VIII.3. Дрейф нуля и способы его уменьшения.

Поскольку УПТ усиливает как переменную, так и постоянную составляющие входного сигнала, то при отсутствии сигнала на входе усилителя на его выходе также должны отсутствовать переменная и постоянная составляющие выходного сигнала. Однако это не так.

Главным недостатком УПТ является нежелательное явление – дрейф нуля – изменение выходного напряжения при постоянстве его на входе. Дрейф нуля вызывается изменением напряжения источника питания, температурными изменениями входной характеристики транзистора, начального тока коллектора, а также изменением параметров транзисторов в связи с их старением или заменой. Эти причины неравноценны. Напряжение источников питания можно хорошо стабилизировать, но стабилизировать окружающую температуру технически сложно. Отсюда видно, что наибольшее влияние на дрейф нуля оказывают температурное непостоянство начальных коллекторных токов и температурное смещение входных характеристик транзисторов.

В УПТ прямого усиления эти изменения напряжения усиливаются следующими каскадами и поступают на выход. В результате на выходе отбалансированного усилителя при отсутствии входного сигнала появляется постороннее напряжение, имеющее как медленно изменяющуюся постоянную составляющую U_ДП, так и беспорядочные отклонения U_ДО от постоянной составляющей (рис.8.3).

Рис. 8.3. Дрейф нуля в усилителе постоянного тока.

Точка баланса (нуля) выходного напряжения как бы смещается (дрейфует) с течением времени. Это явление называется дрейфом нуля.

Для УПТ дрейф нуля представляет собой очень вредное явление, так как он неотличим от усиливаемых сигналов, искажает их и может даже привести к выходу точки покоя за пределы рабочего участка характеристик УЭ. Поэтому в УПТ используют различные способы уменьшения дрейфа. В усилителях переменного тока дрейф нуля отсутствует, так как в них цепь межкаскадной связи не пропускает постоянной составляющей и медленных изменений выходного напряжения.

Для оценки дрейфа его обычно приводят ко входной цепи, поделив напряжение или ток дрейфа на выходе на коэффициент усиления УПТ. Для неискажённого усиления приведенные к входу ток или напряжение дрейфа должны быть меньше минимального расчётного тока или напряжения входного сигнала. Так как сигнал минимален на входе первого каскада усилителя, допустимый дрейф минимален для первого каскада.

Постоянная составляющая напряжения дрейфа U_ДП (рис.8.3) в основном обусловлена нагревом УЭ и деталей после включения усилителя, разрядом источников питания при питании от батарей, уходом опорного напряжения при питании от стабилизированного источника питания, старением УЭ и деталей. Её обычно можно привести к нулю изменением сопротивления одного из резисторов выходной цепи (например, R_C3 на схеме рис.8.2); однако это не всегда возможно в реальных условиях эксплуатации РЭА.

Отклонения дрейфа U_ДО от среднего значения (постоянной составляющей) в основном вызываются колебаниями напряжения источников питания усилителя и эффектом «мерцания» эмитирующих электродов УЭ.

Основными причинами, вызывающими наибольший дрейф в транзисторных УПТ, являются изменение температуры транзистора и изменение напряжения источника питания каскада. Способы уменьшения дрейфа в УПТ прямого усиления:

1. Использование балансных (мостовых) и компенсационных схем, особенно в первых каскадах усилителя, где дрейф наиболее опасен;

2. Стабилизация напряжения источников питания;

3. Введение в УПТ специального канала автоматической компенсации дрейфа, имеющего большую постоянную времени и управляемого напряжением дрейфа с выхода устройства в моменты подачи на вход импульсов, выключающих ЭДС сигнала;

4. Предварительный прогрев устройства и его термостатирование.

В балансных каскадах для уменьшения дрейфа используется принцип баланса моста: два одинаковых УЭ здесь образуют два плеча моста, а другими двумя плечами являются два одинаковых резистора R (рис.8.4).

Рис.8.4. Последовательный балансный каскад.

Напряжение питания каскада, подводимое к вертикальной диагонали моста, оказывается сбалансированным на его горизонтальной диагонали, являющейся выходом каскада. Поэтому изменение питающего напряжения и одинаковые изменения параметров элементов схемы от колебаний температуры или старения деталей теоретически не вызывают появления напряжения дрейфа в выходной цепи такого каскада.

Однако в практических условиях из-за неидеальной симметрии схемы, вызываемой различием параметров УЭ и допусками на электрические данные деталей, а также неодинаковыми их изменениями при воздействии температуры и старении, напряжение дрейфа балансных каскадов оказывается не равным нулю, а лишь уменьшается в 5 ¸ 100 раз, в зависимости от типа схемы и асимметрии элементов её плечей.

В балансных каскадах УЭ могут быть включены как последовательно (рис.8.4),так и параллельно (рис.8.5).

Рис.8.5. Параллельный балансный каскад.

Наилучшая компенсация дрейфа у параллельного балансного каскада имеет место при симметричном входе. При несимметричном входе вследствие асимметрии плечей каскада для переменной составляющей тока его компенсирующие свойства немного ухудшаются, но всё же остаются очень хорошими. При работе же на несимметричную нагрузку компенсация дрейфа у него ухудшается очень сильно, а поэтому следующие за ним каскады приходится делать двухтактными.

Последовательный балансный каскад (рис.8.4) при симметрии схемы симметричен как для постоянной, так и для переменной составляющей выходного тока, и имеет несимметричный выход, что позволяет следующий каскад делать однотактным или инверсным. Вследствие симметричности схемы такого каскада как для постоянной, так и для переменной составляющей тока он позволяет получать более высокую компенсацию дрейфа, чем параллельный балансный.

Транзисторы в УПТ прямого усиления желательно применять кремниевые, так как температурный дрейф у них меньше, чем у германиевых. Кремниевые транзисторы имеют малые начальные коллекторные токи, поэтому главным источником дрейфа нуля остаётся температурное смещение входных характеристик, равное примерно - 2,5мВ / 1°С.