3.8. Усилители постоянного тока

Усилителями постоянного тока (УПТ) называют усилители сигналов от медленно меняющихся (с частотой в единицы и доли герца) до верхней частоты f_в. Полоса пропускания таких усилителей должна иметь нижнюю границу f_н=0. Нередко входные сигналы измеряются милливольтами и микроамперами, поэтому для их усиления нужны многокаскадные схемы.

Так как постоянный ток ни через емкость, ни через трансформатор передаваться не может, емкостная и трансформаторная межкаскадные связи на постоянном токе невозможны. Поэтому остается лишь гальваническая связь, в которой напряжение сигнала, усиленное предыдущим каскадом, непосредственно (прямо) поступает на вход последующего. Такие схемы называют усилителями прямого усиления. Покажем, к каким последствиям приводит гальваническая межкаскадная связь.

Рис. 30. Усилитель постоянного тока

На рис. 30 два каскада, выполненные на транзисторах Т₁ и Т₂, включенных по схеме с общим эмиттером, соединены (точки а и b) гальванической связью. Потенциалы этих точек можно выразить так:_а=I_Э1R_Э1+U_КЭ1 и :_b=I_Э2R_Э2+U_БЭ2. Чтобы гальваническое соединение этих точек не нарушило бы исходных режимов транзисторов, их потенциалы должны быть одинаковыми при отсутствии сигнала на входе усилителя, т. е. _а = _b. Предположим, что в рабочих точках I_Э1=I_Э2. Так как U_КЭ>>U_БЭ, для указанного равенства необходимо, чтобы R_Э2>R_Э1 при соответствующем уменьшении коллекторных сопротивлений R_К2<R_К1. Но так как на резисторах R_Э создается напряжение отрицательной обратной связи, то глубина ее будет возрастать от каскада к каскаду. В результате коэффициент усиления последующих каскадов становится все более низким. В этом состоит одна из трудностей создания УПТ с большим коэффициентом усиления.

Другая трудность заключается в обеспечении стабильности работы усилителя при таких дестабилизирующих факторах, как изменения параметров и режимов работы транзисторов с течением времени, а также при изменениях напряжения источника питания, температуры и т. п. факторов. Любые медленные изменения параметров вызывают изменения токов и падений напряжения от них, которые через гальванические связи передаются на вход следующего каскада и приводят к изменениям выходного напряжения. В УНЧ они не влияют на стабильность работы усилителя по переменному току (сигналу), а в УПТ эти изменения не отличаются от изменений, вызванных входным сигналом, и соизмеримы с ними по значению.

Самопроизвольные изменения выходного напряжения во времени, не связанные с входным сигналом, называют дрейфом нуля усилителя.

Дрейф нуля оценивают значением входного сигнала, которое вызывает эквивалентное дрейфу изменение выходного напряжения за единицу времени. В УПТ дрейф нуля находится в пределах от единиц до сотен микровольт и даже сотен милливольт в час.

Еще одна трудность создания УПТ заключается в необходимости обеспечить симметричную относительно начала координат характеристику вход — выход (т. е. изменение полярности U_вых при изменении полярности U_вх). Эта трудность объясняется тем, что при U_вх=0 потенциал U_вых отличен от нулевого, так как равен потенциалу коллектора транзистора Т₂ и определяется его исходной рабочей точкой р на выходной характеристике.