Усилитель постоянного тока с двумя источниками питания

Схема такого однокаскадного усилителя (рисунок 34) имеет два источника питания + Е₁ и – Е₂, которые создают положительные и отрицательные напряжения относительно общей точки, имеющей нулевой потенциал («земля»). Входной сигнал подается непосредственно на базу транзистора.

При U_вх = 0 потенциал базы φ_Б = 0. Потенциалы других точек схемы (относительно общей точки) зависят от напряжений источников питания. К делителю R₃ / R₄ при отсутствии входного сигнала приложено напряжение φR₃ + φR₄ = φ_К – (– E₂) = φ_К + E₂, при этом потенциал средней точки делителя должен быть равен нулю, т. е. напряжение на выходе равно 0, падение напряжения на плечах делителя UR₃ = φ_К, UR₄ = E₂.

Чтобы ток делителя не нарушал режима работы транзистора, его обычно выбирают значительно меньше I_К:

I = (0,02 − 0,1) I_К.

Сопротивление резисторов делителя могут быть определены из

соотношений:

R

₃

₃ = U_R / I;

R

₄

₄ = U_R / I.

При подаче входного напряжения (положительной полярности) возрастает ток базы транзистора I_Б, что приводит к увеличению коллекторного тока I_К. При этом увеличивается падение напряжения на R₁ и снижается потенциал верхнего вывода делителя R₃ / R₄, снижается потенциал средней точки делителя и на выходе появляется напряжение отрицательной полярности.

U, E_К, φ

R₁

φ_К

+E₁

VT

R₃

R₄

R₂

U_вых

I

Ср. т.

– E₂

20

10

0

–15

E_К

– E

U_вых

φ_Б = U_вых

φ_К

Рисунок 34 – Усилитель постоянного тока с двумя источниками питания

и его потенциальная диаграмма

Таким образом, делитель R₃ / R₄ компенсирует постоянную составляющую напряжения и передает с некоторым уменьшением усиленное напряжение с коллектора транзистора на выход усилителя.

Коэффициент усиления такого усилительного каскада при R₃ >> R₁ и R₄ >> R₁, когда шунтирующие действия делителя можно не учитывать, определяется выражением:

K = K₀ · R₄ / (R₃ + R₄),

где K₀ – коэффициент усилителя с коллекторной нагрузкой без делителя;

R₄ / (R₃ + R₄) – множитель, учитывающий снижение коэффициента усиления за счет включения делителя.

Дрейф нуля в усилителях постоянного тока

УПТ имеют один недостаток, затрудняющий усиление очень малых постоянных напряжений и токов. В УПТ существует дрейф нуля, который определяет нижний предел усиливаемых напряжений. Дрейф нуля заключается в следующем. С течением времени изменяются токи транзисторов и напряжения на их электродах. При этом нарушается компенсация постоянной составляющей напряжения и на выходе усилителя появляется напряжение при отсутствии входного сигнала. Так как УПТ должен усиливать напряжения вплоть до самых низких частот, всякое изменение постоянных составляющих напряжения из-за нестабильности источников питания, старения транзисторов, изменения температуры окружающей среды и т. д. принципиально не отличается от полезного сигнала.

Если вход УПТ замкнуть накоротко, а на входе подключить милливольтметр, то с течением времени даже при отсутствии входного напряжения из-за нестабильности и неточной их компенсации появляется выходное напряжение.

Примерная временная зависимость U_вых показана на рисунке 35. Это напряжение, деленное на коэффициент усиления усилителя, называют дрейфом нуля, приведенным к входу усилителя:

U_др = U_вых / K_U (при U_вх = 0).

УПТ может правильно воспроизводить на выходе только те сигналы, которые значительно превышают напряжение дрейфа, т. е. U_вх >> U_др. Поэтому при проектировании чувствительного усилителя приходится принимать специальные меры к снижению дрейфа нуля.

U_вых

U_вых

U_вх

УПТ

t

mV

Рисунок 35 – Дрейф нуля в усилителе постоянного тока

Как видно из временной зависимости, U_вых состоит из двух составляющих:

– монотонно изменяющегося напряжения (штриховая линия);

– переменной составляющей.

Для борьбы с дрейфом нуля принимают целый ряд мер:

– стабилизацию напряжения источников питания;

– стабилизацию температурного режима и тренировку транзисторов;

– использование дифференциальных (или балансных) схем УПТ;

– преобразование усиливаемого напряжения.

Для борьбы с дрейфом в УПТ применяют специальные схемы усилителей, которые называются дифференциальными или балансными. Такие схемы построены по принципу четырехплечевого моста (рисунок 36).

Если мост сбалансирован, т. е. R₁ / R₂ = R₄ / R₃, то при изменении напряжения источника питания + Е_К баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе R_н ток равен нулю.

С другой стороны, при пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R₁, R₂ или R₃, R₄ баланс моста тоже не нарушается. Если заменить резисторы R₂, R₃ транзисторами, то получим дифференциальную схему, часто применяемую в УПТ (рисунок 37).

R_п

R₃

R₂

R₅

U_н

R_н

VT₁

VT₂

U_вх1

U_вх2

+E_К1

– E_К2

R₄

R₁

R₃

R₂

R_н

+E_К

R_н

Рисунок 36 – Схема

четырехплечевого моста

Рисунок 37 – Дифференциальная схема

в усилителе постоянного тока

Назначение элементов схемы:

• R₅ стабилизирует ток транзисторов, включен в эмиттерную цепь обоих транзисторов; чтобы можно было использовать резистор с большим сопротивлением R₅, увеличивают напряжение источника питания Е_К до значения Е_К2 = Е_К1, а в интегральных микросхемах вместо R₅ применяют стабилизатор постоянного тока, который выполняют на двух транзисторах.

• Переменный резистор R_п служит для установки нуля. Это необходимо в связи с тем, что не удается подобрать два абсолютно идентичных транзистора и резисторы с равными сопротивлениями R₂, R₃. При изменении положения движка потенциометра R_п изменяются сопротивления резисторов, включенных в коллекторные цепи транзисторов и, следовательно, потенциалы на коллекторах. Перемещением движка потенциометра R_п добиваются нулевого тока в нагрузочном резисторе R_н при отсутствии входного сигнала.

• При изменении ЭДС источника коллекторного питания Е₁ или смещении Е₂ изменяются токи обоих транзисторов и потенциалы их коллекторов. Если транзисторы идентичны и сопротивления R₂, R₃ в точности равны, то тока в резисторе R_н за счет изменения ЭДС Е₁, Е₂ не будет. Если транзисторы не совсем идентичны, то появляется ток в нагрузочном резисторе, однако он будет значительно меньше, чем в обычном небалансном УПТ.

• R₅ – резистор ОС.

• При подаче входного сигнала на базу транзистора VТ₁ увеличивается ток базы транзистора VТ₁ и уменьшается ток базы транзистора VТ₂. При этом токи I_Э1, I_К1 увеличиваются, а токи I_Э2, I_К2 уменьшаются. Изменение токов происходит на одну и ту же величину. Напряжение U_К1 = E_К1 − I_К1 · R_К1 уменьшается, что вызывает приращение напряжения ∆U_К1, противоположного по знаку (т. е. проинвертированного) U_вх. Напряжение U_К2 = E_К1 − I_К2 · R_К2 возрастает, что создает приращение напряжения того же знака + ∆U_К2 (т. е. непроинвертированного), что и напряжение входного сигнала, т. е. в данном случае выход каскада со стороны коллектора транзистора VТ₁ является инвертирующим, а со стороны коллектора транзистора VT₂ – неинвертирующим. Если подается сигнал на вход VТ₂, то тогда коллектор транзистора VТ₂ будет инвертирующим выходом, а коллектор VТ₁ – неинвертирующим.

Если напряжение подается на оба входа сразу, то инвертирующий и неинвертирующий выходы (или входы) определяются в сравнении по формуле:

U_вых = K (U_вх1 − U_вх2).