Причины дрейфа нуля

Рассмотренные схемы УПТ обладают большой нестабильностью нулевого положения выходного напряжения или тока, имеющей место в отбалансированном усилителе в отсутствие входного сигнала. Нуль выходного напряжения при воздействии на усилитель различных факторов как бы смещается, «дрейфует» с течением времени, почему указанное явление и называют дрей­фом нуля.

Рис. 2.11.1. Дрейф нуля в усилителе постоянного тока.

Основными причинами дрейфа нуля являются измене­ние параметров усилительных элементов и других компонентов схемы при изменении температуры и их старении, а также изменении напряжения питания схемы. Указанные факторы вызывают изменение напряжений покоя на электродах усилительных элемен­тов, а эти изменения вследствие использования в усилителях пос­тоянного тока прямого усиления гальванической межкаскадной связи усиливаются последующими каскадами и поступают на вы­ход. В результате при отсутствии напряжения сигнала на входе усилителя на его выходе появляется напряжение, имеющее как медленно изменяющуюся постоянную составляющую U_др.п, так и беспорядочные отклонения от нее — колебания напряжения дрейфа U_др.к (рис. 2.11.1). Постоянная составляющая напряжения дрейфа U_др.п в основном обусловлена нагревом усилительных элементов и деталей схемы после вклю­чения усилителя и их старением, раз­рядом источников питания при пита­нии от батарей или медленным уходом опорного напряжения при питании от стабилизированного источника пита­ния. Колебания напряжения дрейфа U_др.к от его среднего значения в основ­ном определяются колебаниями напря­жения источников питания усилителя и шумом, вызванным эффек­том мерцания эмигрирующих электродов усилительных элементов.

Для УПТ дрейф нуля представляет собой очень вредное явле­ние, так как он не отличим от усиливаемых сигналов, искажает их и может недопустимо изменить режим работы усилительных элементов. У рассмотренных выше схем дрейф при нестабилизированном питании настолько велик, что при питании от электро­сети иногда нарушает работу даже одного каскада, а двухкаскадный усилитель обычно делает неработоспособным.

Основные причины, вызывающие наибольший дрейф в транзи­сторных УПТ—изменение температуры транзистора в рабочих условиях и изменение напряжения источника питания каскада.

Так как дрейф выходного напряжения практически пред­ставляет собой разновидность помехи, то, прежде всего, необходи­мо решить вопрос о его допустимой величине (допустимом уров­не). Для определения величины дрейфа накоротко замыкают, вход усилителя и измеряют изменение выходного напряжения за определенный выбранный промежуток времени. Оценку дрейфа обычно производят по входной цепи усилителя, поделив напря­жение или ток дрейфа на выходе на коэффициент усиления уси­лителя. Для неискаженного усиления приведенные ко входу ток или напряжение дрейфа должны быть меньше минимального рас­четного тока или напряжения входного сигнала. Так как сигнал минимален на первом каскаде усилителя, то допустимое напряжение дрейфа минимально для первого каскада. Поэтому допу­стимая нестабильность источника питания усилителя постоянно­го тока в основном определяется его первым каскадом.

Изменение температуры переходов транзистора на 10° С из-за его прогрева или изменение температуры окружающей среды в обычном резисторном каскаде вызывает приведенное ко входу транзистора напряжение дрейфа порядка 20 мВ, дрейф такого же порядка вызывается и изменением напряжения источника пита­ния каскада на 1—2 В.

Определив возможные колебания напряжений источников ли­стания, из указанных соотношений можно найти напряжение дрей­фа в отсутствие каких-либо мер к его снижению. При этом в транзисторных усилителях суммируют напряжения дрейфа, получающиеся от изменения напряжения коллекторного питания и изменения температуры. После этого задаются отношением допустимого напряжения дрейфа к напря­жению минимального входного сигнала и находят из него допустимое напряжение дрейфа. Поделив напряжение дрейфа, которое получается без принятия каких-либо мер к его снижению, на до­пустимую его величину, определяют, во сколько раз необходимо уменьшить напряжение дрейфа.

Широко используемыми на практике способами уменьшения дрейфа в УПТ прямого усиления являются: способ применения дифференциальных каскадов и компенсационных схем на входе усилителя, где дрейф наиболее опасен, и способ стабилизации напряжения источников питания.

Для стабилизации источников коллекторного пи­тания используют электронные, магнитные и феррорезонансные стабилизаторы напряжения. Однако стабилизаторы, обеспечивающие нормаль­ную работу двухкаскадных и трехкаскадных УПТ прямого усиле­ния без компенсационных и балансных схем, сложны, дороги и имеют низкий КПД. Экономически более выгодно для уменьше­ния дрейфа применять сравнительно простые балансные схемы в первых каскадах усилителей, позволяющих обеспечить работу двухкаскадных схем без стабилизации питания и работу трех­каскадных схем при простейших схемах стабилизации.

Для уменьшения дрейфа нередко используют предваритель­ный прогрев устройства, для того чтобы к началу работы усили­теля получить почти постоянную температуру его компонентов; в наиболее ответственных случаях усилитель помещают в термо­стат.