Усилители постоянного тока. Усилители постоянного тока предназначены для усиления сигналов, медленно меняющихся во времени

Усилители постоянного тока предназначены для усиления сигналов, медленно меняющихся во времени. Для них f_н = 0 Высшая рабочая частота УПТ определяется их назначением. Частотная характеристика УПТ показана на рис. 2.39. Для передачи медленно изменяющихся сигналов по тракту усиления между каскадами усиления должна существовать непосредственная гальваническая связь по постоянному току. В связи с этим возникает проблема отделения полезного сигнала от постоянных составляющих токов и напряжений, определяющих режим работы транзисторов. Любые изменения режимов усиливаются последующими каскадами и могут быть восприняты как полезный сигнал. Самопроизвольное изменение выходного напряжения называют дрейфом усилителя постоянного тока. Причины дрейфа: нестабильность питания; влияние температуры окружающей среды на параметры транзисторов и других деталей; временная нестабильность параметров деталей — старение. Обычно измеряют изменение выходного напряжения DU_вых при закороченном входе, т.е. при заведомо известном U_вх = 0. В этом случае говорят о дрейфе нуля. Напряжение дрейфа всегда приводят к входу усилителя:

Приведенный к входу дрейф нуля e_др определяет минимальный уровень входного сигнала, который может усилить данный усилитель:

При конструировании УПТ принимают меры для борьбы с дрейфом. Простейший УПТ — это усилитель прямого усиления. На рис. 2.40 показана схема двухкаскадного УПТ прямого усиления. Каскады соединены непосредственно. Смещение первого транзистора обеспечивается делителем R₁, R₂ как обычно. Эмиттерный резистор R_э1 обеспечивает термостабильность каскада и U_э1 невелико по сравнению с коллекторным напряжением U_к1 (10–20%). Но это только в первом каскаде. Сравнительно высокий потенциал коллектора первого транзистора прикладывается к базе второго и если его не скомпенсировать транзистор Т₂ полностью откроется. Компенсация осуществляется напряжением U_э2, которое необходимо не только для термостабилизации, но и для создания точки покоя.

В режиме согласования каскадов должны выполняться условия:

Чем больше коллекторное напряжение предыдущею каскада, тем больше должно быть компенсирующее напряжение U, последующею каскада. От каскада к каскаду падает K_U и улучшается экономичность:

;

При нулевом входном сигнале выходное напряжение покоя равно нулю. Если же надо обеспечить напряжение на нагрузке U_н = 0 при U_вх = 0, то нагрузку включают не к общему проводу, а к делителю. Изменяя соотношение резисторов делителя, добиваются компенсации выходного напряжения при начальном состоянии U_вх = 0.

Усилители с непосредственной связью могут быть применены для получения небольших коэффициента усиления, не превышающих нескольких десятков, при относительно большом входном напряжении (не менее 0,1-15В). Большее усиление нельзя получить из-за сильного проявления дрейфа.

Основные пути уменьшения дрейфа: стабилизация напряжения источников питания, стабилизация температуры усилителя, предварительная тренировка транзисторов, использование дифференциальных (балансных) схем, преобразование усиливаемого сигнала в переменный и усиление переменною тока.

При стабилизации напряжения питания с точностью ±0,01% и поддержанию температуры с точность ±1°C удастся снизить напряжение дрейфа УПТ до 10 мВ.

Дифференциальные (балансные) каскады УПТ выполняются по принципу сбалансированного четырехплечего моста, у которого два плеча образованы транзисторами, а два других — коллекторными сопротивлениями (рис. 2.41). Нагрузка включается в диагональ моста, т.е. между коллекторами транзисторов. Схема питается от двух источников питания. Коллекторные резисторы берутся одинаковыми, транзисторы работают в одинаковых режимах, а сами пары транзисторов подобраны идентичными. В этом случае при отсутствии входных сигналов потенциалы коллекторов обоих транзисторов равны и падение напряжения на нагрузке отсутствует. Для того, чтобы, схема была стабильна, необходимо R_э брать достаточно большим, что влечет за собой увеличение Е₂.

Дифференциальная схема нечувствительна к изменению напряжений питания, т.к. оба транзистора реагируют на эти изменения одинаково. При тщательном подборе транзисторов и стабилизация питания величину дрейфа нуля можно снизить до уровня в 100 раз меньшего по сравнению с УПТ прямого усиления. Для балансировки усилителя в исходном состоянии подключение схемы к источнику Е₁ или. Е₂ осуществляют через подстроенный потенциометр (рис. 2.44).

Выходное напряжение совпадает по фазе с одним входным сигналом (этот вход называется неинвертирующим) и противоположно по фазе другому входному сигналу (этот вход называется инвертирующим):

Разность называется дифференциальным входным сигналом.

На дифференциальный каскад УПТ можно подавать два раздельных сигнала U_вх1, U_вх2, как это показано на рис. 2.41 или только один сигнал, как это показано на рис. 2.43 а. б.

На практике для повышения качества УПТ вместо пассивного R_э, используют активный стабилизатор тока.

Если подать на вход каскада дифференциальный сигнал, т.е. сигнал между базами транзисторов, то .

Если же подать на входы каскада синфазный, т.е. сигнал, совпадающий по фазе на обоих входах, то . В этом случае можно производить сравнение двух сигналов с высокой точностью. Если же подать один и тот же сигнал на оба входа, то идеальный дифференциальный каскад не должен на него реагировать: синфазный сигнал на входе e_синф не вызывает синфазной ошибки в U_вых. В реальном усилителе всегда присутствует небольшая синфазная ошибка, которую оценивают коэффициентом синфазной передачи:

Значение этого коэффициента много меньше 1.

Отношение показывает способность дифференциального каскада различать малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного сигнала.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала:

Реальные значения К_ОСС находятся в пределах от 60 до 100 дБ.

Входное сопротивление каскада желательно иметь большим, а для этого необходимо обеспечивать малые значения I_б и I_э. находящиеся в начальной нелинейной части вольтамперных характеристик. При этом на биполярных транзисторах можно поднять R_вх до 100 кОм. Существенное увеличение входного сопротивления каскада возможно только за счет использования полевых транзисторов (рис. 2.44).

В интегральном исполнении дифференциальных УПТ могут использоваться как биполярные, так и полевые транзисторы. Преимуществом первых является более высокое быстродействие, а вторых — высокое входное сопротивление. Обычно интегральные усилители многокаскадные. В первом каскаде используют полевые или специальные составные биполярные транзисторы, работающие в области микросхем. В качестве коллекторных резисторов R_к могут применяться транзисторы, более технологичные, чем пассивные резисторы, в интегральной технологии. В это случае говорят о каскаде с динамической нагрузкой.

УПТ с преобразованием обладает минимальным дрейфом. Используется при необходимости усиления очень слабых, меньше 0,1 мВ сигналов. В обычных усилителях, даже дифференциальных, такой сигнал погаснет в дрейфе. Структурная схема УПТ с преобразованием показана на рис. 2.45. Входной сигнал преобразуется в переменный сигнал заданной частоты f_г и далее усиливается усилителем переменного тока УПТ, не обладающим дрейфом. В демодуляторе обратное преобразование, фильтр устраняет пульсации частой f_г. Модуляцией называется преобразование медленно изменяющего сигнала в переменный с сохранением информационных особенностей входного сигнала. В зависимости от того, какой параметр подвергают изменению, различают амплитудную, частотную или фазную модуляцию. Чаще всего используется амплитудная модуляция, при которой амплитуда промежуточного сигнала частоты f_г, поступающего от генератора, зависит от входного напряжения U_вх. Простейшей реализацией амплитудной модуляции может быть прерывание входною сигнала при помощи бесконтактного переключателя, управляемого генератором.

УПТ с преобразованием обладают минимальным дрейфом, но сложны, а их частотность (и, как правило усиление) ограничены. Для расширения полосы частот иногда используют комбинированную структуру по рис.2.46. Такой УПТ имеет дрейф на уровне усилителей с преобразованием, а амплитудно-частотную характеристику на уровне усилителя без преобразования. По такой схеме выполнен серийно выпускаемый интегральный усилитель К140УД13.

Для достоверной передачи сигнала в усилителях с преобразованием необходимо обеспечить, чтобы частота генератора f_г была хотя бы в 10 раз больше высшей частоты исходного сигнала.