7. Усилители постоянного тока

Усилителями постоянного тока (УПТ) называют усилители, коэффициент усиления которых не снижается при снижении частоты вплоть до нуля. Такие усилители производят усиление не только переменной но и постоянной составляющей сигнала.

По принципу действия УПТ подразделяют на 2 основных типа: прямого усиления и с преобразованием сигнала.

Электрические сигналы, воздействуя на вход усилителя постоянного тока, во многих случаях малы по величине. Так, с помощью УПТ приходится усиливать напряжение порядка долей милливольта, а токи- порядка А. Для усиления таких слабых сигналов одного каскада оказывается недостаточно, поэтому приходится применять многокаскадный усилитель.

Очевидно, что при построении многокаскадных усилителей емкостная или трансформаторная связь не может быть использована, т.к. ни конденсаторы, ни трансформаторы не пропускают постоянный ток. Поэтому для соединения отдельных каскадов применяют гальваническую (непосредственную) связь. При этом базу транзистора каждого последующего каскада непосредственно соединяют с коллектором предыдущего.

Это требование приводит к возникновению определенных трудностей, связанных с согласованиями режимов соседних каскадов по постоянному току. Такие трудности не возникают в усилителе переменного тока, где разделительные конденсаторы изолируют каскады по постоянному току.

Согласование режимов соседних каскадов по постоянному току может быть осуществлено двумя способами.

При первом способе дополнительный источник напряжения включают в цепь межкаскадной связи (рис. 5.37,а) в этом случае, напряжение смещения определяется как разность постоянного напряжения на выходе предыдущего каскада и напряжения дополнительного источника:

изменяя напряжение Е, всегда можно получить оптимальное для транзистора второго каскада напряжение смещения.

При втором способе дополнительный источник постоянного напряжения включают в цепь эмиттера (или в цепь истока).

При полярности напряжения , указанной на рис. 5.37, б напряжение смещения снова будет разностью постоянных напряжений и и так же может иметь нужную величину.

С конструктивной точки зрения, первый способ менее удачен, особенно в случае применения многокаскадных УПТ, так как будут необходимы дополнительный источники питания, и УПТ будет очень громоздким.

Второй способ значительно лучше, так как роль дополнительного источника постоянного напряжения может играть, например, резистор R в цепи эмиттера, через который проходит постоянный ток. Величину постоянного тока подбирают такой, чтобы выполнялось условие . Вариант схемы двухкаскадного УПТ приведен на рис. 5.38.

Делитель R1, R2 обеспечивает смещение на базу транзистора VT1. при данной полярности источника питания на коллекторе транзистора устанавливается соответствующий начальному режиму относительно высокий отрицательный потенциал, который прикладывается к базе транзистора VT2. уровень этого потенциала обычно значительно превышает требуемое напряжение смещения на базу транзистор VT2. Поэтому, если его не скомпенсировать, то токи и возрастут настолько, что транзистор может оказаться в режиме насыщения. Компенсация коллекторного напряжения в приведенной схеме осуществляется напряжением на резисторе , направленным встречно и задаваемым такой величины, чтобы

г де - напряжение смещения на базу транзистора VT2, обеспечивающее необходимый базовый ток. В свою очередь ток обеспечивает начальный режим работы второго каскада.

рис. 5.38, 5.39

Принципиальная трудность, возникающая при конструировании УПТ, заключается в том, что такие усилители обладают большой нестабильностью. Даже очень медленные изменения напряжения источ­ников питания, а также параметров транзисторов и деталей схемы вследствие их старения, колебаний окружающей температуры вызывают медленные изменения токов, которые через цепи гальванической связи передаются на выход усилителя и приводят к изменениям выходного напряжения.

Особенно вредными оказываются изменения токов в первых каскадах, так как они усиливаются последующими. В результате этого в отсутствие входного сигнала выходное напряжение УПТ колеблется около некоторого среднего значения. Это явление, называемое дрейфом нуля УПТ, является вредным, так как возникающее выходное напряжение невозможно отличить от полезных сигналов. Дрейф нуля оценивают в единицах напряжения на время (микровольт в час). Отношение выходного напряжения при отсутствии сигнала на входе к коэффициенту усилителя назы­вают приведенным напряжением дрейфа:

Величина приведенного ко входу напряжения дрейфа ограничивает минимально различимый входной сигнал; по существу, напряжение дрейфа определяет чувствительность усилителя. Если же напряже­ние дрейфа на входе усилителя окажется того же порядка, что и напряжение сигнала, или даже больше но, то уровень искажений усилителя достигнет и допустимой величины.

Для уменьшения дрейфа нуля стабилизируют источники питания УПТ, вводят отрицательную обратную связь, а также применяют мостовые балансные схемы УПТ (рис. 5.39).

Данная схема выполнена в виде моста, двумя плечами которого являются внутренние сопротивле­ния транзисторов VT1 и VT2 (вместе с соответ­ствующей частью резистора и резистором ). К одной диагонали моста подключен источник питания , а к другой — внешняя нагрузка , с которой снимается выходное напряжение. Входной сигнал постоянного или медленно изменяющегося тока при­кладывается к базам обоих транзисторов. Если плечи моста симметричны (транзисторы идентичны, = ) и , то начальные токи покоя транзи­сторов одинаковы. При этом напряжения на коллек­торах и относительно заземленной точки схемы также равны, поэтому разность потенциалов между коллекторами, а следовательно и на нагрузке на нагрузке равна нулю. Изменение напряжения питания, температуры или воздействие какого-либо другого дестабилизирующего фактора вызывают равные приращения начальных токов транзисторов, что обусловливает равные приращения напряжений на коллекторах . Однако баланс моста при этом сохраняется и напряжение на нагрузке (напряжение дрейфа) равно нулю. При наличии входного сигнала приращена коллекторных токов, а следовательно, и напряжении на коллекторах будут равны по величине, но противоположны по направлению, что приводит к разбалансу моста и появлению на нагрузке разности потенциалов, за счет которой в резисторе протекает ток усиленного сигнала. Полной симметрии плеч и реальной схеме достичь невозможно, что обусловливает наличие небольшого напряжения дрейфа. Для повышения стабильности балансного УПТ вводят переменный резистор , с помощью которого поддерживается большее постоянство потенциале эмиттеров при изменении токов транзисторов. Значение этого резистора невелико, обычно . Вместо отдельных резисторов и цепях эмиттеров транзисторов на практике применяют один общий резистор . Он обуславливает отрицательную связь лишь по токам покоя обоих транзисторов, что выгодно с точки зрения стабилизации параметров УПТ и снижения дрейфа нуля.

При воздействии входного сигнала приращения эмиттерных токов, протекающих через рези­стор равны по величине, но противоположны по направлению (т.е. ). Следовательно, отрицательная обратная связь по току, полезного сигнала, поддерживается лишь небольшим сопротивлением . Значительное снижение дрейфа нуля достигается в балансных УПТ, выполненных в виде интегральных микросхем. Поскольку транзисторы в интегральной семе изготовляют в течение одного технологического цикла и в одних и тех же условиях, их параметры почти идеально идентичны. Кроме того, поскольку транзисторы расположены очень близко круг к другу в одной кремниевой пластинке, рабочая температура этих приборов одинакова.