Дифференциальный усилитель

1. Дрейф нуля

Это появление на выходе усилителя сигнала при отсутствии сигнала на входе.

Причинами этого являются:

– изменение напряжения питания;

– влияние температуры на характеристики транзисторов;

– старение элементов.

Дрейф нуля – нежелательное явление, особенно при усилении слабых или медленно изменяющихся сигналов. В этом случае , вызванное дрейфом, соизмеримо с усиливаемым напряжением и искажает его.

Меры по снижению влияния дрейфа:

1. Жесткая стабилизация напряжения питания;

2. Использование в схемах усилителей отрицательных обратных связей;

3. Использование элементов с характеристиками, зависящими от температуры;

4. Использование специальных схемных решений (например, дифференциальный усилитель).

2. Дифференциальный усилитель (ДУ)

Широко распространенное устройство, входящее в состав операционных усилителей.

Схема ДУ не содержит конденсаторов и может использоваться как усилитель постоянного тока.

Пример схемы ДУ, выполненной на основе симметричного моста. Она состоит из двух усилительных каскадов с ОЭ, работающих с одним элементом температурной стабилизации.

VT1 и VT2 одинаковы.

, – выходные сигналы отдельных усилительных каскадов с ОЭ на VT1 и VT2 соответственно.

ДУ работает с сигналами от двух входов.

Проанализируем выходной сигнал при воздействии причин, вызывающих дрейф нуля.

Предположим, что температура возрастает. Вследствие этого обоих каскадов возрастут. Следовательно, возрастет и ().

Тогда: , то есть изменение выходного тока, вызванное увеличением температуры, не привело к увеличению .

Аналогично работает схема при колебаниях питающего напряжения.

3. Классы усиления каскада

В зависимости от положения рабочей точки в режиме покоя на характеристиках транзистора, а также от значения усиливаемого напряжения, различают несколько классов (режимов) работы усилительных каскадов.

1. Режим А

В этом режиме точка покоя выбирается посередине линейной части входной характеристики. Амплитуда усиливаемого напряжения при этом не должна выходить за линейную часть характеристики.

В режиме А усиление происходит практически без нелинейных искажений. Используется этот режим в усилителях напряжения.

Недостаток: низкий КПД (25%).

2. Режим В

В этом режиме точка покоя выбирается в начале входной характеристики. Этот режим характеризуется существенным искажением сигнала. КПД до 80%. Используется этот режим в усилителях мощности в двухтактных схемах.

3. Режим АВ

Рабочая точка находится посередине положения от режима А и В в отдельности. Это позволяет уменьшить искажения и повысить КПД до 50%.

4. Усилители мощности (УМ)

Рассмотренные ранее УК использовались либо для усиления напряжения (например, с ОЭ), либо для усиления тока (ОК).

Вместе с тем каждый из этих каскадов усиливал и мощность сигнала, но основным критерием их построения являлось обеспечение максимального коэффициента по напряжению или максимального коэффициента по току.

Однако в промышленной электронике часто возникает необходимость получения нагрузки усилителя максимальной мощности.

Усилители, которые обеспечивают , называются усилителями мощности.

Для того, чтобы получить , необходимо выполнение двух условий:

– выбор соответствующего транзистора;

– согласование нагрузки с выходом УК.

Согласование заключается в том, что обеспечивается в том случае, если

У рассмотренного УК (особенно с ОЭ) достаточно велико (сотни и тысячи Ом). Нагрузка, как правило, низкоомная (единицы и доли Ома).

Для того, чтобы выполнялось условие , на выходе УК с ОЭ включают согласующий трансформатор. Этот трансформатор понижает напряжение U. Если , нагрузка приводится к первичной обмотке это трансформатора. Ее приведенное значение: . Это и означает выполнение условия: . ( и – число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора).

Схема такого УМ называется однотактной.

Для УМ важное значение имеет КПД, который является наибольшим в режиме усиления В. Этот режим обладает высоким КПД, но вносит существенные искажения в форму сигнала.

Рассмотри однотактный УМ, используемый для получения сравнительно небольших мощностей от 3 до 5 Вт и работающий в режиме А.

 

 

 

 

Для получения больших мощностей используются двухтактные УМ, которые состоят из двух транзисторов с одинаковыми характеристиками.

Входной трансформатор T1 обеспечивает получение двух входных напряжений, одинаковых по величине и сдвинутых на 180°.

Каждый из этих входных напряжений усиливается через один из транзисторов. Транзисторы работают поочередно. Каждый из них работает в режиме В, то есть каждый транзистор участвует в получении выходного сигнала только в течение полупериода.

Эти полупериоды чередуются, и на выходе образуется напряжение, состоящее из двух полусинусоид.

 

 

Выходной трансформатор Т2 суммирует эти напряжения и подает синусоидальное усиленное напряжение на нагрузку .

Основное достоинство: более высокий КПД (до 70-75%).

Недостатки:

1. Использование двух транзисторов с максимально совпадающими характеристиками;

2. Применение трансформатора Т1 с возможностью вывода средней точки.