Усилители постоянного тока: принцип работы и устройство

Усилители постоянного тока: принцип работы и устройство

Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель может использоваться и для усиления переменных сигналов.
Выше рассмотрены операционные усилители, являющиеся усилителями постоянного тока. Но внутреннее устройство операционных усилителей не рассматривалось.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Для того чтобы постоянные или медленно изменяющиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на его выход, должны использоваться только гальванические связи между отдельными частями усилителя или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные.

Полученные переменные сигналы могут быть усилены с помощью усилителей переменного тока, в которых гальванические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов.

После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся.

При построении УПТ с использованием гальванической связи между каскадами получают УПТ, которому присуще такое вредное явление, как дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом входном. Основными причинами дрейфа нуля усилителя являются:

• изменение параметров элементов схемы, прежде всего транзисторов, за счет изменения температуры окружающей среды;
• изменение питающих напряжений;
• постоянное изменение параметров активных и пассивных элементов схемы, вызванное их старением.

Сигнал дрейфа нуля может быть соизмерим с полезным сигналом, поэтому при построении УПТ принимают меры по снижению дрейфа нуля.

Основными мерами снижения дрейфа являются:

• жесткая стабилизация источников питания усилителей;
• использование отрицательных обратных связей;
• применение балансных компенсационных схем УПТ;
• использование элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры для компенсации температурного дрейфа;
• применение УПТ с промежуточным преобразованием и др.

Важным вопросом при построении УПТ является также согласование потенциалов соседних каскадов, согласование источника входного сигнала с УПТ, а также подключение нагрузки к УПТ таким образом, чтобы при нулевом входном напряжении, напряжение на нагрузке было также равно нулю.

Поэтому простейшие УПТ, состоящие из нескольких каскадов, включенных последовательно и соединенных гальванической (непосредственной) связью, даже при условии согласования потенциалов обладают рядом недостатков, главным из которых является дрейф нуля.

Таким образом, для устранения отмеченных выше недостатков УПТ строят в виде параллельно-балансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, в одно плечо которого включена нагрузка, а в другое — источник питания. Схема такого УПТ приведена на рис. 2.35.

Коллекторные сопротивления RK1 и RK2, транзисторы Т1 и Т2, резистор Rэ образуют мост, к одной диагонали которого подключен источник питания ЕK, а в другую диагональ — между коллекторами транзисторов — включается нагрузка.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

При нулевых входных сигналах и полной симметрии схемы (RK1 = RК2, T1 и Т2 одинаковы) потенциалы коллекторов транзисторов Т1 и Т2 одинаковы и uвых, равное u К1—uК2, равно нулю.

Высокая стабильность схемы объясняется тем, что при изменении напряжения источника питания или при одинаковых изменениях параметров транзисторов (например, за счет температуры) потенциалы обоих коллекторов получают равные приращения и, следовательно, выходное напряжение остается равным нулю.

В реальных схемах всегда имеется некоторая несимметрия плеч и существует некоторый дрейф нуля, хотя он и значительно меньше, чем в других схемах.

Входной сигнал в этой схеме может подаваться либо между базами, либо на одну из баз при фиксированном потенциале другой.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Представив Rэ в виде двух параллельно соединенных сопротивлений удвоенной величины (см. пунктир на рис. 2.35), можно увидеть, что рассматриваемый УПТ представляет собой два каскада с эмиттерной стабилизацией, объединенных соответствующим образом (см. вертикальные разделительные линии).

Включив последовательно с Rэ дополнительный источник Еэ, можно обеспечить такой начальный режим работы транзисторов, при котором потенциалы входов равны нулю и, следовательно, возможно убрать из схемы сопротивления делителей R1, R2, R3, R4. В результате получится схема дифференциального усилителя.

4.13. Усиление постоянного и переменного напряжения и тока

Усиление постоянного и переменного напряжений и тока может быть получено с помощью нелинейных управляемых элементов и дополнительных источников. Соответственно в усилителе постоянного тока используются дополнительные источники постоянного тока, а в усилителе переменного тока (напряжения) используются дополнительные источники переменного тока (напряжения). Такие усилители можно представить активными четырехполюсниками (рис. 4.77).

В усилителях малым входным приращениям di1 соответствуют большие выходные приращения di2. Если отношение

говорят, что усилитель У является усилителем тока. Или для напряжений: du2/du1 = Ku > 1– коэффициент усиления напряжения.

Произведение коэффициентов Ki и Ku определяют коэффициент усиления мощности:

Если приращения di и du на входе или на выходе медленно изменяются во времени, то речь идет об усилителях постоянного тока или напряжения. Тогда в стационарном состоянии усилителя отношение токов:

Требования к усилителям сигнала токового шунта в зависимости от схемы включения

Основной способ контроля тока, характеризующийся высокой точностью и малой стоимостью, основан на измерении падения напряжения на низкоомном резисторе (токовом шунте), включенном последовательно с нагрузкой.

В зависимости от условий применения схемы измерения тока (защиты, мониторинга или управления), токовый шунт может включаться либо между источником питания и нагрузкой (измерение тока в шине питания), либо между нагрузкой и землей (измерение тока в шине земли). На рисунке 4 показаны схемы, реализующие оба способа измерения тока, а в таблице 1 приведено их сравнение.

Рис. 4. Измерение тока посредством шунта RS: а) в шине питания; б) в шине земли

Таблица 1. Сравнение способов измерения тока в шинах питания и земли

Многие разработчики используют измерение тока в шине земли вследствие малой стоимости реализации данного способа. На рисунке 5a показан вариант схемы измерения тока с использованием операционного усилителя (ОУ) в несимметричной схеме включения. Данный вариант измерительной схемы отличается простотой реализации и минимальной стоимостью, однако его существенным недостатком является низкая точность из-за наличия паразитных сопротивлений и влияния температурных коэффициентов сопротивления резисторов на коэффициент усиления. Другим недостатком измерения тока в шине земли является невозможность обнаружения КЗ нагрузки.

Рис. 5. Схемы измерения тока в шине земли, реализованные на ОУ: а) несимметричная; б) симметричная

Для уменьшения влияния паразитных элементов и помех земляной шины на точность измерения тока можно использовать симметричную (дифференциальную) схему включения ОУ, показанную на рисунке 5б. Точность измерений в такой схеме будет определяться коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR) и дрейфом ОУ, а также точностью согласования резисторов, задающих коэффициент усиления. Однако стоимость реализации данного варианта будет значительно выше при использовании ОУ с большим CMRR и малым дрейфом.

Для решения проблем, связанных с точностью измерения тока, компания TI предлагает специализированные усилители сигнала токового шунта, к числу которых относится, в частности, линейка INA180, сочетающая в себе высокую точность измерений и малую стоимость. Микросхемы INA180 имеют широкую полосу пропускания (до 350 кГц) и скорость нарастания 2 В/мкс, что позволяет использовать их в стабилизаторах постоянного тока, источниках питания и драйверах двигателей. На рисунке 6 показана основная схема включения усилителя сигнала токового шунта INA180.

Рис. 6. Основная схема включения усилителя сигнала токового шунта INA180

Выбор места подключения токоизмерительного шунта зависит от функционального назначения схемы измерения тока и конкретных условий ее применения. Измерение тока в шине земли предпочтительнее использовать в устройствах, стоимость которых является существенным фактором, при этом в устройстве не требуется обнаружения КЗ нагрузки, а уровень помех в шине земли не приводит к ухудшению точности измерений. Измерение тока в шине питания целесообразно использовать при необходимости обнаружения КЗ нагрузки, а также при значительном уровне помех в шине земли. По сравнению со специализированными усилителями сигнала токового шунта реализация схемы измерения тока на дискретных элементах имеет ограниченную точность, большую площадь, необходимую для размещения элементов на печатной плате (рисунок 7), и более высокую стоимость для того же класса точности. Применение специализированной микросхемы позволило сократить на 70% суммарную площадь на печатной плате, занимаемую компонентами.

Рис. 7. Сравнение вариантов реализации схемы контроля тока на дискретных элементах, ОУ и компараторе (а) и специализированной микросхеме INA300 (б)

Измерение тока в шине питания решает проблемы, связанные с обнаружением КЗ нагрузки и помехами на шине земли, однако требует применения усилителей, устойчивых к большим синфазным напряжениям. Проблема защиты токоизмерительной схемы от синфазных напряжений, а также необходимость улучшения точностных характеристик и поиск ценовых компромиссов побуждают разработчиков искать замену традиционным измерительным схемам на дискретных элементах. Идеальным решением в данном случае являются специализированные усилители сигнала токового шунта, сочетающие в себе высокую точность, малую стоимость и возможность работы с большими синфазными напряжениями, как раз такие, как линейка микросхем INA180. Эти усилители способны работать с синфазными напряжениями до 26 В и сочетают в себе улучшенные характеристики, минимальную площадь размещения на печатной плате, гибкость построения токоизмерительных схем и оптимальную стоимость для устройств невысокой ценовой категории.

Основные характеристики линейки INA180:

• диапазон синфазного напряжения (VCM): –0,2…26 В;
• широкая полоса пропускания: 350 кГц;
• максимальное напряжение смещения:

• ±150 мкВ при VCM = 0 В;
• ±500 мкВ при VCM = 12 В.

• скорость нарастания выходного напряжения: 2 В/мкс;
• точность:

• максимальная погрешность коэффициента усиления ±1%;
• максимальный температурный дрейф напряжения смещения 1 мкВ/°C.

• коэффициент усиления:

• 20 В/В (индекс A1);
• 50 В/В (индекс A2);
• 100 В/В (индекс A3);
• 200 В/В (индекс A4).

• ток потребления: 260 мкА.