Nuolatinės srovės stiprintuvai naudojami grandinėse, kuriose signalas laikui bėgant turi išlikti tikslus, ypač jutimo, matavimo ir valdymo programose. Kadangi jie valdo pastovų ir lėtai kintantį signalo lygį, jų dizainas daug dėmesio skiria stabilumui ir tikslumui, o ne tik stiprinimui. Šiame straipsnyje paaiškinama, kaip sukonstruojami nuolatinės srovės stiprintuvai, kaip jie veikia, įprasti grandinių tipai, specifikacijos, pvz., poslinkis ir dreifas, ir kaip pasirinkti tinkamą, kad rezultatai būtų patikimi.
Kas yra nuolatinės srovės stiprintuvas?
Nuolatinės srovės stiprintuvas (tiesiogiai sujungtas stiprintuvas) yra stiprintuvas, galintis sustiprinti signalus iki 0 Hz, o tai reiškia, kad jis gali sustiprinti pastovų nuolatinės srovės lygį ir labai lėtai besikeičiančius signalus jų neblokuodamas.
DC stiprintuvo grandinės konstrukcija
Nuolatinės srovės stiprintuvas naudoja tiesioginį sujungimą tarp pakopų, o tai reiškia, kad vieno etapo nuolatinės srovės išvesties lygis tampa kito etapo įvesties poslinkio sąlygų dalimi. Tai yra pagrindinis projektavimo iššūkis: grandinė turi sustiprinti signalą, išlaikant stabilius veikimo taškus laikui bėgant, temperatūrai ir tiekimo pokyčiams.
Nuolatinės srovės stiprintuvo grandinės paprastai statomos naudojant:
• Diskrečios tranzistoriaus pakopos (paprastos ir nebrangios, bet jautresnės dreifo ir poslinkio pokyčiams)
• Op-amp pagrįsti nuolatinės srovės stiprintuvai (stabilesni ir lengviau valdomi, kad būtų tiksliai padidinti)
Pagrindinėje diskrečioje konstrukcijoje viena tranzistoriaus pakopa tiesiogiai maitina kitą pakopą. Rezistorių tinklas nustato poslinkio tašką, o emiterio rezistoriai dažnai pridedami siekiant pagerinti stabilumą per neigiamą grįžtamąjį ryšį.
Paprastas kolektoriaus-rezistoriaus etapas atitinka apytikslį santykį:
VC ≈ VCC − (IC × RC)
Tai rodo, kad pasislinkus tranzistoriaus kolektoriaus srovės IC, pasislenka ir kolektoriaus įtampa VC. Kadangi kolektoriaus įtampa gali tiesiogiai valdyti kitą etapą, net ir nedideli srovės pokyčiai gali perkelti kito etapo poslinkio tašką, pakeisdami išėjimo nuolatinės srovės lygį.
Nuolatinės srovės stiprintuvų veikimo parametrai
• Įvesties poslinkio įtampa (Vos): nedidelis nuolatinės srovės įtampos skirtumas įėjimuose, reikalingas, kad išėjimas rodytų nulį. "Lower Vos" pagerina mažų signalų tikslumą.
• Įvesties poslinkio poslinkis (dVos/dT): poslinkio pokytis su temperatūra (μV/°C). Mažesnis dreifas pagerina stabilumą keičiantis temperatūrai.
• Įvesties poslinkio srovė (Ib): maža nuolatinė srovė, tekanti į įvestį. Tai gali sukelti nepageidaujamus įtampos kritimus šaltinio varžoje ir sukelti matavimo klaidas.
• Įvesties poslinkio srovės poslinkis: Poslinkio srovė gali keistis priklausomai nuo temperatūros, o tai laikui bėgant gali pakeisti išvestį.
• Bendrojo režimo atmetimo santykis (CMRR): galimybė atmesti signalus, kurie vienodai rodomi abiejuose įėjimuose. Didesnis CMRR sumažina triukšmo surinkimą ir nepageidaujamus trukdžius.
• Maitinimo šaltinio atmetimo santykis (PSRR): galimybė atmesti maitinimo šaltinio įtampos pokyčius. Didesnis PSRR pagerina išvesties stabilumą, kai tiekimas yra triukšmingas arba bendras.
• Pralaidumas: dažnių diapazonas, kuriame stiprinimas išlieka teisingas, pradedant nuo nuolatinės srovės (0 Hz).
• Slew Rate: maksimalus greitis, kurį gali keisti. Tai svarbu greitiems perėjimams ir didesniems galios svyravimams.
• Triukšmas: dažnai nurodomas kaip įvesties įtampos triukšmas (nV/√Hz) ir srovės triukšmas (pA/√Hz). Mažesnis triukšmas pagerina rezultatus matuojant silpnus signalus.
• 1/f triukšmas (mirgėjimo triukšmas): triukšmo tipas, kuris tampa labiau pastebimas esant žemiems dažniams ir gali stipriai paveikti nuolatinės srovės ir lėtai besikeičiančius signalus.
• Įvesties varža: didesnė įėjimo varža sumažina apkrovą ir padeda, kai signalo šaltinis yra silpnas arba didelis pasipriešinimas.
Šios specifikacijos turi būti subalansuotos. Stiprintuvas gali turėti didelį pralaidumą, tačiau vis tiek prastai veikia nuolatinės srovės jutimui, jei dreifas, poslinkio srovė arba 1/f triukšmas yra per didelis.
Vieno galo nuolatinės srovės stiprintuvas ir nuolatinės srovės lygio perjungimas
Vieno galo nuolatinės srovės stiprintuvų grandinės dažnai susiduria su nuolatinės srovės lygio derinimu tarp etapų. Kadangi etapai yra tiesiogiai sujungti, vieno etapo išėjimo nuolatinė įtampa turi teisingai atitikti kito etapo šališkumo poreikius.
Įprasti lygio perkėlimo metodai apima:
• Emiterio rezistoriai nuolatinės srovės lygiui reguliuoti keičiant emiterio įtampą
• Diodų lygio poslinkis, naudojant nuspėjamus diodų kritimus (apie 0,6–0,7 V siliciui daugeliu sąlygų)
• Zenerio diodai, kai reikia fiksuotesnio lygio poslinkio
• Papildomos NPN/PNP pakopos, kad nuolatinės srovės lygis būtų natūraliau suderintas
Pagrindinis vieno galo tiesioginio sujungimo trūkumas yra dreifas, kai išėjimas lėtai juda net tada, kai įėjimas išlieka pastovus. Kadangi kiekvienas etapas perduoda nuolatinės srovės poslinkį į priekį, klaidos gali kauptis ir perkelti vėlesnius etapus toliau nuo numatyto veikimo taško. Dėl šios priežasties tiksliose sistemose paprastai vengiama vieno galo nuolatinės srovės grandinių, nebent pridedamas stiprus stabilizavimas.
Diferencialinis nuolatinės srovės stiprintuvas
Diferencialinis nuolatinės srovės stiprintuvas naudoja du suderintus tranzistorius ir subalansuotą struktūrą, kad sustiprintų skirtumą tarp dviejų įėjimų, tuo pačiu atmesdamas signalus, kurie abiejuose įėjimuose atrodo vienodi.
• Įėjimai: Vi1 ir Vi2
• Vieno galo išėjimai: Vc1 ir Vc2
• Diferencialinė išvestis: Vo = Vc1 − Vc2
Kodėl pirmenybė teikiama diferencialiniams dizainams:
• Geresnė dreifo kontrolė: jei abi pusės yra gerai suderintos, temperatūros ir poslinkio pokyčiai paprastai vyksta ta pačia kryptimi. Kadangi rezultatas priklauso nuo skirtumo, daugelis bendrų pamainų atšaukiami.
• Didelis bendrojo režimo atmetimas (CMRR): abiejuose įėjimuose atsirandantis triukšmas sumažėja, todėl išvestis išlieka sutelkta į tikrąjį signalo skirtumą.
• Stiprus diferencialinis stiprinimas: grandinė daugiausia reaguoja į įvesties skirtumą, todėl naudingi signalai aiškiai išsiskiria.
• Stabilus poslinkis naudojant emiterio grįžtamąjį ryšį: bendras emiterio rezistorius arba "uodegos" srovės šaltinis prideda neigiamą grįžtamąjį ryšį, kuris pagerina stabilumą ir sumažina dreifą. Srovės šaltinio uodega dažnai dar labiau pagerina našumą.
Mažo triukšmo itin plačiajuosčiai nuolatinės srovės stiprintuvai
Mažo triukšmo itin plačiajuosčio nuolatinės srovės stiprintuvai skirti perduoti signalus nuo tikrosios nuolatinės srovės (0 Hz) iki labai aukštų dažnių, todėl jie yra naudingi grandinėse, kuriose turi būti išsaugoti lėti signalo pokyčiai ir labai greiti perėjimai. Jie dažniausiai naudojami vaizdo ir impulsų stiprinime, didelės spartos matavimo sistemose ir duomenų gavimo priekinėse dalyse, kur tikslumas ir greitis yra labai svarbūs.
Kad šie stiprintuvai gerai veiktų tokiame plačiame dažnių diapazone, jie turi išlaikyti mažą triukšmą, mažą dreifą, plokščią stiprinimą ir stabilų veikimą be svyravimų. Dažnai galite naudoti tokius metodus kaip neigiamas grįžtamasis ryšys, kaskodo etapai ir pralaidumo išplėtimo metodai, tačiau juos reikia taikyti atsargiai, kad būtų išvengta nestabilumo.
Be to, plačiajuosčiams nuolatinės srovės stiprintuvams reikalingas stabilus grįžtamasis ryšys su gera fazės riba, kruopštus įžeminimas ir ekranavimas bei trumpi signalo ir grįžtamojo ryšio keliai, kad būtų sumažinta pasklidusi talpa. Jie taip pat turi valdyti žemo dažnio triukšmo šaltinius, tokius kaip 1/f triukšmas, nes tai gali apriboti nuolatinės srovės tikslumą net ir esant stipriam aukšto dažnio veikimui.
DC stiprintuvo įgyvendinimas
• Diskretiški tranzistoriaus nuolatinės srovės stiprintuvai: paprasti tiesiogiai sujungti tranzistoriaus etapai, galintys sustiprinti nuolatinės srovės ir lėtus signalus, tačiau jiems reikia kruopštaus šališkumo valdymo ir jie yra jautresni dreifui.
• Operaciniai stiprintuvai (Op-Amps): IC pagrindu veikiantys stiprintuvai, naudojami stabiliam nuolatinės srovės stiprinimui ir signalo kondicionavimui. Daugelis apima vidinį poslinkio stabilizavimą ir palengvina nuolatinės srovės stiprinimą.
• Prietaisų stiprintuvai: skirti labai mažiems signalams triukšmingoje aplinkoje. Paprastai jie pasižymi didele įėjimo varža, mažu dreifu ir labai dideliu CMRR, todėl yra puikus pasirinkimas tiksliam matavimui.
• Automatinio nulio ir smulkintuvo stabilizuoti stiprintuvai: tikslūs stiprintuvai, skirti sumažinti poslinkį ir dreifą naudojant vidinius korekcijos metodus. Jie dažnai naudojami didelio tikslumo nuolatinės srovės matavimo sistemose.
DC Amplifier ir AC Amplifier palyginimas
| Funkcija | Nuolatinės srovės stiprintuvas (tiesiogiai sujungtas) | Kintamosios srovės stiprintuvas (sujungtas su kondensatoriumi) |
|---|---|---|
| Pagrindinis skirtumas | Nėra jungiamųjų kondensatorių tarp pakopų | Naudoja jungiamuosius kondensatorius tarp pakopų |
| Signalo diapazonas | Gali sustiprinti iki 0 Hz (DC) | Neįmanoma sustiprinti tikrosios nuolatinės srovės |
| Žemo dažnio veikimas | Išvengiama žemo dažnio nuostolių iš kondensatorių | Stiprinimas sumažėja esant labai žemiems dažniams |
| Geriausiai tinka | Lėtas arba pastovus signalo keitimas | Signalai, kuriems nereikia nuolatinės srovės tikslumo |
| Šališkumas | Reikia kruopštaus šališkumo dizaino | Šališkumas yra lengvesnis ir savarankiškesnis |
| Poslinkis ir dreifas | Jautrus poslinkiui ir dreifui | Mažiau paveiktas nuolatinės srovės poslinkio kaupimosi |
| Daugiapakopis elgesys | Nuolatinės srovės klaidos gali kauptis įvairiuose etapuose | Sumažina nuolatinės srovės poslinkio klaidų kaupimąsi |
| Galimos problemos | Poslinkis, dreifas, sukauptos nuolatinės srovės paklaidos | Fazių poslinkis ir žemo dažnio iškraipymas |
| Geriausias pasirinkimas priklauso nuo | Nuolatinės srovės tikslumo ir stabilumo reikalavimai | Reikia blokuoti nuolatinę srovę ir supaprastinti etapo šališkumą |
Nuolatinės srovės stiprintuvų privalumai ir trūkumai
Argumentai "už"
• Sustiprinkite nuolatinės srovės ir labai žemo dažnio signalus
• Galima pastatyti naudojant paprastas scenos jungtis
• Naudinga kaip diferencialinių ir op-amp grandinių statybiniai blokai
Minusai
• Driftas gali perkelti išvestį net ir esant nuolatinei įvestiai
• Galia gali keistis keičiantis temperatūrai, laikui ir tiekimui
• Tranzistoriaus parametrai (β, VBE) keičiasi priklausomai nuo temperatūros, o tai turi įtakos poslinkiui ir išėjimui
• Žemo dažnio 1/f triukšmas gali apriboti labai lėtų signalų tikslumą
Nuolatinės srovės stiprintuvų taikymas
• Jutiklio signalo kondicionavimas – sustiprina silpnus jutiklio išėjimus, išlaikant lėtus pokyčius tikslius ir stabilius.
• Matavimo ir prietaisų grandinės – sustiprina žemo lygio signalus, kad juos būtų galima aiškiai ir patikimai išmatuoti.
• Maitinimo reguliavimo ir valdymo kilpos – palaiko grįžtamojo ryšio sistemas, kurios kontroliuoja ir palaiko pastovią įtampą ar srovę.
• Diferencialinis stiprintuvas ir operacijos stiprintuvo vidinės pakopos – užtikrina stiprinimą ir stabilumą daugelyje analoginių IC konstrukcijų.
• Impulsų ir žemo dažnio stiprinimas valdymo elektronikoje – sustiprina lėtus impulsus ir žemo dažnio valdymo signalus be iškraipymų.
Dažniausios nuolatinės srovės stiprintuvo problemos ir pataisymai
| Dažna problema | Priežastis | Pataisymas |
|---|---|---|
| Poslinkio įtampa, sukelianti išėjimo klaidą | Mažas įvesties poslinkis sukuria pastebimą išvesties poslinkį, ypač esant dideliam stiprinimui. | Pasirinkite mažo poslinkio stiprintuvus, naudokite poslinkio apkarpymą (jei yra) ir ankstyvosiose stadijose išlaikykite pagrįstą stiprinimą. |
| Temperatūros poslinkis laikui bėgant keičiasi | Išvestis lėtai juda keičiantis temperatūrai, net jei įvestis išlieka pastovi. | Naudokite mažo dreifo stiprintuvus, suderintas tranzistorių poras ir pridėkite grįžtamąjį ryšį arba diferencialinius įvesties etapus, kad atšauktumėte bendras pamainas. |
| Poslinkio nestabilumas tiesiogiai sujungtuose tranzistorių etapuose | Tranzistoriaus β ir VBE pokyčiai perkelia veikimo tašką, todėl nuolatinės srovės lygis yra neteisingas. | Naudokite emiterio rezistorius neigiamam grįžtamajam ryšiui, stabiliems poslinkio tinklams ir srovės šaltinio poslinkiui, kad pagerintumėte valdymą. |
| Išvesties prisotinimas ir lėtas atkūrimas | Dideli nuolatinės srovės įėjimai arba didelis stiprinimas stumia stiprintuvą į prisotinimą, o atkūrimas gali užtrukti. | Padidinkite aukštį naudodami tinkamą maitinimo tūrįtage, apribokite įvesties diapazoną ir pasirinkite stiprintuvus su tinkamomis išėjimo svyravimo ribomis. |
| Triukšmo paėmimas esant silpniems nuolatinės srovės signalams | Silpnus signalus veikia laidų trukdžiai, maitinimo triukšmas ar netoliese esanti grandinės veikla. | Naudokite ekranavimą, tinkamą įžeminimą, vytos poros laidus, aukštus CMRR įėjimus ir mažo triukšmo ampkeltuvo pasirinkimai. |
| Maitinimo šaltinio virpėjimas, turintis įtakos išėjimui | Jei PSRR yra per mažas, išėjime atsiranda tiekimo pulsacija. | Pasirinkite stiprintuvą su dideliu PSRR, pridėkite galios filtravimo ir atjungimo kondensatorius ir palaikykite tiekimą švarų ir stabilų. |
| Svyravimai plačiajuosčiuose nuolatinės srovės stiprintuvuose | Išdėstymo parazitai ir grįžtamojo ryšio keliai sumažina stabilumą dideliu greičiu. | Naudokite stiprią PCB išdėstymo praktiką, trumpus grįžtamojo ryšio kelius, tinkamą apėjimą ir taikykite rekomenduojamus kompensavimo metodus. |
Išvada
Nuolatinės srovės stiprintuvai reikalingi, kai signalai turi būti sustiprinti neprarandant nuolatinės srovės turinio, pavyzdžiui, jutimo, matavimo ir valdymo sistemose. Jų veikimas labai priklauso nuo poslinkio, dreifo, poslinkio srovės, triukšmo ir tiekimo atmetimo ar bendrojo režimo trukdžių. Tinkamai suprojektavus grandinę ir tinkamą stiprintuvo tipą, nuolatinės srovės stiprinimas laikui bėgant gali išlikti stabilus, tikslus ir patikimas.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Kuo skiriasi nuolatinės srovės stiprintuvas ir nulinio dreifo (smulkintuvo) stiprintuvas?
Nuolatinės srovės stiprintuvas yra bet koks stiprintuvas, galintis sustiprinti signalus iki 0 Hz, įskaitant pastovų nuolatinės srovės lygį. Nulinio dreifo (smulkintuvo arba automatinio nulio) stiprintuvas yra specialus nuolatinės srovės stiprintuvo tipas, skirtas aktyviai koreguoti poslinkį ir dreifą, todėl jis geriau tinka labai mažiems nuolatinės srovės signalams, kurie laikui bėgant turi išlikti stabilūs.
Kodėl mano nuolatinės srovės stiprintuvo išvestis keičiasi net tada, kai įvestis yra trumpai sujungta su žeme?
Paprastai taip nutinka dėl įvesties poslinkio įtampos, įvesties poslinkio srovių ir temperatūros poslinkio stiprintuvo viduje. Net ir esant įžemintam įėjimui, nedidelis vidinis disbalansas gali sukelti mažą klaidą, kuri sustiprėja, todėl išvestis lėtai juda, o ne tiksliai nulis.
Kaip apskaičiuoti nuolatinės srovės poslinkio paklaidą nuolatinės srovės išėjime ampkeltuvas?
Paprastas įvertinimas yra: Išėjimo poslinkis ≈ Įvesties poslinkio įtampa (Vos) × stiprinimas. Pavyzdžiui, mažas įvesties poslinkis tampa daug didesnis esant dideliam stiprinimui. Realiose grandinėse papildomas poslinkis taip pat gali atsirasti dėl įvesties poslinkio srovės, tekančios per šaltinio varžą, o tai prideda papildomą nuolatinės srovės paklaidą įėjime.
Kaip sumažinti nuolatinės srovės stiprintuvo poslinkį ir dreifą tikroje grandinėje?
Galite pagerinti nuolatinės srovės stabilumą naudodami neigiamą grįžtamąjį ryšį, pasirinkdami mažo poslinkio ir mažo dreifo stiprintuvų tipus ir išlaikydami subalansuotą įvesties varžą, kad poslinkio srovės sukurtų mažiau klaidų. Geras PCB išdėstymas, ekranavimas ir švari galia taip pat padeda sumažinti lėtą išvesties judėjimą, kuris atrodo kaip dreifas.
Kas sukelia nuolatinės srovės stiprintuvų prisotinimą ir kaip jo išvengti?
Sodrumas atsiranda, kai stiprintuvo išėjimas pasiekia įtampos ribas, nes nuolatinės srovės lygis plius stiprinimas peržengia turimą išėjimo svyravimą. Norėdami to išvengti, įsitikinkite, kad ampkeltuvas turi pakankamai maitinimo tūriotage erdvės, venkite per didelio stiprinimo ankstyvosiose stadijose ir išlaikykite įvesties nuolatinės srovės lygį ampkeltuvo galiojančiame įvesties diapazone.