Усилители постоянного тока

Ч

K_U

асто при проведении измерений в электронных устройствах необходимо усиливать сигналы очень низкой частоты (порядка долей герца). Для этого требуются усилители, имеющие равномерную амплитудно-частотную характеристику до самых низких частот. Такие усилители называют усилителями постоянного тока (УПТ). Сравним АЧХ УПТ и усилитель (У) с RC-связью (рисунок 31).

УПТ

У с RC-связью

0

10⁴

f_в

10⁶

f, Гц

10²

f_н

Рисунок 31 – Амплитудно-частотная характеристика УПТ

В области низких и средних частот АЧХ УПТ равномерна. В области высоких частот в УПТ, так же как и в усилителях с RC-связью, появляются фазовые сдвиги и частотные искажения на частотах, на которых начинают сказываться паразитные емкости самих усилительных каскадов.

В УПТ возникают трудности, связанные с отделением полезного сигнала от постоянных составляющих U и I, которые необходимы для работы транзисторов усилительных каскадов.

Как и в усилителях с RC-связью, характеристики УПТ должны отвечать следующим требованиям:

– в отсутствие входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал;

– при изменении знака входного сигнала должен изменять знак и выходной сигнал;

– напряжение на нагрузочном устройстве должно быть пропорционально входному напряжению.

В УПТ отделение постоянных составляющих U осуществляется обычно компенсационным методом, и такие усилители можно условно подразделить на усилители с одним и двумя источниками питания.

Усилитель постоянного тока с одним источником питания

Простейший УПТ с одним источником питания (рисунок 32) состоит из обычного усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ (выделен штриховыми линиями), у которого отсутствует конденсатор С в цепях эмиттера, что приводит к снижению коэффициента усилителя из-за возникновения отрицательной обратной связи, но обеспечивает большую полосу пропускания.

Нагрузочный резистор R_н включен между коллектором транзистора и средней точкой делителя R₃ / R₄, а входное напряжение U_вх приложено между базой и средней точкой делителя R₁ / R₂. Для точной подстройки режима в выходной цепи ставится переменный резистор R₅. При подаче входного сигнала появляется ток во входной цепи, изменяются базовый и коллекторные токи, что приводит к изменению напряжения на коллекторе и появлению тока i_н в нагрузке.

R₁

R_Б'

R_К

R₃

R₅

R₄

+E_К

i_н

i_К

R_н

I₂

R_Э

VT

φ₂

R_Б''

U_вх

I₁

R₂

φ₁

Рисунок 32 – Усилитель постоянного тока с одним источником питания

На рисунке 33 показано, что при входном напряжении U_вх = 0 (0 ≤ t ≥ t₁) U_вых = 0, в интервале времени t₁ < t < t₂ при U_вх < 0 U_вых > 0, а в интервале t > t₂ при U_вх > 0 U_вых < 0. Таким образом, компенсируется постоянная составляющая коллекторного тока.

В УПТ с одним источником питания вместо усилительного каскада с коллекторной нагрузкой может применяться эмиттерный повторитель или усилительный каскад на полевом транзисторе.

Недостатки УПТ с одним источником питания:

– так как нагрузочные резисторы включаются между электродом транзистора и средней точкой делителя, то они не могут быть соединены с общей точкой усилителя (т. е. выведены на корпус, имеющий нулевой потенциал);

– источник входного напряжения тоже не соединен с общей точкой усилителя.

U, i_К

φ, E_К

U_вх

U_вых

E_К

φ_Б

φ₁

φ₂

t

t₁

t₂

i_К

φ_К

Рисунок 33 – Потенциальная диаграмма работы УПТ с одним источником питания