Усилители постоянного тока
Усилители постоянного тока
Усилители постоянного тока Общие сведения. Усилители постоянного тока УПТ могут усиливать электрические колебания со спектром частот от 0 до fв, определяемой назначением и условиями работы. По принципу действия различают усилители прямого усиления и. с преобразованием. В усилителях постоянного тока с преобразованием усиливаемый постоянный ток преобразуется в переменный и усиливается с последующим выпрямлением (усиление с модуляцией и демодуляцией сигнала — МДМ).
Особенность схем УПТ прямого усиления, наличие гальванической (непосредстенной) связи между выходным электродом усилительного элемента (коллектором, анодом) одного каскада и входным электродом усилительного элемента (базой, сеткой) следующего каскада. При этом цепь связи между каскадами не содержит реактивных элементов (конденсаторов, трансформаторов), поэтому возможно прохождение сигналов любой частоты (вплоть до нулевой).
Гальваническая связь, хорошо передавая перепады потенциалов и медленные изменения токов между каскадами, затрудняет установку режима работы усилительного элемента, вызывает нестабильность работы самого усилителя. При изменениях напряжения источников питания и режимов работы усилительных элементов или их параметров возникают медленные изменения токов, которые через цепи гальванической связи передаются на вход усилителя и приводят к изменениям выходного сигнала. Эти изменения выходного сигнала неотличимы от изменений, вызванных воздействием полезного сигнала на входе усилителя.
Дрейф нуля и способы его снижения. Изменения выходного напряжения, обусловленные внутренними процессами в усилителе (нестабильностью напряжения источников питания, или параметров активных и пассивных элементов схемы, изменениями температуры окружающей среды и т. д.) и не связанные со входным напряжением, называют дрейфом нуля усилителя. Абсолютный дрейф нуля характеризуется максимальным изменением выходного напряжения при отсутствии сигнала на входе (при замкнутом входе) усилителя за определенный промежуток времени. Напряжение дрейфа, приведенное ко входу усилителя, равно отношению напряжения абсолютного дрейфа к коэффициенту усиления усилителя: Uдр.вх = U др.вых.макс/K. Значение этого напряжения ограничивает минимально различимый входной сигнал (т. е. определяет чувствительность усилителя). Для нормальной работы усилителя напряжение дрейфа не должно превышать заданного минимального напряжения усиливаемого сигнала. Если напряжение дрейфа на входе усилителя окажется того же порядка или больше напряжения сигнала, уровень искажений усилителя превысит допустимую величину, что может вызвать смещение рабочей точки усилителя вне рабочей области характеристик усилительного элемента («дрейф нуля»).
Основными способами уменьшения напряжения дрейфа являются:
- стабилизация напряжения или тока всех источников питания, влияющих на режим усилительного каскада;
- применение глубокой ООС;
- компенсация температурного дрейфа элементами с нелинейной зависимостью параметров от температуры;
- применение балансных (мостовых) схем;
- преобразование постоянного тока, в переменный и усиление переменного тока с последующим выпрямлением.
Схемы усилителей постоянного тока. Важными задачами при построении схем УПТ являются согласование потенциалов (на входе усилителя, в точках соединения каскадов, и на выходу, при подключении нагрузки) и обеспечение стабильности работы при изменениях режимов и параметров элементов схемы. Усилители постоянного тока могут быть одно- и двухтактными.
В однотактной схеме УПТ прямого усиления напряжение сигнала с выхода одного усилительного элемента непосредственно поступает на вход следующего усилительного элемента. Одновременно с напряжением сигнала на вход следующего усилительного элемента (например, V2) поступает напряжение питания цепи предыдущего транзистора VI. Для согласования потенциала коллектора транзистора VI с потенциалом базы последующего каскада на транзисторе V2 следует скомпенсировать коллекторное напряжение первого каскада. С этой целью в эмиттерную цепь V2 включают резистор Raz, в результате чего напряжение смещения цепи базы транзистора V2 Uбэ2 = Uкэ1 + Uэ1 — UЭ2. Для получения требуемого тока коллектора в транзисторе V2 напряжение U3n на резисторе RЭ2 должно превышать напряжение U3i на резисторе Rзь Потенциалы коллекторов последующих транзисторов должны быть высокими. Эти требования выполняются уменьшением сопротивлений Rк и увеличением R3 последующих каскадов, т. е. выбором RK3<Rк2<RK1 и Rэз>RЭ2>Rэ1. При таком выборе резисторов Rк и Ra снижается усиление последующих каскадов. Следует учитывать, что резисторы R3i, Raz и Rэз в схеме УПТ не только компенсируют коллекторное напряжение, поступающее на базу, но и осуществляют стабилизацию режима транзисторов за счет ООС по току. Благодаря ООС параметры усилителя (Кв, Кт, rвх, rвых) в меньшей степени зависят от параметров транзистора и обладают большей стабильностью при их изменениях. Сопротивление R3 последнего каскада обычно выбирают из условий получения необходимой стабильности режима работы, а нуж-ное смещение на базе устанавливают с помощью делителя RоRаз или- стабилитрона V4, подключаемого к цепи эмиттера (как показано на рисунке пунктирной линией). Если эмиттерный ток транзистора меньше рабочего тока стабилитрона, в схему (для обеспечения его номинального режима) дополнительно вводят резистор rq. Балансные схемы в сочетании со взаимной компенсацией, глубокой ООС и термокомпенсацией нелинейными элементами позволяют значительно увеличить стабильность УПТ. В большинстве случаев балансные схемы усилителей выполняют двухтактными. Для уменьшения дрейфа нуля применяют балансные схемы усилителей параллельного и последовательного типа. В схеме параллельного балансного каскадаколлекторные резисторы RK1 и RК2 и внутренние сопротивления транзисторов образуют четыре плеча моста. К одной диагонали моста между цепями коллектор — эмиттер подключается напряжение питания, а к другой (между коллекторами) — нагрузка. Входной усиливаемый сигнал прикладывается к базам обоих транзисторов. При RK1=RK2 и идентичных транзисторах плечи моста симметричны. Если сигнал на входе схемы отсутствует (Uи=0), разность потенциалов между коллекторами VI и V2 также равна нулю. Если Uвх=/=0, потенциалы на коллекторах транзисторов получают одинаковые по величине, но разные ло знаку приращения (AUK1 = .=. — АUка), вследствие чего , в нагрузке появляется ток. Балансные каскады параллельного типа могут быть использованы в качестве первых высокостабильных каскадов многокаскадных усилителей, а также в качестве выходных каскадов, если нужно получить симметрично изменяющееся напряжение (например, для отклоняющих пластин осциллографической трубки) или симметрично изменяющийся ток (например, для отклоняющих катушек электронно-лучевых трубок, обмоток реле). Высокая стабильность выходных данных объясняется тем, что изменения режима (температуры, напряжения источника) в симметричной схеме приводят к одинаковым изменениям потенциалов на коллекторах, поэтому выходное напряжение и ток в нагрузке не меняются. В симметричной схеме ток через резистор R9 можно считать не измененным (АIэ1= — АIэ2). Следовательно, обратная связь в схеме не возникает. Регулировкой сопротивления резистора связи R1 с отводом средней точки можно уменьшить колебания токов коллекторов. Резистор R1, являясь сопротивлением обратной связи, снижает усиление, однако предотвращает закрывание одного из транзисторов при малейшем разбалансе базовых потенциалов, чем расширяет динамический диапазон входных сигналов. Балансные каскады последовательного типа на транзисторах распрортранения не получили, поскольку обладают большим дрейфом нуля. Усилители постоянного тока прямого усиления обеспечивают усиление сигналов лишь в сотни микровольт и выше. Для усиления более слабых сигналов используют УЛТ с преобразованием постоянного тока в переменный с последующим усилением и выпрямлением..