Усилители постоянного тока

Эти усилители выполняются без применения реактивных разделительных элементов и применяются для усиления сигналов постоянного тока и медленно меняющихся сигналов.

Рис. 60. Схема и амплитудно-частотная характеристика усилителя постоянного тока.

Схема каскада усилителя с прямым усилением показана на рисунке. Для согласования каскадов и связи каскада с источником сигнала и нагрузкой в схему введены источники э.д.с. U_{комп.вх}и U_комп.н.Э.д.с. U_{комп.вх}служит для компенсации тока через источник сигнала под действием напряжения U_б. Э.д.с. U_комп.н служит для компенсации тока нагрузки при отсутствии сигнала на входе. Компенсирующие напряжения можно получить за счет дополнения схемы делителями напряжения на входе и выходе. При этом входной источник и нагрузка оказываются включенными в диагонали мостов. В сбалансированном состоянии при е_г = 0 тока на выходе не будет.

Отсутствие в усилителе постоянного тока реактивных разделительных элементов приводит к тому, что любое изменение постоянного напряжения на выходе одного каскада воспринимается и усиливается всеми последующими каскадами. Поэтому любой внутренний или внешний фактор, вызывающий перераспределение или изменение постоянных потенциалов в цепях усилителя воспринимается им так же, как действие полезного сигнала.

Самопроизвольное отклонение напряжения на выходе усилителя от начального значения называется дрейфом усилителя. Причинами дрейфа являются нестабильность источников питания схемы, температурная и временная нестабильность параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы и помехи. Дрейф оценивается по величине изменения напряжения на выходе DU_вых при закороченном входе за определенный промежуток времени. Для сравнения разных усилителей по величине дрейфа вводят понятие приведенного дрейфа: е_др = DU_вых/ K_u,гдеK_u –коэффициент усиления по напряжению. Наличие дрейфа ограничивает чувствительность усилителя, т.к. минимальный входной сигнал должен быть не менее е_др.

При каскадном соединении усилителей следует учитывать их влияние друг на друга. Резисторы R_э каждого последующего каскада служат для создания необходимого напряжения U_бэп в режиме покоя. Таким образом, для транзистора Т2 получим:

U_бэп2 = U_кп1 – U_эп2 = U_кп1 – I_эп2 R_э2, (7.24)

где U_кп1 - напряжение коллектора Т1 в точке покоя.

Во входной цепи включен источник компенсирующего напряжения. Это напряжение принимают равным U_бп1.Тогда

. (7.25)

Аналогично в выходной цепи:

(7.26)

Приняв делитель R1 = R2 высокоомным, можно записать:

R_вх = r_б + ( 1 + b ) ( r_э + R_э) » b R_э (7.27)

(7.28)

(7.29)

. (7.30)

При этом принято, что и R_вх >> R_г

R_э1 рассчитывается по режиму температурной стабилизации первого каскада и имеет величину от нескольких сотен Ом до (1 – 3) кОм. Сопротивления R_э последующих каскадов кроме того обеспечивают напряжения U_бэпи потому больше. Чтобы избежать снижения K_u , вызванного увеличением R_э последующих каскадов, используют дополнительные цепи для пропускания тока I_д через R_э .

Расчет параметров каскада постоянного тока при выборе режима покоя и усиления для одного каскада такой же, как рассмотренный ранее. При многокаскадных схемах методика несколько другая, поскольку в УПТ прямого усиления выбор режима покоя каждого каскада усиления зависит от режимов смежных каскадов. Рассмотрим двухкаскадную схему (Рис. 61.).

Рис. 61. Двухкаскадный усилитель постоянного тока прямого

усиления.

Режим покоя транзистора Т1 обеспечивается делителем R1 – R2. К базе Т2 приложен сравнительно высокий коллекторный потенциал транзистора Т1,соответьсвтвующий его режиму покоя. Этот потенциал надо скомпенсировать, иначе токи I_б2 и I_к2 могут оказаться недопустимыми и Т2 попадет в режим насыщения. Компенсируется это коллекторное напряжение за счет эмиттерного напряжения U_э2 второго транзистора. Тогда :

U_э2= U_э1 + ( U_к1 - U_б2)

U_б2 обеспечивает протекание необходимого базового тока:

I_б2 = U_б2 / h_{11 э2} = U_б2 / R_вх2

В режиме согласования каскадов имеем:

Очевидно, что рост коллекторного напряжения, поступающего на каждый последующий каскад, приведет к росту R_э . При этом будет возрастать отрицательная обратная связь, обеспечиваемая этими резисторами в каскадах и будет падать коэффициент усиления. Для того, чтобы не увеличивать R_э , применяют дополнительные цепи , через которые проходит ток I_д .

В качестве источников компенсирующего напряжения можно использовать дополнительные делители напряжения на входе и выходе (Рис. 62).

Рис.62. Усилитель постоянного тока с компенсирующими делителями напряжения.

Во входной цепи получим:

Для выходной цепи:

Если считать делитель R₁ = R₂ высокоомным, то получим:

R_вх = r_б + (1 + β) ( r_э + R_э) = β R_э

Коэффициенты усиления по напряжению:

K_u = K_u1 K_u2

Схема с непосредственной связью используется при небольшом (до 3-х) количестве каскадов с небольшим коэффициентом усиления, поскольку увеличение K_u невозможно из-за дрейфа.

Схема с непосредственной связью используется для построения каскадов с небольшим коэффициентом усиления, поскольку увеличение K_u невозможно из-за дрейфа.

Для снижения дрейфа усилителей постоянного тока используют включение в цепь смещения базы или в цепь эмиттера термокомпенсирующих устройств: термисторов, стабилитронов. Однако, это устраняет только температурный дрейф. Лучшие результаты получаются при использовании балансных или дифференциальных схем (Рис. 63)