УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т. е. сигналов, эквивалентная частота

которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать амплитудно-частотной характеристикой в виде изображенной на рис, 2.31.

Рис. 2.31. Амплитудно-частотная характеристика усилителя постоянного тока

Связь источника сигнала с. входом усилителя и межкаскадные связи не могут быть осуществлены в УПТ посредством конденсаторов и трансформаторов, поскольку это обеспечило бы амплитудно-частотную характеристику, у которой К_и = 0 при f = 0 (см. рис. 2.16, а).

Для передачи медленно изменяющегося сигнала по тракту усиления необходимы непосредственная (по постоянному току) связь источника входного сигнала с входной цепью усилителя и аналогичная связь между усилительными каскадами. Наличие непосредственной связи обусловливает особенности задания точки покоя транзисторов в УПТ в сравнении с ранее рассмотренными усилителями.

Так, в усилителях с конденсаторной связью режим каждого каскада по постоянному току (режим покоя) определяется только элементами каскада и параметры этого режима рассчитывают индивидуально для каждого каскада. Конденсаторы, связывающие усилительные каскады по переменному току, отделяют их одновременно по постоянному току. Благодаря этому изменение по какой-либо причине режима по постоянному току одного из усилительных каскадов не влияет на режимы по постоянному току других каскадов и практически не сказывается на величине выходного напряжения усилителя.

В УПТ отсутствуют элементы, предназначенные для отделения усилительных каскадов по постоянному току. В связи с этим выходное напряжение определяется здесь не только усиленным полезным сигналом, но и ложным сигналом, создаваемым за счет изменения во времени параметров режимов каскадов по постоянному току. Очевидно, что особенно нежелательны здесь изменения режима по постоянному току в первых каскадах, поскольку эти изменения усиливаются последующими каскадами.

Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом у с и л и т е л я. Причинами дрейфа являются нестабильность напряжений питания схемы, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов. Напряжение дрейфа выходного напряжения ΔU_{вых. др} обычно определяют при закороченном входе усилителя (е_Г= 0) по приращению выходного напряжения. Качество усилителя постоянного тока оценивают по напряжению дрейфа, приведенному ко входу усилителя (приведенному дрейфу): e_др = ΔU_{вых. др}/ К_и, где К_и - коэффициент усиления усилителя. Приведенный ко входу дрейф е_др характеризует значение ложного сигнала на входе усилителя с коэффициентом К_и, которому соответствует самопроизвольное изменение выходного напряжения ΔU_{вых. др.}С учетом е_дропределяют диапазон возможного изменения входного напряжения е_гусилителя, при котором напряжение дрейфа ΔU_{вых. др} составляет незначительную часть полезного выходного сигнала. В зависимости от требований, предъявляемых к усилителю, минимальное значение е_Гпринимают в десятки и сотни раз больше е_др.

Непосредственная связь каскадов в УПТ обусловливает особенности расчета их режима покоя (напряжения и токов при е_Г= 0). Параметры режима покоя каскада рассчитывают с учетом элементов, относящихся к выходной цепи предыдущего каскада и входной цепи последующего каскада. При выборе схемы каскада особое внимание уделяется обеспечению стабильности параметров режима покоя в отношении влияния всех дестабилизирующих факторов и особенно изменения напряжения питания и температуры окружающей среды.

Особенности непосредственной связи каскадов в УНТ рассмотрим на примере трехкаскадного усилителя (рис. 2.32, а).

В схеме усилителя выводы коллектора и базы транзисторов соседних каскадов соединены непосредственно. В этих условиях резисторы R_экаждого последующего каскада (осуществляющие внутри-каскадные отрицательные обратные связи по постоянному току) предназначены также для создания необходимого напряжения U_бэп

Рис. 2.32. Непосредственная связь в усилителях постоянного тока:

a — простейшая схема многокаскадного УПТ; б — способ подачи

входного сигнала в УПТ; в, г — способы повышения коэффициентов

усиления усилительных каскадов, входящих в УПТ

в режиме покоя. Это достигается повышением отрицательного потенциала на эмиттере каждого транзистора от протекания через резистор R_э эмиттерного тока до величины, меньшей по абсолютному значению потенциала его базы или, что тоже, потенциала- коллектора транзистора предыдущего каскада Так, для транзистора Т₂ второго каскада имеем

Во входную цепь усилителя (рис. 2.32, а) последовательно с источником входного сигнала включен источник входного компенсирующего напряжения U_{комп. вх.} Его вводят для того,чтобы при е_Г = 0 напряжение U_бп1 соответствовало требуемому значению напряжения в режиме покоя и ток через источник был равен нулю. С этой целью компенсирующее напряжение выбирают равным U_бп1. Возможность получения U_{комп. вх} иллюстрирует схема рис. 2.32, б, где

Нагрузка R_н усилителя (рис. 2.32, а) включена в диагональ моста, образованного элементами выходной цепи оконечного каскада и резисторами R₃, R_4. Такой способ подключения нагрузки используют в тех случаях, когда необходимо обеспечить условие U_н = 0 при е_Г = 0. Схема подключения нагрузки составлена по аналогии со схемой рис. 2.32, б. Резисторы R₃, R₄ в схеме рис. 2 32, а выполняют роль делителя для создания компенсирующего напряжения выходной цепи каскада, равного U_кп3 при е_Г= 0.

Рассмотрим основные показатели, характеризующие данный усилитель по переменному току (для приращений напряжения входного сигнала).

Если принять делитель R₁= R₂ достаточно высокоомным, то для расчета входных сопротивлений каскадов, входящих в усилитель, можно воспользоваться общим соотношением

Коэффициент усиления рассматриваемого усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов: К_и== К_и1К_и2К_и3

Для оценки коэффициентов усиления каскадов примем R_к || R_вх ≈R_ки R_вх1 » R_Г. Тогда для расчета коэффициентов усиления каскадов получим выражения:

Видно, что коэффициенты усиления каскадов обратно пропорциональны сопротивлениям эмиттеров.

Сопротивление R_э₁, рассчитываемое по режиму температурной стабилизации первого каскада, имеет величину от нескольких сотен Ом до 1—З кОм. Сопротивления R_э последующих каскадов используют не только для температурной стабилизации, но также для обеспечения требуемых значений U_бэпв режиме покоя. При связи базы транзистора последующего каскада с коллектором транзистора предыдущего каскада (рис. 2.32, а) напряжение на эмиттере, так же как и напряжение на коллекторе каждого последующего каскада, увеличивается (по абсолютной величине в случае транзисторов типа р-п-р). Это вызывает необходимость повышения сопротивления R_э в каждом последующем каскаде с целью получения требуемых значений U_эп. Возникающие при этом трудности связаны с тем, что увеличение R_э приводит к уменьшению в соответствии с выражениями (2.121), (2.122) коэффициентов усиления последующих каскадов и общего коэффициента усиления усилителя.

Указанный недостаток схемы рис. 2.32, а может быть исключен при некотором видоизменении ее каскадов, как показано на рис. 2.32, в, г. В схеме рис. 2.32, в сопротивление R_эуменьшается за счет включения резистора R_д и пропускания через резистор R_э дополнительной составляющей тока I_д.

Расчет по формуле (2.117) дает:

для схемы рис. 2.32, а

для схемы рис. 2.32, в

Для схемы рис. 2.32, г задачу решают включением в цепь эмиттера стабилитрона. В результате можно записать

Резистор R_дпредназначен для задания необходимого начального тока через стабилитрон с целью вывода его на рабочий участок вольт-амперной характеристики (см. рис. 1.19).

Способ построения УПТ на основе непосредственной связи простейших усилительных каскадов может быть использован для получения сравнительно невысокого коэффициента усиления (порядка нескольких десятков) при относительно большом усиливаемом сигнале 0,05—0,1 В.

При необходимости получения больших коэффициентов усиления (сотни и тысячи) применение этого способа построения УПТ невозможно ввиду сильного проявления дрейфа усилителя, вызываемого нестабильностью напряжения питания и особенно температурной нестабильностью параметров транзисторов, в частности I_к0(э) = (1 + β)I_к0.Минимальные изменения напряжения на коллекторах транзисторов первых каскадов, возникающие под воздействием температурных изменений тока I_к0(э) усиливаются последующими каскадами, создавая недопустимые изменения выходного напряжения усилителя. Применение же температурной компенсации здесь затруднено по технологическим соображениям. Температурная компенсация предполагает включение в схему усилителя термочувствительных элементов, например терморезисторов. Она основана на том, что при изменении температуры приращения токов и напряжений в схеме под влиянием изменения параметров вводимых элементов действуют в направлении, обратном их приращениям, вследствие температурной нестабильности параметров транзисторов. В условиях разброса параметров используемых элементов температурная компенсация требует тщательного подбора термокомпенсирующихэлементов для каждого отдельного усилителя с учетом всего температурного диапазона его работы, что неприемлемо при серийном производстве и эксплуатации аппаратуры (из-за трудностей ремонта).

Дата добавления: 2016-04-02; просмотров: 1279;