4.3 Усилители постоянного тока
Усилители
постоянного тока (УПТ) предназначены
для усиления сигналов с частотой
,
т.е. название “усилители постоянного
тока” подчеркивает тот факт, что эти
усилители способны усиливать сигналы
с очень низкой частотой, вплоть до
нулевой. В связи с этим в качестве
элементов связи между каскадами УПТ, а
также между усилителем и нагрузкой и
источником входного сигнала не могут
использоваться конденсаторы или
трансформаторы. Поэтому, если не касаться
специальных типов УПТ с преобразованием
частот, единственным видом межкаскадной
связи в УПТ является непосредственная
(гальваническая) связь.
При непосредственной связи изменение режима покоя каскада, вызванное нестабильностью напряжения источника питания или изменением условий окружающей среды (в частности температуры), приведет к дрейфу (изменению) выходного напряжения усилителя, т.е. появлению на выходе усилителя ложного сигнала (помехи). Стабилизация режима покоя каскада за счет отрицательной обратной связи не дает положительного эффекта. Поэтому при построении УПТ применяются балансные каскады, у которых уменьшение напряжения дрейфа достигается за счет использования пар элементов с идентичными параметрами. По балансной схеме строится в основном входной (иногда второй) каскад, вносящий наибольший вклад в величину напряжения дрейфа на выходе усилителя.
На
рисунке 4.9 приведена схема простейшего
балансного каскада на биполярных
транзисторах. Применение двух источников
питания (положительного и отрицательного
напряжения, причем
)
способствует согласованию
по постоянному току каскадов между
собой, а также
с источником входного сигнала (каскад
может работать и при нулевых постоянных
напряжениях на базах, поскольку токи
баз транзисторов задаются источником
питания
).
Рисунок 4.9 – Балансный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером
Если
плечи каскада, состоящие соответственно
из элементов
,
идентичны (т.е.
),
то при отсутствии входных сигналов (
)
напряжение на выходе каскада
равно нулю и не будет изменяться при
согласованном изменении параметров
идентичных элементов, а также при
изменении напряжений источников питания.
Рассмотрим
работу каскада для случая, когда
,
а
.
Сигнал с первого входа (Вх.1) поступает
на первый выходной зажим (Вых.1) по пути
,
а на второй выходной зажим (Вых.2) – по
пути
.
Выражение выходного напряжения при
этом будет иметь вид (4.30)
, (4.30)
где
– коэффициенты усиления транзистора
соответственно с базы на коллектор и с
базы на эмиттер;
– коэффициент
усиления транзистора
с эмиттера на коллектор.
Полагая
и учитывая, что плечи каскада идентичны,
получим выражение коэффициента усиления
каскада с первого входа, формула (4.31)
. (4.31)
Аналогично
для случая
,
будем иметь выражение (4.32)
.
(4.32)
Таким образом, у балансного каскада один из входов (здесь – первый) инвертирующий, а другой неинвертирующий, причем коэффициенты усиления с этих входов по модулю одинаковые.
Если сигналы поданы на оба входа, то выходное напряжение равно усиленной разности двух входных напряжений и находим по формуле (4.33)
, (4.33)
т.е. балансный каскад проявляет дифференциальные свойства.
Выходные каскады усилителей
В выходных каскадах транзисторы работают в режимах, близких к предельным эксплуатационным режимам, что является отличительной особенностью выходных каскадов. В зависимости от типа усилителя (переменного или постоянного тока) нагрузка подключается к выходу усилителя или через разделительный конденсатор (трансформатор), или непосредственно.