Усилители тока: Усилители постоянного тока: схемы, принцип действия, формулы

Усилители постоянного тока: схемы, принцип действия, формулы

Пример HTML-страницы

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 R_K1 и R_K2, транзисторы Т₁ и Т₂, резистор R_э образуют мост, к одной диагонали которого подключен источник питания Е_K, 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 R_э дополнительный источник Е_э, 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.

6. Усилители постоянного тока

Усилителями
постоянного тока
(УПТ) называют
усилители, коэффициент усиления которых
не снижается при снижении частоты вплоть
до нуля. Такие усилители производят
усиление не только переменной, но и
постоянной составляющей сигнала.

По принципу действия
УПТ подразделяют на 2 основных типа:
прямого усиления и с преобразованием
сигнала.

Электрические
сигналы, воздействуя на вход усилителя
постоянного тока, во многих случаях
малы по величине. Так, с помощью УПТ
приходится усиливать напряжение порядка
долей милливольта, а токи порядка

А.
Для усиления таких слабых сигналов
одного каскада оказывается недостаточно,
поэтому приходится применять многокаскадный
усилитель.

Очевидно, что при
построении многокаскадных усилителей
емкостная или трансформаторная связь
не может быть использована, т.к. ни
конденсаторы, ни трансформаторы не
пропускают постоянный ток. Поэтому для
соединения отдельных каскадов применяют
гальваническую (непосредственную)
связь. При этом базу транзистора каждого
последующего каскада непосредственно
соединяют с коллектором предыдущего.

Это требование
приводит к возникновению определенных
трудностей, связанных с согласованиями
режимов соседних каскадов по постоянному
току. Такие трудности не возникают в
усилителе переменного тока, где
разделительные конденсаторы изолируют
каскады по постоянному току.

Согласование
режимов соседних каскадов по постоянному
току может быть осуществлено двумя
способами.

При первом способе
дополнительный источник напряжения
включают в цепь межкаскадной связи
(рис. 19а)
в этом случае, напряжение смещения

определяется как разность постоянного
напряжения

на выходе предыдущего каскада и напряжения

дополнительного источника:

.
(88)

Изменяя напряжение
Е,
всегда можно получить оптимальное для
транзистора второго каскада напряжение
смещения.

При втором способе
дополнительный источник постоянного
напряжения включают в цепь эмиттера
(или в цепь истока).

При полярности
напряжения
,
указанной на рис. 19б
напряжение смещения
снова будет разностью постоянных
напряжений
и
и так же может иметь нужную величину.

С конструктивной
точки зрения, первый способ менее удачен,
особенно в случае применения многокаскадных
УПТ, так как будут необходимы дополнительный
источники питания, и УПТ будет очень
громоздким.

Второй способ
значительно лучше, так как роль
дополнительного источника постоянного
напряжения может играть, например,
резистор R
в цепи эмиттера, через который проходит
постоянный ток. Величину постоянного
тока

подбирают такой, чтобы выполнялось
условие

.
Вариант схемы двухкаскадного УПТ
приведен на рис. 20.

Р

ис.
20. Двухкаскадный усилитель постоянного
тока

Делитель R1,
R2
обеспечивает смещение на базу транзистора
VT1.
при данной полярности источника питания

на коллекторе транзистора устанавливается
соответствующий начальному режиму
относительно высокий отрицательный
потенциал, который прикладывается к
базе транзистора VT2.
уровень этого потенциала обычно
значительно превышает требуемое
напряжение смещения на базу транзистор
VT2.
Поэтому,
если его не скомпенсировать, то токи

и

возрастут
настолько, что транзистор может оказаться
в режиме насыщения. Компенсация
коллекторного напряжения

в приведенной схеме осуществляется
напряжением на резисторе
,
направленным
встречно и задаваемым такой величины,
чтобы:

,
(89)

где

—
напряжение смещения на базу транзистора
VT2,
обеспечивающее
необходимый базовый ток. В свою очередь
ток
обеспечивает начальный режим работы
второго каскада.

Принципиальная
трудность, возникающая при конструировании
УПТ, заключается в том, что такие усилители
обладают большой нестабильностью. Даже
очень медленные изменения напряжения
источников питания, а также параметров
транзисторов и деталей схемы вследствие
их старения, колебаний окружающей
температуры вызывают медленные изменения
токов, которые через цепи гальванической
связи передаются на выход усилителя и
приводят к изменениям выходного
напряжения.

Особенно
вредными оказываются изменения токов
в первых каскадах, так как они усиливаются
последующими. В результате этого в
отсутствие входного сигнала выходное
напряжение УПТ колеблется около
некоторого среднего значения. Это
явление, называемое дрейфом
нуля
УПТ,
является
вредным, так как возникающее выходное
напряжение невозможно отличить от
полезных сигналов. Дрейф нуля оценивают
в единицах напряжения на время (микровольт
в час). Отношение выходного напряжения
при отсутствии сигнала на входе к
коэффициенту усилителя называют
приведенным напряжением дрейфа:

.
(90)

Величина
приведенного ко входу напряжения дрейфа
ограничивает минимально различимый
входной сигнал. Напряжение дрейфа
определяет чувствительность усилителя.
Если же напряжение дрейфа на входе
усилителя окажется того же порядка, что
и напряжение сигнала, или даже больше,
то уровень искажений усилителя достигнет
недопустимой величины.

Для
уменьшения дрейфа нуля стабилизируют
источники питания УПТ, вводят отрицательную
обратную связь, а также применяют
мостовые балансные схемы УПТ (рис. 21).

Р

ис.
21. Мостовая балансная схема УПТ

Данная
схема выполнена в виде моста, двумя
плечами которого являются внутренние
сопротивления транзисторов VT1
и
VT2
(вместе
с соответствующей частью резистора

и резистором
).
К
одной диагонали моста подключен источник
питания
,
а
к другой — внешняя нагрузка
,
с которой снимается выходное напряжение.
Входной сигнал постоянного или медленно
изменяющегося тока прикладывается к
базам обоих транзисторов. Если плечи
моста симметричны (транзисторы идентичны,

=
)
и
,
то начальные токи покоя транзисторов
одинаковы. При этом напряжения на
коллекторах
и

относительно заземленной точки схемы
также равны, поэтому разность потенциалов
между коллекторами, а следовательно и
на нагрузке на нагрузке
равна нулю. Изменение напряжения питания,
температуры или воздействие какого-либо
другого дестабилизирующего фактора
вызывают равные приращения начальных
токов транзисторов, что обусловливает
равные приращения напряжений на
коллекторах

.
Однако баланс моста при этом сохраняется
и напряжение на нагрузке (напряжение
дрейфа) равно нулю. При наличии входного
сигнала приращена коллекторных токов,
а следовательно, и напряжении на
коллекторах будут равны по величине,
но противоположны по направлению, что
приводит к разбалансу моста и появлению
на нагрузке разности потенциалов, за
счет которой в резисторе
протекает ток усиленного сигнала. Полной
симметрии плеч и реальной схеме достичь
невозможно, что обусловливает наличие
небольшого напряжения дрейфа. Для
повышения стабильности балансного УПТ
вводят переменный резистор
,
с помощью которого поддерживается
большее постоянство потенциале эмиттеров
при изменении токов транзисторов.
Значение этого резистора невелико,
обычно

.
Вместо отдельных резисторов в цепях
эмиттеров транзисторов на практике
применяют один общий резистор
.
Он обуславливает отрицательную связь
лишь по токам покоя обоих транзисторов,
что выгодно с точки зрения стабилизации
параметров УПТ и снижения дрейфа нуля.

При
воздействии входного сигнала приращения
эмиттерных токов, протекающих через
резистор
равны по величине, но противоположны
по направлению (т.е.

).
Следовательно, отрицательная обратная
связь по току, полезного сигнала,
поддерживается лишь небольшим
сопротивлением
.
Значительное снижение дрейфа нуля
достигается в балансных УПТ, выполненных
в виде интегральных микросхем. Поскольку
транзисторы в интегральной семе
изготовляют в течение одного
технологического цикла и в одних и тех
же условиях, их параметры почти идеально
идентичны. Кроме того, поскольку
транзисторы расположены очень близко
круг к другу в одной кремниевой пластинке,
рабочая температура этих приборов
одинакова.

Высокоскоростной усилитель тока серии HCA

Серия высокоскоростных усилителей тока HCA

Особенности

• Входной шум до 270 фА/√Гц
• Полоса пропускания до 400 МГц
• Коэффициент усиления до 10 ⁶ В/А
• Плоская частотная характеристика
• Стабилизированный и регулируемый выход напряжения смещения для смещения внешних фотодиодов
• Корпус с защитой от электромагнитных помех

 

Высокая частота – только для специалистов?

Пользователи высокочастотных компонентов часто сталкиваются с такими проблемами, как нежелательные колебания, плохое заземление, нелинейность, пики усиления и уменьшение полосы пропускания, вызванные плохой конструкцией усилителей. Усилители высокой частоты FEMTO были разработаны для устранения таких нежелательных проблем. Нечувствительные к параметрам источника сигнала и входной проводке, высокочастотные усилители FEMTO точно работают в соответствии со своими спецификациями. Не будет пиков усиления, колебаний или значительного уменьшения полосы пропускания даже при емкости источника до 2 нФ (для HCA-1M-1M-C).

 

Ширина полосы пропускания не зависит от емкости источника

Всего несколько пикофарад емкости источника могут резко уменьшить полосу пропускания высокочастотных усилителей тока. Однако усилители тока FEMTO не имеют этого ограничения, и на них не влияет широкий диапазон емкостей источников. Не требуется частотная компенсация или специальная адаптация, а полоса пропускания и коэффициент усиления остаются постоянными вплоть до максимальной емкости источника, указанной для каждой модели*.

 

Модели «C»

Модели усилителей, обозначенные дополнительной буквой «C», оптимизированы для работы с очень большими емкостями источников, вплоть до нанофарад. Они очень полезны для измерения быстрых сигналов вплоть до наносекунд с помощью детекторов большой площади. Для детекторов с емкостью более 2 нФ мы предлагаем модели, разработанные по индивидуальному заказу. Пожалуйста, свяжитесь с нами для уточнения деталей.

 

Регулируемое напряжение смещения и смещения

Для обеспечения высокой степени гибкости усилители тока FEMTO HCA обеспечивают точное управление смещением и смещением с помощью двух подстроечных потенциометров. Широкий диапазон регулируемой компенсации входного тока смещения сохраняет полную динамику даже для сигналов с большими постоянными составляющими. Напряжение на выходе смещения можно точно отрегулировать в диапазоне от -12 до +12 В с помощью многооборотного подстроечного потенциометра.

 

Применение

• Быстрое обнаружение с помощью фотодиодов большой площади
• Спектроскопия
• Фотодетектирование с ФЭУ и фотодиодами
• Детекторы ионизации
• Пиро- и пьезоэлектрические детекторы

 

Модель	3 дБ Полоса пропускания (DC . ..)	Шум Ток [/√Гц]	Трансимпеданс (усиление)	Увеличение/уменьшение Время	Макс. Источник Емкость	Посмотреть и Скачать Спецификация
ГКА-1М-1М	1 МГц	270 фА	1 x 10 6 В/А	350 нс	50 пФ	191 КБ
HCA-1M-1M-C	1 МГц	3,5 пА	1 x 10 6 В/А	350 нс	2 нФ	191 КБ
ГКА-2М-1М	2 МГц	340 фА	1 x 10 6 В/А	180 нс	25 пФ	191 КБ
HCA-2M-1M-C	2 МГц	3,5 пА	1 x 10 6 В/А	180 нс	1 нФ	191 КБ
ГКА-4М-500К	4 МГц	490 фА	5 x 10 5 В/А	90 нс	15 пФ	191 КБ
HCA-4M-500K-C	4 МГц	3,5 пА	5 x 10 5 В/А	90 нс	500 пФ	191 КБ
ГКА-10М-100К	10 МГц	1,1 пА	1 x 10 5 В/А	35 нс	15 пФ	189 КБ
HCA-10M-100K-C	10 МГц	3,5 пА	1 x 10 5 В/А	35 нс	150 пФ	191 КБ
HCA-20M-100K-C	20 МГц	3,5 пА	1 x 10 5 В/А	18 нс	50 пФ	190 КБ
HCA-40M-100K-C	40 МГц	3,7 пА	1 x 10 5 В/А	10 нс	30 пФ	189 КБ
HCA-100M-50K-C	100 МГц	3,8 пА	5 x 10 4 В/А	3,5 нс	20 пФ*	293 КБ
HCA-200M-20K-C	200 МГц	4,9 пА	2 x 10 4 В/А	1,9 нс	8 пФ*	287 КБ
HCA-400M-5K-C	400 МГц	21 пА	5 x 10 3 В/А	1 нс	10 пФ*	304 КБ

 

Выходное напряжение ±1,5 В, при нагрузке 50 Ом. Смещение регулируется тримпотом. Выход защищен от короткого замыкания. Регулируемый выход смещения (-12 В … +12 В) для смещения фотодетекторов. Питание через 3-контактный Lemo ^® гнездо. Ответный разъем поставляется вместе с устройством. Доступен дополнительный источник питания PS-15. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, просмотрите техническое описание.

ПРИМЕЧАНИЕ. Указанная выше максимальная емкость детектора означает, что до этого значения гарантируется заданная ширина полосы 3 дБ (±15 %). Также возможны большие емкости, но это незначительно повлияет на полосу пропускания и частотную характеристику.

* Для сверхбыстрых моделей HCA-100M-50K-C, HCA-200M-20K-C и HCA-400M-5K-C может произойти уменьшение полосы пропускания до 25 % от номинальных значений, если емкость источника достигнет указанные выше максимальные значения емкости источника. Особенно для этих моделей важны короткие кабели на входе и использование источников с малой емкостью. Для получения дополнительной информации просмотрите техническое описание или свяжитесь с FEMTO.

Усилители измерения тока | Аналоговые устройства

1. Продукты

2. Усилители

3. Специальные усилители

4. Усилители измерения тока

Включить JavaScript

Усилители измерения тока Analog Devices обеспечивают превосходную производительность для широкого спектра автомобильных приложений, приложений управления двигателем и управления питанием. Эти устройства точно усиливают малые напряжения при наличии больших синфазных напряжений и обеспечивают широкую полосу пропускания, а также сдвиг уровня и двунаправленность. Превосходная точность постоянного и переменного тока в широком диапазоне температур от –40°C до +125°C сводит к минимуму ошибки в измерительной цепи без ущерба для стоимости и размера корпуса.

Дифференциальные усилители также часто могут использоваться в некоторых приложениях измерения тока, особенно для приложений с общим режимом > 100 В. Таблица выбора усилителя разницы

Таблица выбора продуктов

Все ресурсы

Указания по применению

• AN-1321: Синфазные переходные процессы в приложениях измерения тока (Rev.