Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления медленно изменяющихся во времени сигналов. Амплитудно-частотная характеристика УПТ изображена на рис. 10.31. Связь источника сигнала со входом усилителя и междукаскадные связи не могут быть осуществлены в УПТ с помощью реактивных элементов – конденсаторов и трансформаторов, а имеют гальваническую связь. Гальванической называют связь, осуществляемую с помо-

щью элементов, обладающих проводимостью как на переменном, так и на постоянном токе. Элементами гальванической связи могут быть резисторы, диоды, проводники. Если используются проводники, то гальваническую связь называют непосредственной.

Способность УПТ усиливать медленно изменяющиеся сигналы приводит к тому, что изменения температуры, питающих напряжений и другие медленно изменяющиеся факторы вызывают изменения выходного напряжения. Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом нуля усилителя. Напряжение дрейфа, суммируясь с полезным сигналом на выходе усилителя, приводит к ошибкам в работе исполнительных устройств. Напряжение дрейфа нуля, измеренное на выходах различных усилителей, различно. Оно определяется величиной напряжения дрейфа нуля каждого каскада и коэффициентами усиления каскадов. Различают абсолютный дрейф нуля на выходе усилителя и дрейф, приведенный ко входу усилителя. Абсолютный дрейф нуля представляет собой максимальное изменение выходного напряжения при короткозамкнутом входе за определенный промежуток времени.

Для удобства сравнения различных усилителей по дрейфу нуля используют его уровень, приведенный ко входу усилителя (приведенный дрейф) . Величина определяет диапазон возможного изменения входного напряжения Е_г усилителя, при котором напряжение дрейфа составляет незначительную часть полезного выходного сигнала. Величина определяет чувствительность усилителя. На практике минимальное значение входного сигнала принимают в десятки и сотни раз больше .

Особенностью УПТ является трудность обеспечения параметров режима покоя каскадов. Параметры режима покоя каскада рассчитываются с учетом элементов, относящихся к выходной цепи предыдущего каскада и входной цепи последующего каскада. При выборе схемы каскада особое внимание уделяется обеспечению стабильности параметров режима покоя в отношении влияния всех дестабилизирующих факторов: изменение температуры; изменение напряжения источников питания; изменение параметров окружающей среды (давление, влажность); старение элементов и др.

Основными способами уменьшения дрейфа нуля являются: применение глубоких отрицательных обратных связей; использование термокомпенсирующих элементов (резисторов, диодов, транзисторов); преобразование постоянного тока в переменный с последующим его преобразованием в постоянный; применение балансных (мостовых) схем и др.

Принципиальная схема УПТ приведена на рис. 10.32. Усилители постоянного тока обычно бывают многокаскадными, так как в одном каскаде трудно получить необходимое усиление из-за глубокой отрицательной обратной связи. В многокаскадных усилителях удается уменьшить величину приведенного дрейфа. Особенностью этого усилителя является то, что выводы коллектора и базы транзисторов соседних каскадов соединены непосредственно. Резисторы, включенные в цепь эмиттера каждого каскада, обеспечивают внутрикаскадные отрицательные обратные связи по току, кроме того предназначены для создания необходимого напряжения U_бэо в режиме покоя. Этим достигается повышение положительного потенциала на эмиттере каждого транзистора за счет протекания тока эмиттера через R_э. Таким образом напряжение U_бэо в режиме покоя второго и последующих каскадов будет определяться соответственно.

. (10.74)

Задание режима по постоянному току первого каскада УПТ осуществляется аналогично как и для усилителей переменного сигнала.

Часто нагрузка усилителя R_н включается в диагональ моста, образованного элементами выходной цепи оконечного каскада и резисторами R₃, R₄. Таким образом обеспечивается при отсутствии входного сигнала. Резисторы R₃, R₄ создают компенсирующее напряжение выходной цепи каскада

. (10.75)

Рассмотрим основные показатели усилителя для приращений входного сигнала, используя выражения, полученные для каскада с ОЭ. Если резисторы делителя напряжения R₁ и R₂ высокоомны, то входное сопротивление усилителя определяется в основном входным сопротивлением транзистора

, (10.76)

а коэффициенты усиления по напряжению каскадов определяются следующими выражениями

, (10.77)

, (10.78)

. (10.79)

Из выражений видно, что коэффициенты усиления по напряжению отдельных каскадов обратно пропорциональны сопротивлениям в цепи эмиттера. Для поддержания неизменного режима покоя всех каскадов ( , ) при увеличении сопротивлений , необходимо уменьшать сопротивления резисторов , , что следует из выражений

, (10.80)

. (10.81)

Это приводит к уменьшению коэффициентов усиления второго и третьего каскадов за счет возрастания глубины отрицательной обратной связи по току.

При неизменном сопротивлении резисторов R_э ( ), но при большом токе эмиттеров , коэффициент усиления каскадов будет уменьшаться, но только за счет того, что необходимо уменьшить сопротивление резисторов , . Однако в этом случае сопротивления резисторов , будут меньше, чем при неизменном режиме покоя, в связи с этим коэффициент усиления каждого последующего каскада будет меньше предыдущего.

Для повышения коэффициента усиления второго и последующих каскадов часто применяют схемотехнические решения, показанные на рис. 10.33. На рис. 10.33,а потенциал эмиттера повышается за счет дополнительного сопротивления R_o и пропускания через R_э дополнительной составляющей тока I_о. На рис. 10.33,б эта задача решается включением в цепь эмиттера стабилитрона или нескольких прямосмещенных p–n переходов.

Для согласования входного потенциала первого каскада с источником сигнала, часто источник сигнала включается между базой транзистора и средней точкой специального делителя напряжения, образованного резисторами и . Потенциал средней точки делителя должен быть равен потенциалу базы транзистора в режиме покоя.

Многокаскадные УПТ прямого усиления позволяют получить невысокий коэффициент усиления порядка нескольких десятков раз. Получение больших коэффициентов усиления (сотен и тысяч) с помощью таких УПТ невозможно из-за сильного проявления дрейфа усилителя, вызванного нестабильностью напряжения питания и температурной нестабильностью параметров транзисторов.

Кроме этого, УПТ с одним источником питания обладают еще и следующими недостатками: нагрузка включается между коллектором транзистора и средней точкой делителя и не может быть соединена с общей точкой усилителя, имеющей нулевой потенциал; источник входного сигнала так же не соединен с общей точкой усилителя.

Глава 11