6.УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

6.1.Основные свойства усилителей постоянного тока

Под усилителями постоянного тока (УПТ) понимают усилители, способные усиливать сигналы, нижняя частота которых может быть равной нулю. Частотная характеристика (рис. 6.1) таких усилителей начинается с определенного значения на частоте fH = 0 и остается постоянной до частоты fB, которая, как обычно, определяется техническим заданием на усилитель.

На рис. 6.1 представлены также фазовая, переходная и амплитудная характеристики усилителя постоянного тока. Его фазовая характеристика отличается от подобной характеристики усилителя переменного тока тем, что она расположена в области отрицательных значений фазового сдвига. На переходной характеристике УПТ отсутствует спад в области больших времен, характерный

прямого действия и усилители постоянного тока с преобразованием. В УПТ прямого действия используются непосредст-

венные связи между каскадами, источником сигнала и нагрузкой. В усилителях с преобразованием входной сигнал с помощью преобразователя частоты преоб-

215

разуется в более высокую несущую частоту. На этой частоте осуществляется основное усиление. Затем усиленный высокочастотный сигнал с помощью демодулятора преобразуется обратно в сигнал постоянного тока.

Для оценки качества УПТ наряду с обычными параметрами усилителя вводится понятие дрейфа нуля. Дело в том, что любые воздействия дестабилизирующих факторов, приводящие к.изменению положения рабочей точки, вызовут изменение постоянного напряжения на выходе и будут восприняты как появление сигнала. Зависи-

t мость дрейфа нуля от времени представлена на рис. 6.2. Эта зависимость имеет две составляющие. Одна составляющая обусловлена медленно меняющимися воздействиями,

чаще всего связанными с изменением параметров окружающей среды (особенно температуры), старением элементов схемы и изменением их параметров. Вторая составляющая накладывается на первую и представляет собой изменяющийся сигнал, обусловленный собственными шумами и помехами. Дрейф нуля оценивают величиной изменения выходного напряжения за определенный промежуток времени при отсутствии сигнала на входе. Используя коэффициент усиления усилителя, эту величину обычно приводят к его входу. В этом случае дрейф нуля показывает, какой сигнал необходимо подать на вход, чтобы на выходе получить реальное приращение сигнала. Величиной приведенного к входу усилителя дрейфа нуля ограничивается его реальная чувствительность.

Для уменьшения дрейфа нуля необходимо прежде всего устранить сами источники дестабилизирующих факторов. Устранение отдельных факторов может оказаться очень дорогим и не всегда приемлемым (например помещение усилителя в термостат). На уменьшение нестабильности напряжения питания путем использования стабилизированных источников потребуется меньше затрат. В любом случае нужен комплексный подход к этому вопросу, предусматривающий самые различные способы решения проблемы.

216

6.2. Усилители постоянного тока прямого действия

Так как УПТ усиливает переменную и постоянную составляющие сигнала, в его цепях не могут быть применены реактивные элементы, изменяющие свои параметры в области нижних и средних частот. К ним относятся разделительные и блокирующие конденсаторы, дроссели и трансформаторы. Для межкаскадной связи здесь используют непосредственную связь или связь с помо-

напряжение U2 будет равно нулю при отсутствии напряжения UИ на входе каскада. При подаче напряжения UИ с плюсом на базе VT транзистор открывается, потенциал его коллектора понижается, и в цепи нагрузки появляется усиленное напряжение U2 с полярностью, указанной на рисунке. Смена полярности входного напряжения приводит к изменению полярности напряжения U2.

Одним из самых распространенных простейших каскадов усиления постоянного тока является дифференциальный каскад (см. рис. 4.35, а, б), рассмотренный выше. Сигнал в таком каскаде может подаваться между базами транзисторов или между базой одного из них и общей шиной. Нагрузка включается между коллекторами транзисторов. Все положительные качества дифференциального каскада в полной мере реализуются при его использовании в качестве УПТ. Этот каскад занимает особое место в разработках УПТ в интегральном исполнении (операционных усилителей). Для всех операционных усилителей на биполярных и полевых транзисторах характерным является использование в качестве входного каскада соответствующего дифференциального усилителя.

217

В случае необходимости получения большого коэффициента усиления приходится строить УПТ из нескольких каскадов. Возникающие при этом трудности выравнивания выходных и входных потенциалов соединяемых каскадов могут решаться различными способами. Наиболее распространенные методы построения многокаскадных УПТ представлены на рис. 6.4.

Рис. 6.4

На схеме (рис. 6.4, а) коллектор предыдущего каскада непосредственно подключается к базе последующего. Необходимое напряжение смещения на базе следующего транзистора получают за счет выбора соответствующей величины сопротивления в цепи эмиттера следующего каскада. Пусть все три транзистора работают в одном режиме: токи коллекторов равны 1 мА, напряжения коллектор-эмиттер равны 3 В, напряжения база-эмиттер примерно равны нулю. Чтобы получить 3 В на коллекторе VT1 при токе I0K1 = 1 мА, сопротивление R4 должно быть равно 12 кОм. Напряжение коллектор-эмиттер VT1 прикладывается к последовательному соединению перехода база-эмиттер VT2 и сопротивления R6. Чтобы на переходе база-эмиттер VT2 напряжение примерно равнялось нулю, напряжение на R6 должно быть равно 3 В. Это возможно, если

218

сопротивление R6 имеет величину 3 кОм. Напряжение на коллекторе VT2 относительно общей шины теперь будет равно 6 В, для чего необходимо взять сопротивление R5, равное 9 кОм. Для компенсации этого напряжения на базе VT3 сопротивление R8 требуется увеличить до 6 кОм. При заданном режиме и напряжении источника питания сопротивление R7 должно быть уменьшено до 6 кОм. Таким образом, по мере продвижения к выходу усилителя нагрузка каждого последующего каскада уменьшается (R5, R7), а глубина местной обратной связи увеличивается (R6, R8). Согласно (4.9) и (4.12), коэффициент усиления таких каскадов быстро падает и стремится к отношению

Уже при равенстве сопротивлений в эмиттере и коллекторе коэффициент усиления не превышает единицы. Избавиться от этих обратных связей с помощью блокировочных конденсаторов в УПТ невозможно. (Как известно, любые реактивные элементы могут использоваться в усилителях постоянного тока только при появляющейся необходимости коррекции частотных характеристик в области высоких частот.) Заметного повышения температурной стабильности эти обратные связи также не дают, так как нестабильность схемы на рис. 6.4, а в основном определяется каскадом на транзисторе VT1, где ввести эту ОС не представляется возможным. Сопротивления R1, R2 и R9, R10 дополняют входную и выходную цепи усилителя до мостового вида для устранения постоянной составляющей, не связанной с сигналом.

В схеме (рис. 6.4, б) используется потенциометрическая связь между каскадами. В этой схеме с помощью резистивных делителей R3 - R4, R5 - R7 дополнительного источника питания Е02 появляется возможность довести до необходимой величины потенциал на базе VT2 и на выходе усилителя. Естественно, плечи делителей R3 и R5 заметно снижают усиление каждого каскада. Коэффициент усиления каскада с потенциометрической связью примерно в 1,5 - 2 раза меньше, чем у аналогичного резисторного каскада. Однако это снижение не прогрессирует от каскада к каскаду и не ограничивает число используемых каскадов.

В схеме на рис. 6.4, в в качестве элемента связи применен стабилитрон. Постоянное напряжение на коллекторе VT1 U0K1, согласно второму закону

219