Усилители постоянного тока

В автоматических следящих системах часто возникает необходимость усиления сигналов, которые пропорциональны физическим величинам. В установившихся режимах такие величины постоянны либо изменяются очень медленно. Поэтому необходимо иметь усилители способные обрабатывать такие сигналы, т.е. усилители постоянного тока.

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов, медленно меняющихся во времени, т.е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать характеристикой, изображенной на рис. 4.2.

Трудность реализации УПТ состоит в том, что связи между каскадами, а также между источником входного сигнала и нагрузкой усилителя не могут быть осуществлены при помощи конденсаторов или трансформаторов, которые не пропускают постоянную составляющую сигнала. Связи должны быть непосредственными (гальваническими). Это создает трудности задания режима покоя усилительных каскадов. Режим покоя каждого последующего каскада зависит от режима покоя предыдущего каскада. В связи с этим выходное напряжение определяется не только усиленным полезным сигналом, но и ложным сигналом, создаваемым за счет изменения режимов работы усилительных каскадов по постоянному току при изменении температуры, напряжения питания и т.п. Наибольший вклад в создание ложного сигнала вносит первый каскад усиления, так как изменения его режима работы по постоянному току усиливаются всеми последующими каскадами.

Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом усилителя. Дрейф выходного напряжения ∆U_вых.др обычно определяют при закороченном входе усилителя по приращению выходного напряжения. Качество усилителя постоянного тока оценивают по напряжению дрейфа, приведенному ко входу усилителя (приведенному дрейфу): e_ДР = ∆U_вых.др/K_U, где K_U – коэффициент усиления усилителя. Приведенный ко входу дрейф e_ДР характеризует значение ложного сигнала на входе усилителя с коэффициентом усиления K_U, которому соответствует самопроизвольное изменение выходного напряжения ∆U_вых.др. С учетом e_ДР определяют диапазон возможного изменения входного напряжения e_г усилителя, при котором напряжение дрейфа ∆U_вых.др составляет незначительную часть полезного выходного сигнала. В зависимости от требований, предъявляемых к усилителю, минимальное значение e_г принимают в десятки и сотни раз больше e_ДР.

Особенности построения усилительных каскадов в усилителях постоянного тока показаны на рис. 4.21.

В схеме рис. 4.21, а ток покоя коллектора транзистора обеспечивается выбором напряжения смещения U_см в точке соединения резисторов R1, R2 и величиной резистора R_э. Ток базы покоя протекает по источнику входного сигнала u_вх (R_г, e_г). Для создания нулевого выходного напряжения при отсутствии входного сигнала используется напряжение компенсации U_комп при помощи делителя R3, R4, к которому подключается второй конец сопротивления нагрузки R_н. Недостатком такого схемного решения является отсутствие общей точки у источника входного напряжения и нагрузки.

U_k/E_k2 = R₁/R₂.

При передаче полезного сигнала в нагрузку в этом случае часть его теряется на делителе, состоящем из резистора R1 и сопротивления R₁||R_н.

Общим недостатком рассмотренных схем является то, что через источник входного сигнала протекает ток базы покоя. Если источник входного сигнала не допускает этого, то каскад следует выполнять на полевом транзисторе.

Таким образом, в усилителях постоянного тока задача связи усилителя с источником сигнала и нагрузкой представляет известные трудности, решение которых, как правило, носит компромиссный характер. Наибольшее применение в УПТ получила схема дифференциального (параллельно-балансного) каскада, которая позволила решить большинство проблем, возникающих при проектировании УПТ, в частности проблему борьбы с дрейфом нуля.

Дифференциальный (параллельно-балансный) каскад.Радикальным средством уменьшения дрейфа нуля УПТ является применение параллельно-балансных (дифференциальных) каскадов. Простейшая схема показана на рис. 66, а.

Дифференциальный каскад выполнен по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами R_к1 и R_к2, а два других – транзисторами VT1 и VT2. Выходное напряжение снимается с диагонали моста (между коллекторами транзисторов).

Дрейф нуля в дифференциальном каскаде резко снижается в сравнении с другими схемными решениями по следующим причинам. Все элементы схемы выполнены в одном кристалле полупроводника и точность технологических операций настолько высока, что однотипные элементы (резисторы R_к1 и R_к2, а также транзисторы VT1 и VT2) имеют одинаковые параметры. Поэтому изменения температуры кристалла, напряжений питания и другие внешние дестабилизирующие изменения приводят к одинаковым изменениям токов плеч моста и, соответственно, потенциалов коллекторов транзисторов VT1 и VТ2. При этом выходное напряжение, которое равно разности потенциалов коллекторов транзисторов VT1 и VТ2, практически не изменяется.

Кроме того, в каскаде применена балансная схема, реализованная использованием одного общего резистора в цепи эмиттеров транзисторов VT1 и VТ2. Величина этого резистора выбирается достаточно большой с таким расчетом, чтобы во всех режимах работы выполнялось условие

I_э = I_э1+ I_э2 = const. (4.7)

Практически вместо этого резистора используется источник стабильного тока (рис. 4.22, б). Стабилизация тока I_э снижает зависимость токов коллектора транзисторов VT1 и VТ2 от внешних дестабилизирующих факторов и, тем самым, уменьшает дрейф нуля.

.

Питание каскада осуществляется от двух источников +Е_п1 и – Е_п2, имеющих, как правило, одинаковые напряжения. С помощью напряжения питания Е_п2 снижают потенциал эмиттера транзисторов VT1 и VТ2 относительно общего провода схемы. Это позволяет подавать сигналы на входы усилителя без введения дополнительных компенсирующих напряжений. Кроме того, из-за наличия источника стабильного тока в цепи эмиттеров не требуется подключения к базам транзисторов VT1 и VТ2 резисторов, преобразующих напряжения входных сигналов в ток базы, так как для постоянного тока входное сопротивление усилителя определяется очень большим сопротивлением источника стабильного тока.

Входные сигналы на дифференциальный (параллельно-балансный) каскад можно подавать тремя способами:

1) входной сигнал поступает на первый вход U_вх = U_вх1, на втором входе напряжение равно нулю U_вх2 = 0;

2) входной сигнал поступает на второй вход U_вх = U_вх2, на первом входе напряжение равно нулю U_вх1 = 0;

3) входной сигнал поступает между первым и вторым входами U_вх = U_вх1 - U_вх2 (дифференциальный входной сигнал).

Рассмотрим первый способ подключения входного сигнала. Будем считать, что входной сигнал увеличивается. Тогда увеличивается ток базы транзистора VT1, увеличиваются токи эмиттера I_э1 и коллектора I_к1. Увеличение тока I_к1 приводит к уменьшению потенциала коллектора U_к1 = Е_п1 - I_к1R_к1. Увеличение тока I_э1 приводит к уменьшению тока I_э2 в соответствии с условием (4.7) и, соответственно, уменьшению тока I_к2. Уменьшение тока I_к2 приводит к увеличению потенциала коллектора транзистора VT2: U_к2 = Е_п1 - I_к2R_к2. Таким образом, на выходе каскада появляется усиленное выходное напряжение U_вых = U_к2 – U_к1.

При втором способе подключения входного сигнала увеличение сигнала на втором входе приводит к такому же результату с той лишь разницей, что полярность выходного напряжения будет противоположной. Поэтому первый вход можно назвать прямым входом, а второй – инвертирующим входом.

При третьем способе подключения входного сигнала на каждый вход поступает половина входного сигнала. В результате выходное напряжение изменяется так же как и при первых двух способах. Полярность выходного напряжения зависит от полярности входного напряжения.

Проведем количественную оценку усилительных параметров дифференциального каскада.

Из соотношения I_э1+ I_э2 = const следует, что I_б1+ I_б2=const, поэтому ∆ I_б2 = - ∆ I_б1. Приращения входного тока источника U_вх1 протекают по контуру, включающему переходы база-эмиттер транзисторов VT1 и VТ2 и источник сигнала U_вх2 (см. рис. 66, а). Величина тока в этом контуре

∆ I_б1 = (U_вх1 - U_вх2)/2r_вх.э = - ∆ I_б2. (4.8)

Из (4.8) вытекает соотношение

∆ I_к1 = b∆ I_б1 = b(U_вх1 - U_вх2)/2r_вх.э = - ∆ I_к2.

Для холостого хода на выходе ∆ U_к1 = -∆ I_к1R_к1, ∆ U_к2 = -∆ I_к2R_к2 = -∆ U_к1.

С учетом этих соотношений коэффициент усиления каскада по напряжению

.

Входное сопротивление каскада найдем из (4.8)

R_вх = (U_вх1 - U_вх2)/ ∆ I_вх = 2r_вх.э, где ∆ I_вх = ∆ I_б1.

Выходное сопротивление равно

R_вых = 2R_к, где R_к=R_к1=R_к2

Дифференциальный (параллельно-балансный) каскад обладает еще одним очень полезным свойством. Если на оба входа каскада подать одинаковые сигналы U_вх = U_вх1 = U_вх2 , то выходное напряжение будет равно нулю, независимо от величины входного сигнала: U_вых = K_U(U_вх1 - U_вх2) = 0. Такой режим работы каскада называют режимом синфазных сигналов.

За счет неполной симметрии каскада в реальных усилителях в режиме синфазных сигналов на выходе усилителя появляется ненулевой сигнал: U_вых = к_сU_вх, где к_с – коэффициент передачи синфазного сигнала. Качество ослабления синфазного сигнала характеризует коэффициент ослабления синфазного сигнала

К_ос.сф = 20 log (к_с/K_U), [дб].

В силу высокой симметрии каскадов, выполненных в виде интегральных микросхем, К_ос.сф = (-80 ¸ -100) дб, т.е. к_с/K_U = (10⁴¸10⁵). Свойство ослабления синфазного сигнала используется для защиты от помех. Если слабый сигнал поступает по длинной двухпроводной линии на дифференциальный вход каскада, то полезный сигнал усиливается, а помеха, наводящаяся на оба провода, ослабляется, не проходя на выход усилителя.

Вопросы для самопроверки:

1. Приведите классификацию усилителей.

2. Какие схемы включения транзисторных каскадов вы знаете.

3. Перечислите основные особенности транзисторного каскада включенного по схеме с ОЭ.

4. Что показывает амплитудная характеристика усилителя.

5. Какие виды обратных связей применяются в схемах усилителей.

Литература [1, 2, 6, 7, 11].