Усилители постоянного тока | Основы электроакустики

Усилители постоянного тока

 

Усилители постоянного тока  Общие сведения. Усилители постоянного тока УПТ могут уси­ливать электрические колебания со спектром частот от 0 до fв, оп­ределяемой назначением и условиями работы. По принципу дейст­вия различают усилители прямого усиления и. с преобразованием. В усилителях постоянного тока с преобразованием усиливаемый постоянный ток преобразуется в переменный и усиливается с по­следующим выпрямлением (усиление с модуляцией и демодуляцией сигнала — МДМ).

Особенность схем УПТ прямого усиления, наличие гальвани­ческой (непосредстенной) связи между выходным электродом уси­лительного элемента (коллектором, анодом) одного каскада и входным электродом усилительного элемента (базой, сеткой) сле­дующего каскада. При этом цепь связи между каскадами не содер­жит реактивных элементов (конденсаторов, трансформаторов), поэтому возможно прохождение сигналов любой частоты (вплоть до нулевой).

Гальваническая связь, хорошо передавая перепады потенциа­лов и медленные изменения токов между каскадами, затрудняет установку режима работы усилительного элемента, вызывает не­стабильность работы самого усилителя. При изменениях напряже­ния источников питания и режимов работы усилительных элемен­тов или их параметров возникают медленные изменения токов, которые через цепи гальванической связи передаются на вход усили­теля и приводят к изменениям выходного сигнала. Эти изменения выходного сигнала неотличимы от изменений, вызванных воздей­ствием полезного сигнала на входе усилителя.

Дрейф нуля и способы его снижения. Изменения выходного напряжения, обусловленные внутренними процессами в усилителе (нестабильностью напряжения источников питания, или параметров активных и пассивных элементов схемы, изменениями температу­ры окружающей среды и т. д.) и не связанные со входным напря­жением, называют дрейфом нуля усилителя. Абсолютный дрейф нуля характеризуется максимальным изменением выходного напря­жения при отсутствии сигнала на входе (при замкнутом входе) усилителя за определенный промежуток времени.

Напряжение дрейфа, приведенное ко входу усилителя, равно отношению напря­жения абсолютного дрейфа к коэффициенту усиления усилителя: Uдр.вх = U др.вых.макс/K. Значение этого напряжения ограничивает минимально различи­мый входной сигнал (т. е. определяет чувствительность усилителя). Для нормальной работы усилителя напряжение дрейфа не должно превышать заданного минимального напряжения усиливаемого сиг­нала. Если напряжение дрейфа на входе усилителя окажется того же порядка или больше напряжения сигнала, уровень искажений усили­теля превысит допустимую величину, что может вызвать смещение ра­бочей точки усилителя вне рабочей области характеристик усили­тельного элемента («дрейф нуля»).

Основными способами уменьшения напряжения дрейфа явля­ются:

• стабилизация напряжения или тока всех источников питания, влияющих на режим усилительного каскада;
• применение глубокой ООС;
• компенсация температурного дрейфа элементами с нелиней­ной зависимостью параметров от температуры;
• применение баланс­ных (мостовых) схем;
• преобразование постоянного тока, в перемен­ный и усиление переменного тока с последующим выпрямлением.

Схемы усилителей постоянного тока. Важными задачами при построении схем УПТ являются согласование потенциалов (на вхо­де усилителя, в точках соединения каскадов, и на выходу, при под­ключении нагрузки) и обеспечение стабильности работы при изме­нениях режимов и параметров элементов схемы. Усилители постоян­ного тока могут быть одно- и двухтактными.

В однотактной схеме УПТ прямого усиления на­пряжение сигнала с выхода одного усилительного элемента непо­средственно поступает на вход следующего усилительного элемента. Одновременно с напряжением сигнала на вход следующего усили­тельного элемента (например, V2) поступает напряжение питания цепи предыдущего транзистора VI. Для согласования потенциала коллектора транзистора VI с потенциалом базы последующего кас­када на транзисторе V2 следует скомпенсировать коллекторное на­пряжение первого каскада. С этой целью в эмиттерную цепь V2 включают резистор Raz, в результате чего напряжение смещения цепи базы транзистора V2 Uбэ2 = Uкэ1 + Uэ1 — UЭ2.

Для получения требуемого тока коллектора в транзисторе V2 напряжение U3n на резисторе RЭ2 должно превышать напряжение U3i на резисторе Rзь Потенциалы коллекторов последующих транзисторов должны быть высокими. Эти требования выполняются уменьшением сопротивлений Rк и увеличением R3 последующих каскадов, т. е. выбором RK3<Rк2<RK1 и Rэз>RЭ2>Rэ1. При таком выборе резисторов Rк и Ra снижается усиление последующих кас­кадов. Следует учитывать, что резисторы R3i, Raz и Rэз в схеме УПТ не только компенсируют коллекторное напряжение, поступаю­щее на базу, но и осуществляют стабилизацию режима транзисто­ров за счет ООС по току. Благодаря ООС параметры усилителя (Кв, Кт, rвх, rвых) в меньшей степени зависят от параметров тран­зистора и обладают большей стабильностью при их изменениях. Сопротивление R3 последнего каскада обычно выбирают из усло­вий получения необходимой стабильности режима работы, а нуж-ное смещение на базе устанавливают с помощью делителя RоRаз или- стабилитрона V4, подключаемого к цепи эмиттера (как пока­зано на рисунке пунктирной линией).

Если эмиттерный ток транзистора меньше рабочего тока стабилитрона, в схему (для обеспе­чения его номинального режима) дополнительно вводят резистор rq. Балансные схемы в сочетании со взаимной компенсацией, глу­бокой ООС и термокомпенсацией нелинейными элементами позво­ляют значительно увеличить стабильность УПТ. В большинстве случаев балансные схемы усилителей выполняют двухтактными. Для уменьшения дрейфа нуля применяют балансные схемы усилителей параллельного и последовательного типа. В схеме параллельного балансного каскадакол­лекторные резисторы RK1 и RК2 и внутренние сопротивления транзисторов образуют четыре плеча моста. К одной диагонали моста между цепями коллектор — эмиттер подключается напряжение пи­тания, а к другой (между коллекторами) — нагрузка. Входной уси­ливаемый сигнал прикладывается к базам обоих транзисторов. При RK1=RK2 и идентичных транзисторах плечи моста симметричны. Если сигнал на входе схемы отсутствует (Uи=0), разность потен­циалов между коллекторами VI и V2 также равна нулю. Если Uвх=/=0, потенциалы на коллекторах транзисторов получают одинаковые по величине, но разные ло знаку приращения (AUK1 = .=. — АUка), вследствие чего , в нагрузке появляется ток. Балансные каскады парал­лельного типа могут быть ис­пользованы в качестве первых высокостабильных каскадов многокаскадных усилителей, а также в качестве выходных каскадов, если нужно получить симметрично изменяющееся напряжение (например, для отклоняю­щих пластин осциллографической трубки) или симметрично изменяющийся ток (например, для отклоняющих катушек электронно-лучевых трубок, обмоток реле). Высокая стабильность выходных данных объясняется тем, что изменения режима (темпе­ратуры, напряжения источника) в симметричной схеме приводят к одинаковым изменениям потенциалов на коллекторах, поэтому вы­ходное напряжение и ток в нагрузке не меняются. В симметричной схеме ток через резистор R9 можно считать не измененным (АIэ1= — АIэ2). Следовательно, обратная связь в схеме не возникает. Регулировкой сопротивления резистора связи R1 с отводом средней точки можно уменьшить колебания токов коллекторов. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); Резистор R1, являясь сопротивлением обратной свя­зи, снижает усиление, однако предотвращает закрывание одного из транзисторов при малейшем разбалансе базовых потенциалов, чем расширяет динамический диапазон входных сигналов. Балансные каскады последовательного типа на транзисторах распрортранения не получили, поскольку обладают большим дрей­фом нуля. Усилители постоянного тока прямого усиления обеспечивают усиление сигналов лишь в сотни микровольт и выше. Для усиления более слабых сигналов используют УЛТ с преобразованием посто­янного тока в переменный с последующим усилением и выпрямле­нием..

Усилители постоянного тока — назначение, виды, схемы и принцип действия

Оставьте комментарий / Основы электроники / От Юрий Козырев

Усилители постоянного тока, как может показаться из названия, сами по себе ток не усиливают, то есть они не генерируют никакой дополнительной мощности. Данные электронные устройства служат для управления электрическими колебаниями в определенном диапазоне частот начиная с 0 Гц. Но посмотрев на форму сигналов на входе и выходе усилителя постоянного тока, можно однозначно сказать — на выходе имеется усиленный входной сигнал, однако источники энергии для входного и выходного сигналов — индивидуальные.

По принципу действия усилители постоянного тока подразделяются на усилители прямого усиления и усилители с преобразованием.

Усилители постоянного тока с преобразованием преобразуют ток постоянный — в переменный, затем он усиливается и выпрямляется. Это называется усилением сигнала с модуляцией и демодуляцией — МДМ.

Схемы усилителей прямого усиления не содержат реактивных элементов, таких как катушки индуктивности и конденсаторы, сопротивление которых зависит от частоты. Вместо этого существует непосредственная гальваническая связь выхода (коллектора или анода) усилительного элемента одного каскада с входом (базой или сеткой) очередного каскада. По этой причине усилитель прямого усиления способен пропускать (усиливать) даже постоянный ток. Такие схемы популярны и в акустике.

Однако непосредственная гальваническая связь хотя и передает очень точно между каскадами перепады напряжения и медленные изменения тока, такое решение сопряжено с нестабильностью работы усилителя, с затруднением установления режима работы усилительного элемента.

Когда напряжение источников питания немного изменяется, или изменяется режим работы усилительных элементов, либо немного плывут их параметры, — тут же наблюдаются медленные изменения токов в схеме, которые по гальванически связанным цепям попадают во входной сигнал и соответствующим образом искажают форму сигнала на выходе. Зачастую эти паразитные изменения на выходе схожи по размаху с рабочими изменениями, вызываемыми нормальным входным сигналом.

Искажения выходного напряжения могут быть вызваны различными факторами. Прежде всего — внутренними процессами в элементах схемы. Нестабильное напряжение источников питания, нестабильные параметры пассивных и активных элементов схемы, особенно под действием перепадов температуры и т. д. Они могут быть вовсе не связаны с входным напряжением.

Изменения выходного напряжения вызванные данными факторами именуют дрейфом нуля усилителя. Максимальное изменение выходного напряжения в отсутствие входного сигнала усилителя (когда вход замкнут) за определенный временной промежуток, называется абсолютным дрейфом.

Напряжение дрейфа, приведенное ко входу равно отношению абсолютного дрейфа к коэффициенту усиления данного усилителя. Это напряжение определяет чувствительность усилителя, так как вносит ограничение в минимально различимый входной сигнал.

Чтобы усилитель работал нормально, напряжение дрейфа не должно быть больше заранее определенного минимального напряжения усиливаемого сигнала, который подается на его вход. В случае если дрейф выхода окажется того же порядка или будет превышать входной сигнал, искажения превысят допустимую норму для усилителя, и его рабочая точка окажется смещенной за пределы адекватной рабочей области характеристик усилителя («дрейф нуля»).

Для снижения дрейфа нуля прибегают к следующим приемам. Во-первых, все источники напряжения и тока, питающие каскады усилителя, делают стабилизированными. Во-вторых, используют глубокую отрицательную обратную связь. В-третьих, применяют схемы компенсации температурного дрейфа путем добавления нелинейных элементов, чьи параметры зависят от температуры. В-четвертых, используют балансирующие мостовые схемы. И наконец, постоянный ток преобразуют в переменный и затем усиливают переменный ток и выпрямляют.

При создании схемы усилителя постоянного тока очень важно согласовать потенциалы на входе усилителя, в точках сопряжения его каскадов, а также на нагрузочном выходе. Также необходимо обеспечить стабильность работы каскадов при различных режимах и даже в условиях плавающих параметров схемы.

Усилители постоянного тока бывают однотактными и двухтактными. Однотактные схемы прямого усиления предполагают непосредственную подачу выходного сигнала с одного элемента — на вход следующего. На вход следующего транзистора вместе с выходным сигналом от первого элемента (транзистора) подается коллекторное напряжение первого.

Тут должны быть согласованы потенциалы коллектора первого и базы второго транзистора, для чего коллекторное напряжение первого транзистора компенсируют при помощи резистора. Резистор добавляют также в цепь эмиттера второго транзистора, чтобы сместить его напряжение база-эмиттер. Потенциалы на коллекторах транзисторов следующих каскадов также должны быть высокими, что тоже достигается применением согласующих резисторов.

В двухтактном параллельном балансном каскаде резисторы коллекторных цепей и внутренние сопротивления транзисторов образуют собой четырехплечевой мост, на одну из диагоналей которого (между цепями коллектор-эмиттер) подается напряжение питания, а к другой (между коллекторами) — присоединяется нагрузка. Сигнал который требуется усилить прикладывается к базам двух транзисторов.

При равенстве коллекторных резисторов и полностью одинаковых транзисторах, разность потенциалов между коллекторами, в отсутствие входного сигнала, равна нулю. Если входной сигнал не равен нулю, то на коллекторах будут приращения потенциалов равные по модулю, но противоположные по знаку. На нагрузке между коллекторами появится переменный ток по форме повторяющий входной сигнал, но большей амплитуды.

Такие каскады часто применяются в качестве первичных каскадов многокаскадных усилителей либо в качестве выходных каскадов для получения симметричного напряжения и тока. Достоинство данных решений в том, что влияние температуры на оба плеча одинаково изменяет их характеристики и напряжение на выходе не плывет.

Источник: http://electricalschool.info

Рабочие, строительные, усилители постоянного тока класса А и их применение

Усилитель, называемый просто усилителем, является наиболее важным компонентом в электронной промышленности. Усилитель не только повышает уровень сигнала, но и обеспечивает улучшенное качество входного сигнала. Для повышения уровня напряжения предпочтительно используются трансформаторы, а для включения или выключения электрических импульсов используется реле. А для увеличения диапазона флуктуирующих сигналов используются усилители на основе транзисторов. Итак, мы реализуем назначение усилителей практически в каждом назначении. И сегодня в этой статье описываются усилители постоянного тока (с прямой связью), их характеристики, принцип работы, схема, области применения и преимущества.

Что такое усилитель с прямой связью?

Усилитель постоянного тока представляет собой устройство, в котором выходной сигнал одного каскада напрямую соединен со входом следующего каскада, так что допускается даже нулевой частотный диапазон сигналов. Эти усилители постоянного тока используются для усиления минимального диапазона частот, таких как термопара или фотоэлектрические токи. Как следует из самого названия, нет необходимости в каком-либо соединительном устройстве для соединения входного и выходного каскадов.

Усилители постоянного тока предназначены не только для усиления постоянного тока, но и для усиления переменного и постоянного тока. Поскольку частотная характеристика усилителя с прямой связью аналогична LFP, его даже называют усилителем нижних частот. Усилители постоянного тока получили большую известность, потому что это единственные подходящие устройства для усиления сигналов нулевой частоты.

Характеристики усилителя постоянного тока

Характеристики усилителя постоянного тока включают следующее.

• Диапазон частот усилителей постоянного тока лучший
• Строительная техника и стоимость не дорого
• Конструкция усилителей постоянного тока настолько обтекаемая
• Не требуется большого веса и места
• По сравнению с другим методом связи метод прямой связи обеспечивает хорошее согласование импеданса

Конструкция усилителя постоянного тока

Вот схема двухкаскадного усилителя постоянного тока. Вход второго транзистора Т2 соединен с выходом первого транзистора Т1. Для начального каскада выбран NPN-транзистор, а для следующих каскадов используются PNP-транзисторы. Из-за этого подхода изменения, произошедшие в одном транзисторе, приведут к падению других изменений транзистора. Увеличение тока коллектора и изменение значения «β» в одном транзисторе будут уравновешены уменьшением тока в другом транзисторе.

И работа усилителя постоянного тока объясняется тем, что при подаче входного сигнала на конец базы транзистора T1 он подвергается усилению из-за действия транзистора, и выходной сигнал поступает на конец коллектора f T1. Затем выход Т1 подается на вход Т2 и подвергается дальнейшему усилению. Таким образом, усилители постоянного тока усиливают сигналы за счет прямой связи. Чтобы было ясно, когда положительный полупериод подается на вход T1, он смещает сигнал в прямом направлении и выдает инвертированный сигнал на выходе, где

V _cE = V _CC – I _C R _C

Этот инвертированный сигнал подается на вход T2 и является самосмещенным, так как они находятся в каскаде. д соединение. Базовый конец T2 не будет проводить, и он снова инвертирует приложенный входной сигнал. Когда T1 не проводит проводимость, падение напряжения на CE-переходе будет равно нулю, тогда V _CC соответствует I _C R _C .

Схема усилителя с прямой связью может быть показана ниже:

Цепь усилителя постоянного тока

Усилитель класса с прямой связью

Из всей топологии усилителя наиболее часто используемым типом усилителей является усилитель класса А с прямой связью. Конструктивная схема такого типа очень проста, так как в них используется только один переключающий транзистор: IGBT, биполярный или полевой транзистор. Поскольку транзистор смещен во всем диапазоне точки Q внутри к центральной линии нагрузки, он никогда не перейдет ни в положение насыщения, ни в положение отсечки. Этот сценарий позволяет проводить ток через отрицательные и положительные циклы ввода. Недостатком этого типа усилителя является то, что выходной транзистор никогда не переходит в режим OFF.

Усилитель постоянного тока класса А

Они считаются лучшими из-за условий линейности, отличного коэффициента усиления, а также минимального уровня искажений. Несмотря на то, что они меньше подходят для целей усиления высокой мощности, усилители класса А с прямой связью являются лучшими из всех. Лучше всего реализовано такое применение в повышении точности аудиоусилителей. Схема показана ниже:

Чтобы максимизировать уровни усиления и линейности, выходная фаза должна быть включена. Когда значение тока холостого хода нулевого сигнала в выходной секции больше или близко к току нагрузки, то усилитель считается классом A. Поскольку этот тип усилителей работает на линейном участке рабочих характеристик, тогда один выход Устройство позволяет проводить проводимость по всей форме волны, что делает это устройство похожим на источник тока. Кривая частотной характеристики:

Частотная характеристика усилителя класса А

Поскольку усилители постоянного тока класса А работают в линейной области, необходимо правильно выбрать базу транзистора, чтобы обеспечить правильную работу и минимальные искажения. Даже из-за этого дополнительного преимущества существует серьезный недостаток, заключающийся в том, что постоянно включенное состояние выходного транзистора приводит к потере мощности. Поскольку из-за этой потери мощности усилители выделяют большое количество тепла и, таким образом, снижают эффективность на 30 процентов. Это влияет на приложения с высокой мощностью. Также из-за максимальных уровней тока холостого хода необходимо правильно выбрать источник питания и провести надлежащую фильтрацию для устранения любых шумов и искажений.

Преимущества/недостатки усилителя с прямой связью

Существуют значительные преимущества использования усилителя с прямой связью, которые указаны как

• Поскольку в конструкции усилителя постоянного тока содержится минимальное количество компонентов, компоновка и размер цепи меньше.
• Из-за меньшего количества схем стоимость также меньше
• Используется для повышения уровней сигналов минимальной или нулевой частоты
• Также в схеме используется меньшее количество резисторов.

Недостатки

Помимо большего количества преимуществ, усилители постоянного тока также имеют недостатки, а именно:

• В усилителях постоянного тока будет некоторый дрейф напряжения, что приведет к раздражающим колебаниям уровня выходного напряжения.
• Относительно времени или напряжения выходное значение изменяется в соответствии с входным напряжением
• Такие параметры, как β и Vbe, будут изменяться в зависимости от изменений температуры. Это приводит к изменению значений напряжения и тока коллектора.
• Если на входе присутствует какой-либо шум или искажения, они будут отражаться на выходе, и этот шум также будет увеличиваться из-за высокого усиления.

Сравнение методов соединения

При использовании различных методов соединения, таких как трансформатор, прямое и резистивно-емкостное соединение DC Трансформатор RC Занимаемая площадь и вес Меньше требуется Нужно больше места Минимальный Согласование импеданса Лучший по сравнению с другими Лучше всех остальных Очень меньше Стоимость Минимальный Дороже Бедный Частотная характеристика Хорошие частотные характеристики Меньше Хорошо в звуковом диапазоне Использование Для усиления сигналов минимальной частоты Для использования усилителя мощности Для повышения напряжения

Применение усилителя постоянного тока

Несколько применений усилителя постоянного тока:

• Используется в телевизионных приемниках
• Компьютеры
• Электронные устройства, такие как динамики, аудиоусилители и другие
• Устройства регулирования
• Дифференциальные, импульсные и операционные усилители

Узнайте больше об операционных усилителях MCQ.

Итак, это все о подробной концепции усилителей с прямой связью. Поскольку благодаря многим преимуществам они являются основными для многих усилителей и многих электронных инструментов. Чтобы получить больше знаний, связанных с этой концепцией, узнайте, почему усилители постоянного тока пользуются большей популярностью и каковы частотные характеристики усилителей постоянного тока?

операционный усилитель — Использование операционного усилителя для усиления постоянного тока?

спросил 3 года 11 месяцев назад

Изменено 3 года, 11 месяцев назад

Просмотрено 11 тысяч раз

\$\начало группы\$

Во всех учебниках показаны входы операционных усилителей переменного тока.

Можно ли использовать операционный усилитель для усиления постоянного напряжения? если ответ нет, то почему? Почему для усиления постоянного тока можно использовать только транзисторы, разве операционные усилители не состоят из транзисторов?

• операционный усилитель
• транзисторы

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Да, вы можете усилить напряжение постоянного тока. Многие сигналы в таких приложениях, как температура, давление, взвешивание и т. д., изменяются так медленно, что их можно считать постоянными. Усилители, обрабатывающие эти сигналы, часто используют операционные усилители ¹ для буферизации и повышения уровня сигнала.

¹ «Операционный усилитель» — это сокращение от «операционный усилитель». Это не инициализация или акроним, поэтому мы не пишем его как OPAMP.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Операционный усилитель, безусловно, может усиливать постоянное напряжение. В конструкции операционных усилителей нет ничего, что мешало бы усилению постоянного тока. Все операционные усилители имеют внутреннюю связь по постоянному току. Очевидно, что конденсаторы связи не будут использоваться, и необходимо учитывать влияние напряжения смещения операционного усилителя. Обычно необходимо использовать операционный усилитель с двойным питанием, чтобы поддерживать входное напряжение близким к 0 вольт. В противном случае операционный усилитель будет усиливать напряжения смещения и, вероятно, будет насыщаться с любым разумным коэффициентом усиления.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

В принципе да, можно усилить постоянный ток с помощью операционного усилителя, с учетом ограничений усилителя. В основном, усиленное выходное напряжение должно находиться в пределах выходных пределов операционного усилителя. Например, усилитель с питанием от +12 В и -12 В не может выдать на выходе 50 В. Операционный усилитель rail-to-rail может выдавать выходной сигнал вплоть до напряжения питания; другие не пройдут весь путь до положительного или отрицательного напряжения питания, но застенчивы на несколько вольт.

Но зачем вам это? Вход постоянного тока никогда не меняется. Таким образом, вместо того, чтобы, скажем, усиливать входной сигнал 0,82 В в 10 раз для получения 8,2 В на выходе, просто используйте источник питания на 8,2 В.

С другой стороны, вы можете сделать фиксированный источник питания с маломощным точным опорным напряжением в качестве входа для усилителя с фиксированным коэффициентом усиления, который питает внешний силовой транзистор. (Часть конечного выхода источника питания подается обратно на отрицательный вход операционного усилителя для регулирования всей схемы.) Таким образом, операционный усилитель часто является частью источника питания.

^{смоделируйте эту схему — схема создана с помощью CircuitLab} Схема имеет стабилитрон 5,1 В в качестве эталона, а выходной сигнал делится на 10/(6,2+10) = 0,62 для усиления на 1/0,62 для получения 8,2 В. Обратите внимание, что вам по-прежнему нужно питать усилитель чем-то большим, чем выход. Вот это источник постоянного тока 12 В, но это может быть трансформатор и выпрямитель, работающий от переменного тока стены.