Усилители постоянного тока являются важной частью современной электроники. Они позволяют усиливать очень слабые электрические сигналы без искажений, что необходимо во многих областях - от медицинской техники до космических исследований.
Назначение усилителей постоянного тока
Основное назначение усилителей постоянного тока - генерировать выходной сигнал, который является усиленной и неискаженной копией входного сигнала. В отличие от усилителей переменного тока, они способны усиливать и сам сигнал постоянного тока, и его вариации.
Усилители постоянного тока широко используются:
- В измерительных приборах для усиления слабых сигналов датчиков
- В системах сбора и обработки данных
- В медицинской технике (электрокардиографы, энцефалографы)
- При исследовании космических лучей, сейсмической активности
При этом усилители постоянного тока работают в широком диапазоне частот - от 0 Гц до сотен килогерц.
Классификация усилителей постоянного тока
Существует несколько способов классификации усилителей постоянного тока:
По способу усиления
- Усилители прямого усиления
- Усилители с преобразованием (модуляцией и демодуляцией)
В усилителях прямого усиления нет реактивных элементов, есть непосредственная связь между каскадами. Усилители с преобразованием используют модуляцию постоянного сигнала в переменный.
По числу тактов
- Однотактные
- Двухтактные
В двухтактных усилителях применяется мостовая схема с двумя плечами для повышения стабильности.
По типу схемы
- Дифференциальные
- Мостовые
Дифференциальные и мостовые схемы также уменьшают влияние дрейфа параметров.
Области применения усилителей постоянного тока
Усилители постоянного тока находят широкое применение в различных областях благодаря способности работать с сигналами от 0 Гц.
Измерительные приборы
В измерительных приборах усилители постоянного тока используются для усиления слабых сигналов от датчиков - давления, температуры, расхода, концентрации веществ.
Системы сбора и обработки данных
Усилители постоянного тока незаменимы при регистрации биомедицинских параметров (электрокардиограммы, энцефалограммы), сейсмической активности, космических лучей.
Медицинская техника
В медицинской технике усилители постоянного тока широко применяются в электрокардиографах, энцефалографах и другом диагностическом оборудовании.
Основные технические характеристики усилителей постоянного тока
Рассмотрим ключевые параметры, по которым оценивают усилители постоянного тока.
Коэффициент усиления
Определяет во сколько раз выходной сигнал усилителя больше входного. Чем выше коэффициент усиления, тем слабее входные сигналы можно усилить.
Полоса пропускания
Показывает диапазон частот, в котором усилитель работает с заданным коэффициентом усиления. У УПТ полоса пропускания начинается с 0 Гц.
Входное и выходное сопротивление
Входное сопротивление должно быть высоким, чтобы усилитель не нагружал источник сигнала. Выходное сопротивление стремятся сделать как можно меньше.
Дрейф нуля
Определяет стабильность нулевой линии выходного сигнала при отсутствии полезного входного сигнала. Чем меньше дрейф нуля, тем выше точность усилителя.
| Абсолютный дрейф нуля | Максимальное изменение выходного напряжения при отсутствии входного сигнала |
| Температурный дрейф нуля | Изменение дрейфа нуля при изменении температуры на 1°C |
Температурная стабильность
Показатель изменения характеристик усилителя при изменении температуры. Определяет рабочий температурный диапазон усилителя.
Способы борьбы с дрейфом нуля
Поскольку дрейф нуля существенно ограничивает точность усилителей постоянного тока, разработан ряд методов борьбы с ним.
Стабилизация источников питания
Применение высокостабильных источников опорного напряжения снижает влияние колебаний питания на дрейф.
Применение отрицательной обратной связи
Позволяет скомпенсировать изменения характеристик каскадов за счет стабилизации усиления.
Компенсация температурного дрейфа
В схему добавляют специальные нелинейные элементы, параметры которых изменяются с температурой синхронно с основными элементами.
Использование мостовых схем
Равенство параметров плеч в мостовой схеме компенсирует их взаимное влияние на выходной сигнал.
Особенности схемотехники усилителей постоянного тока
При проектировании усилителей постоянного тока важно учитывать ряд особенностей.
Согласование потенциалов
Необходимо обеспечить совпадение рабочих точек каскадов, подавая смещение с помощью резисторов.
Резисторы смещения
Служат для установки оптимального рабочего режима усилительных элементов по постоянному току.
Равенство параметров в мостовых схемах
Для компенсации взаимного влияния плеч моста используют одинаковые резисторы и транзисторы.
Пример расчета параметров усилителя постоянного тока
Рассмотрим на примере, как можно рассчитать основные параметры простейшего усилителя постоянного тока на биполярном транзисторе.
Схема усилителя
Будем использовать схему с общим эмиттером, включив транзистор по схеме с общим эмиттером. На рисунке приведена принципиальная схема:
Расчет коэффициента усиления по напряжению
Коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение напряжения на нагрузочном резисторе Рн к напряжению между базой и эмиттером:
KU = UРн / UBE
Подставив значения сопротивлений из схемы, получим:
KU = (IК · Рн) / UBE = (IЭ · Рн / β) / UBE = Рн / (Рэ + Рн) · β
Для β = 100 и заданных в схеме сопротивлений KU = 100.
Расчет входного сопротивления
Входное сопротивление этой схемы равно сопротивлению база-эмиттер RBE транзистора, то есть 25 Ом.
Оценка температурной стабильности
Температурный дрейф β транзистора составляет примерно -0.5% на градус. Для диапазона 25±10°C это дает изменение β на ±5%. Соответственно, коэффициент усиления будет меняться также на ±5%.
Рекомендации по выбору усилителя постоянного тока
При выборе усилителя постоянного тока для конкретных задач нужно учитывать:
Требуемый коэффициент и диапазон усиления
Определяется исходя из уровней входного и нужного выходного сигнала.
Допустимый уровень шумов и помех
Ограничивается отношением сигнал/шум входного сигнала.
Диапазон рабочих частот
Должен соответствовать спектру усиливаемого сигнала, начиная с 0 Гц.
Требуемая температурная стабильность
Выбирают исходя из условий эксплуатации и допустимых погрешностей.
Перспективы развития усилителей постоянного тока
Основные тенденции совершенствования усилителей постоянного тока:
- Повышение линейности амплитудной характеристики
- Увеличение коэффициента усиления
- Расширение полосы пропускания в область более высоких частот
- Уменьшение температурного дрейфа и шумов
Это позволит более точно усиливать малые сигналы, расширит области применения усилителей постоянного тока.
Основные производители усилителей постоянного тока
Рассмотрим несколько крупнейших компаний, специализирующихся на выпуске усилителей постоянного тока.
Texas Instruments
Один из мировых лидеров в производстве аналоговых микросхем. Выпускает широкую номенклатуру операционных усилителей постоянного тока серии OPA с высокими метрологическими характеристиками.
Analog Devices
Компания разрабатывает и производит высококачественные аналоговые микросхемы, в том числе инструментальные усилители постоянного тока серии AD8421/2.
STMicroelectronics
Предлагает прецизионные rail-to-rail операционные усилители постоянного тока, работающие в широком диапазоне напряжений питания.
Применение усилителей постоянного тока в автомобилях
В современных автомобилях используется множество электронных систем, в которых применяются усилители постоянного тока.
Датчики двигателя
Усилители обрабатывают сигналы от датчиков детонации, положения коленчатого вала, расхода воздуха.
Мультимедийные системы
Усилители звука воспроизводят музыку, голосовые подсказки навигатора с нужной громкостью.
Системы помощи водителю
Усиливают сигналы радаров, видеокамер и датчиков для распознавания препятствий и пешеходов.
Перспективные области применения усилителей постоянного тока
Усилители постоянного тока активно применяются в научных исследованиях и передовых технологиях.
Нейроинтерфейсы
Позволяют усиливать слабые сигналы нейронов мозга для управления внешними устройствами.
Лазерные системы
Усилители обрабатывают данные высокоточных лазерных дальномеров в системах самоуправляемого транспорта.
Особенности эксплуатации усилителей постоянного тока
Рассмотрим некоторые нюансы, которые следует учитывать при использовании усилителей постоянного тока на практике.
Питание постоянным и стабильным напряжением
Отклонения в питании вызывают изменение режимов работы каскадов усилителя и рост дрейфа. Поэтому необходимо использовать высокостабильные источники постоянного напряжения или встроенные схемы стабилизации.
Защита от перенапряжений и импульсных помех
Для повышения помехоустойчивости в схемы усилителей обычно включают защитные цепи - варисторы, стабилитроны, RC-фильтры. Но полностью исключить сильные выбросы не получится, поэтому нужно соблюдать меры предосторожности при монтаже.
Эффективное охлаждение
Выделяемая в усилителях тепловая энергия может привести к перегреву. Для отвода тепла применяют радиаторы. Рекомендуется устанавливать датчики температуры и системы управления скоростью вентиляторов.
Ремонт усилителей постоянного тока
Наиболее частые неисправности усилителей постоянного тока и способы их устранения:
Отсутствие сигнала на выходе
Возможна неисправность источника питания, предохранителей или выходных каскадов. Проверить мультиметром напряжения питания и сигналов в узлах.
Повышенный уровень шумов и искажений
Может быть вызван дрейфом параметров входных каскадов из-за старения или перегрева. Необходимо провести диагностику с помощью осциллографа и приборов.
Потеря динамического диапазона
Проявляется в отсечении малых сигналов на фоне шумов и насыщении усилителя при больших сигналах. Потребуется замена ключевых элементов.
