8.5 Підсилювачі постійного струму

8.5.1 Визначення та класифікація

Підсилювачі постійного струму (ППС) призначені для підсилення як постійної так і змінної складових електричних інформаційнх сигналів (періодичних або неперіодичних). Тому в таких ЕП зв`язок між каскадами повинен бути безпосереднім або за допомогою активних опорів чи інших елементів, опір яких не залежить від чистоти. Таким чином, в ППС відсутні виокремлюючі конденсатори, модель підсилювача виключає диференціюючу схему та може бути представлена лише інтегруючою схемою, в якій резистор визначається вихідним опором, а ємність відображає високочастотні властивості активного копонента, ємність навантаження та празитну ємність, як і в RC-підсилювачах. Тобто, при аналізі ППС в частотній та часовій областях можливо скористатись АЧХ та ПХ інтегруючої схеми (див.розд. 1.6.6.). Підкреслимо: відсутність виокремлюючих конденсаторів виключає низькочастотні (лінійні) спотворення і відповідно спад вершини імпульсів, але водночас створює суттеві труднощі узгодження першого каскаду ППС з джерелом ЕІС, міжкасдного зв`язку та вихідного підсилювача з навантаженням.

Для вирішення сформованих проблем реалізують два принципи побудови ППС: - ППС з безпосереднім зв`язком; - ППС з модуляцією та демодуляцією.

Для побудови ППС використовують вакуумні електронні лампи, біполярні та польові транзистори, оптоелектронні схеми і ІМС.

Безпосередній зв'язок приводить до того, що любі зміни постійної напруги на виході одного каскада, які спричинені внутрішніми та зовнішніми дестабілізуючими факторами ( температурною та часовою нестабільністю параметрів активних компонентів та резисторів, нестабільністю джерела живлення, низькочастотними шумами і завадами) сприймаються в ППС як рівноцінні діючому корисному сигналу.

Небажена зміна напруги на виході ППС за відсутності вхідного ЕІС називається дрейфом нуля підсилювача. Цей параметр визначають при закороченому вході ППС шляхом виміру зміни вихідної напруги ∆.U_вих за визначений час. Для порівняння підсилювачів між собою використовують поняття приведенного до входу дрейфу нуля е_др=∆ U_вих /К_u , де K_u – коефіцієнт підсиленняППС. Значення цього параметру обмежує чутливість підсилювача – мінімальну вхідну напругу, яку можна виокремити на його виході з урахуванням дрейфів. Мінімальний вхідний сигнал, який можна виділити на рівні дрейфу, повинен бути у 2-3 рази більшим е_др. Тому при розробці ППС основною задачою є зменшення дрейфу. Для цього використовують нагативний ЗЗ, включення температурнозалежних компонентів, застосування паралельно-балансовихих і диференціальних каскадів (див.розд. 6).

Важливим параметром для ППС яляється коефіцієнт пригнічення синфазної завади, який детально проаналізовано в розділі 6.

8.5.2 Підсилювачі постійного струму з безпосереднім зв`язком

Для побудови інформаційно-вимірювальних систем широко використовують аналогові інтегральні схеми, базові структури таких ІМС розглянуті в розділі 6. Вони зазвичай є ППС, тому що формування виокремлюючих та шунтівних конденсаторів великої ємності в ІМС не виконують через технологічні складності.

При проектувані та налагодженні ППС вирішують наступні питання:

• узгодження джерела вхідного сигналу із входом підсилювача без зміни його режиму за постйним струмом;

• узгодження навантаження з виходом ППС; - організація безпосереднього зв`язку між каскадами багатокаскадного ППС.

Д

а б в

Рис.8.9. Узгодження датчиків з вхідними каскадами ППС: а - вмикання додаткового джерела; б - використання подільника напруги; в.- вмикання двох джерел живлення.

ля узгодження датчика (джерела ЕІС) із входом ЕП застосовують вмикання додаткового джерела Е_ком (рис. 8.9, а). Для забезпечення початкового положення робочої точки за допомогою подільника напруги (R₁-R₂ ) формується потенціал бази U_Б , що забезпечує необхідне початкове зміщення U_БЕ. Якщо тепер у відсутності виокремлюючого конденсатора до бази транзистора підключити датчик, паралельно опору R2 вмикається внутрішній опір датчика, який може бути сумірним з опорами подільники. В результаті співвідношення опорів подільника змінюється, а потенціал бази зменшується, початковий режим транзистора порушується. Зміна U_Б сприймається як зміна сигнала датчика, тобто поява ЕІС. При включені компенсаційного джерела Е_ком = U_Б напруга між вхідними затискачами ППС дорівнює нулю, що виключає вплив датчиків. На рис.8.9, б напруга компенсації формується за допомогою подільників R_К1- R_К2 . Як і в попередній схемі вона дорівнює U_Б. Недоліком цієї схеми є те, що датчик не підключається до спільної шини, що істотно погіршує завадозахищеність ППС.

На рис.8.9, в показана схема з двома джерелами живлення, яка поширена при використані ІМС. Таке вмикання джерел дозволяє забезпечити початкове положення робочої точки (U_БЕ) при U_Б = 0 за рахунок формування відповідного потенціалу емітера за допомогою джерела -Е. Такий варіант найприйнятніший та найзручніший.

А налогічні проблеми вирішуються при узгоджені ППС з навантаженням, для чого використовують ті ж самі способи. Найбільш поширеним є використання двох джерел живлення (рис.8.10 ). В початковому режимі на колекторі встановлюється потенціал U_К = 0 (напруга між колектором та спільною шиною), що забезпечує безпосереднє підключення навантаження до виходу ППС.

Розглянемо міжкаскадні зв`язки у ППС. Для цього використовують:- безпосередні (гальванічні) з`єднання (рис.8.11, а); - через стабілітрони (рис.8.11,б); - шляхом використання комплементарних пар (чергування транзисторів типу р-п-р та п-р-п, рис.8.11, в). В схемі ППС із безпосереднім зв`язком мають виконуватись такі умови: R<sub>Е1</sub>< R <sub>Е2</sub>< R<sub>Е3</sub> та R<sub>К1</sub>> R<sub>К2</sub>> R<sub>К3</sub>. Оскільки коефіцієнт підсилення каскаду орієнтовно визначають за виразом К<sub>U</sub> = R <sub>K</sub> / R<sub>E</sub>, то , починаючи з третього каскаду, важко забезпечувати К<sub>3</sub> > 1. Отже, такими зв`язками можна користатись для побудови двокаскадних ППС.

Для узгодження відносно великого потенціалу колектора попереднього каскаду з малим потенціалом бази наступного ефективно використовують спад напруги на стабілітронах (рис.8.11, б). В режимі пробою на стабілітронах спадає постійна напруга U_ст. Для забезпечення такого режиму необхідно, щоб напруга джерела живлення та величини опорів резисторів R_K і R_E створювали необхідний робочий струм стабілітрона ( І_СТ >I_{min СТ}). В такій схемі зміна ЕІС передається через стабілітрон без втрат завдяки малому динамічному опору. Тип стабілітрона визначається необхідним спадом напруги. На рис.8.11,б виділено потенціали напруг на колекторі U к, базі U Б та емітері U Е. При узгоджені виходу першого каскаду зі входом другого необхідно забезпечити початковий стан транзистора Q_2, тобто – відповідне значення U_БЕ = U_Б - U_Е. Це досягається спадом напруги на стабілітроні U_БЕ=U_К - U_СТ . При надходженні ЕІС потенціал колектора транзистора Q₁ змінюється (збільшується або зменшується). Спад напруги на стабілітроні залишається постійним, а тому зміна ЕІС на колекторі без втрат передається на базу Q₂.

Е фективним для забезпечення міжкаскадного зв`язку є використання комплементарних пар транзисторів (рис.8.11, в). В такій схемі відсутні вимоги до збільшення опору в колі емітера та зменшення опору в колі колектора зі зростанням номера каскаду, тому вона знаходить практичне застосування, як і схема з двома джерелами живлення.

Необхідна початкова напруга транзисторів наступного каскаду в такій схемі забезпечується відповідним спадом напруги на резисторах в колах колекторів та резисторах в колах емітерів, які попарно приєднані або до +E, або до 0. Це забезпечує переваги таких схем.