентов усиления по напряжению К усилителя, реализованного на транзисторах, и усилителя на интегральной микросхеме.
3. Снять опытным путем и построить амплитудные характеристики Uвых= f(Uвх) обеих исследуемых схем усилителей.
4. Определить относительную величину дрейфа нуля для обоих усилителей.
5. Произвести сравнение результатов исследования обеих схем.
Указания по выполнению работы:
1. Лабораторная работа проводится на лабораторном стенде ЭС I5 « Усилители постоянного тока».
Перед выполнением лабораторной работы по указаниям преподавателя производится ознакомление с конструкцией стенда, его принципиальной схемой, смыслом и назначением надписей, контрольных приборов и органов управления и коммутации на передней панели стенда.
2. Принципиальная электрическая схема стенда приведена на Рис.8.Усилитель постоянного тока на транзисторах (с непосредственной связью) представляет собой трехкаскадную схему усиления. В качестве первых двух каскадов используются параллельные балансовые усилители, третий каскад с разделенной нагрузкой связан с выходом второго потенциометрической связью.
Входной сигнал Uвх подается на одну из баз первого каскада. В цепь второй базы включен переменный резистор R61 для согласования входа каскада с эквивалентным сопротивлением источника сигнала Uвх.
Эмиттеры транзисторов параллельных балансовых каскадов соединены резисторами (R1 и R2), предназначенными для балансировки каскадов в режиме покоя, а в режиме усиления для предупреждения возможного запирания одного из транзисторов.
Общеэмиттерные резисторы в обоих каскадах (RЭ1 и RЭ2) способствует повышению стабильности схемы, так как они создают отрицательную обратную связь по отношению к изменению суммы эмиттерных токов обоих транзисторов, поддерживая ее постоянной.
Симметричный выход первого каскада обеспечивает компенсацию дрейфа нуля.
Выходное напряжение первого каскада подается между базами второго. Усиленный сигнал снимается с одного из коллекторов второго каскада, что ухудшает стабильность схемы за счет нескомпенсированного дрейфа нуля, и через цепочку связи ( R св , R) подается на вход третьего каскада.
Наличие третьего усилительного каскада (VT5) увеличивает стабильность схемы за счет отрицательной обратной связи, компенсирующей потенциал на коллекторе VTЗ. Подбор режимов базовой и эмиттерной цепей транзистора выходного каскада обеспечивает работу усилителя на линейном участке амплитудной характеристики. Однако, наличие цепочки связи между вторым и третьим каскадом снижает коэффициент усиления схемы в целом.
Усилитель постоянного тока на интегральной микросхеме ДА использован в стенде для сравнения с параметрами усилителя постоянного тока на транзисторах.
В усилителе постоянного тока на интегральной микросхеме использована микросхема КР 544 УД 2А, включенная по схеме инвертирующего масштабного усилителя.
Принципиальная электрическая схема лабораторного стенда ЭС 15
3. На передней панели стенда расположены: тумблер «сеть» для включения стенда; тумблеры S1 и S2 для подключения усилителей постоянного тока на транзисторах или на микросхеме соответственно к источнику сигнала Uвх; тумблер S3 для подключения входа второго каскада усилителя на транзисторах к выходу первого каскада; тумблеры S4 и S5 для подключения нагрузки к выходам усилителей на транзисторах или на микросхеме соответственно; тумблер S6 для подключения измерительного прибора (вольтметра) к цепям питания усилителей; ручка регулятора «Uвх» для изменения уровня входного сигнала, ручки регуляторов «-Еп1» и «-Еп2» для изменения величины напряжения питания; ручки регуляторов «Rн1» и «Rн2» для изменения сопротивлений нагрузки усилителей на транзисторах и микросхеме соответственно; ручка регулятора «Rcв» для изменения сопротивления цепи связи между вторым и третьим каскадами усилителя на транзисторах; ручка регулятора «Rg2» для согласования первого каскада усилителя на транзисторах с внутренним сопротивлением источника входного сигнала; ручки регуляторов «R1» и «R2» изменения межэмиттерных связей первого и второго каскадов соответственно усилителя на транзисторах; вольтметр «Еп1-Еп2» для измерения питающих напряжений; контрольные гнезда I.....I5, I, подключенные к соответствующим контрольным точкам усилителей и служащие для подключения внешних контрольно-измерительных приборов.
4. Ручки регуляторов «-Еп1» и «-Еп2» установить в крайнее левое положение ( напряжение питания отсутствует), ручки регуляторов «Rн1»и «Rн2» - в крайнее левое положение (сопротивление нагрузки усилителей максимальное), ручку регулятора «Uвх» - в крайнее левое положение (Uвх=0).
5. Исследуется усилитель постоянного тока на транзисторах: переключатели S1 и S2 (cм.рис.8) установить в положение 1, переключатель S4 – положение «Rн1» (сопротивление нагрузки подключено), переключатель S 2 – в положение 2(вход усилителя на микросхеме отключен от источника входного сигнала).
6. Включить тумблер «сеть», перенести переключатель S6 в положение «-Еп1» по встроенному вольтметру установить напряжение питания усилителя на транзисторах IЗВ.
7. Подключить внешний вольтметр со шкалой 3В к выходу усилителя постоянного тока на транзисторах (контрольные точки II и I ) и ручками регуляторов «Rcв» , «Rg2», «R1» и «R2»( зона «балансировка») произвести балансировку усилителя, добиваясь минимального абсолютного значения показаний вольтметра.
8. Подключить электронный осциллограф ко входу усилителя постоянного тока на транзисторах (контрольные точки I и I); установить вход осциллографа по постоянному току и произвести калибровку его шкалы в вольтах согласно инструкции по эксплуатации осциллографа; установить ручку регулятора «Uвх» в крайнее правое положение(входной сигнал максимальный), внешним вольтметром со шкалой 3В на контрольных точках II и I и электронном осциллографом на контрольных точках II и I произвести измерение выходного Uвых и входного Uвх напряжений соответственно; определить коэффициент усиления по напряжению. К=Uвых/ Uвх
9. При снятии амплитудной характеристики усилителя входной сигнал ручного регулятора «Uвх» изменять от нуля до максимального значения; измерения выходного Uвых и входного Uвх напряжений производятся согласно п.8. Результаты измерений занести в таблицу I.
Таблица I
Амплитудные характеристики усилителей постоянного тока
| Вид усилителя | U/ №изм | …… | |||||
| На транзисторах | Uвых, В | ||||||
| На микросхеме | Uвх, мВ |
Выбрать масштаб и построить амплитудную характеристику усилителя постоянного тока на транзисторах Uвых=f(Uвх)
10. Установить ручку регулятора «Uвх» в крайнее левое положение (Uвх=0); при необходимости сбалансировать усилитель по методике п.7. Ручкой регулятора «-Еп1» по встроенному вольтметру измерить напряжение питания усилителя на транзисторах на 20%( Еп1 =3В). Внешним вольтметром со шкалой 3В на контрольных точках 11 и ^ измерить выходное напряжение усилителя (дрейф нуля). Определить «напряжение дрейфа» усилителя, приведенное ко входу: Uдр=Uвых/К, где К-коэффициент усиления, определенный в п.8.
11.Исследуется усилитель постоянного тока на интегральной микросхеме: переключатель S1 установить положение 2(вход усилителя на транзисторах отключен от источника входного сигнала),переключатель S2-в положение 1(вход усилителя на микросхеме подключен к источнику входного сигнала),переключатель S5-в положение «Rн2»( сопротивление нагрузки подключено).
12.Перевести переключатель 6 в положение «-Еп2» и ручкой регулятора «-Еп2» по встроенному вольтметру установить напряжение питания усилителя на микросхеме » 13В.
13.Подключить электронный осциллограф ко входу усилителя на микросхеме (контрольные точки 14 и ^),а внешний вольтметр со шкалой 3В и выходу усилителя на микросхеме(контрольные точки 15 и ^).Определить коэффициент усиления по напряжению согласно методике п.8.
14.Снять амплитудную характеристику усилителя на микросхеме согласно методике п.9.Измерения входного и выходного напряжения усилителя производить аналогично п.13.Результаты измерений занести в таблицу 1.В том же масштабе, что и в п.9,и на том же рисунке построить амплитудную характеристику усилителя на микросхеме.
15.Определить «напряжение дрейфа» усилителя на интегральной микросхеме, приведенное ко входу, по методике п.10 при изменении напряжения «-Еп2».Балансировка усилителя на микросхеме не производится.
16.Произвести сравнение результатов исследования обеих схем усилителей (п.п.8 и 13,9 и 14,10 и 15); сделать выводы.
Контрольные вопросы:
1.Область применения усилителей постоянного тока.
2.Что понимают под амплитудно-частотной характеристикой усилителя?
3.Как осуществляется связь между каскадами в многокаскадном усилителе постоянного тока?
4.В чем заключается компенсационный метод отделения выходного сигнала усилителя от постоянных составляющих напряжений и токов?
5.Какими преимуществами обладает усилитель постоянного тока с двумя источниками питания по сравнению с усилителем с одним источником?
6.Что понимают под дрейфом нуля усилителя постоянного тока?; напряжением дрейфа»,приведенном ко входу усилителя?
7.Какие методы применяются для снижения дрейфа с нуля?
8.Назначение элементов схемы параллельно балансного усилителя постоянного тока.
9.Чем отличаются симметричные и не симметричные параллельные балансные усилители постоянного тока?