3564

2.7.1. Согласование сопротивлений для оптимальной передачи напряжения

В большинстве случаев, когда подключаются различные части схемы друг к другу, основным является максимальная степень передачи напряжения, что выполняется при согласовании сопротивлений. Для оптимальной передачи напряжения при соединении двух «блоков» нужно, чтобы Uвх было почти равно Uвых, насколько это возможно.

На рис. 2.84 показано согласование сопротивлений между двумя устройствами.

Рис. 2.84

Напряжение Uвх=(Uвых Rвх)/(Rвых+Rвх), откуда условие равенства напряжений Uвх Uвых выполняется, если Rвх>>Rвых.

Для возможно лучшей передачи напряжения от одной схемы к другой выходное сопротивление первой схемы должно быть много меньше, чем входное сопротивление второй схемы, как пра-

вило, нужно, чтобы Rвх>10Rвых.

При несоблюдении условий согласования наблюдаются, как минимум, потери напряжения. Например, при каскадном соединении двух усилительных каскадов на биполярных транзисторах на связи теряется около 50% напряжения сигнала. Однако, при соединении один за другим каскадов на полевых транзисторах потери сигнала ничтожны, так как, в отличие от биполярных транзисторов, у усилительных каскадов на полевых транзисторах очень большое входное сопротивление и малое выходное сопротивление.

204

рые можно слышать как шипение в громкоговорителе. Мощность шума, порождаемого схемой, обычно пропорциональна ее ширине полосы частот. Часто мерой «различимости» полезного сигнала на фоне шума служит отношение сигнал/шум, равное отношению мощности сигнала Pс к мощности шума Pш. Обычно его выражают в децибелах 10 lg(Pс/Pш) дБ. Шум и сигнал появляются на выходе вместе и оба «действуют» на одном и том же сопротивлении, поэтому отношение Pс/Pш можно выразить через более удобное отношение эффективных (среднеквадратических) значений сигнала и шума Uс и Uш соответственно: отношение сиг-

нал/шум=10 lg(Uс/Uш)2дБ=20 lg(Uс/Uш)дБ.

Когда речь идет о характеристиках оборудования, нам часто бывает необходимо значение максимального отношения сигнал/шум. Оно получается путем измерения эффективного максимального напряжения сигнала на выходе Uс0(max) и, сравнивая его с эффективным напряжением имеющегося на выходе шума Uш0, получаем, что максимальное значение отношения сигнал/шум равно

20 lg(Uс0(max)/ Uш0)дБ. Для получения разумного значения сигнал/шум обычно необходимо знать выходное сопротивление ис-

точника сигнала.

2.8. Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления постоянных по величине, а также медленно меняющихся во времени сигналов.

По способу усиления сигнала различают:

1.УПТ с гальванической связью между каскадами;

2.УПТ на основе балансных и дифференциальных каска-

дов;

3. УПТ с преобразованием.

2.8.1. УПТ с гальванической связью между каскадами

В УПТ с гальванической связью можно использовать только элементы, параметры которых в рабочей полосе частот не зависят от частоты. В таких усилителях нельзя использовать конденсаторы, трансформаторы и дроссели в цепях межкаскадной связи, можно применять только резисторы, проводники и другие частотно независимые элементы. Так как УПТ прямого усиления не содержат

206

разделительных и блокировочных конденсаторов большой емкости, дросселей и трансформаторов, их габаритные размеры могут быть очень малы, такие УПТ обеспечивают требования миниатюризации в гибридных и твердотельных интегральных схемах. Малогабаритные УПТ на базе интегральных схем используются в качестве звуковых, широковещательных, телевизионных систем связи.

В схеме (рис. 2.85) непосредственно на основе межкаскадной гальванической связи напряжение сигнала после усиления предыдущим усилительным элементом поступает по проводнику на вход следующего усилительного каскада. Практически такой способ связи реализовать весьма сложно, т.к. необходимо предотвратить поступление напряжения питания на вход последующего каскада. Это напряжение питания необходимо компенсировать.

Рис. 2.85

Эти требования выполняются уменьшением Rк и увеличением Rэ последующего каскада. Для согласования потенциала коллектора VT1 с потенциалом базы последующего каскада на транзисторе VT2 следует скомпенсировать коллекторное напряжение первого каскада. С этой целью подбирают сопротивление в цепи эмиттера Rэ2 так, чтобы напряжение на эмиттерном резисторе каждого последующего каскада должно компенсировать постоянную составляющую режима покоя предыдущего каскада, т.е. для каждого последующего каскада должно выполняться соотношение

Urэi Uкэi Uбэi 1 Urэi 1.

В схеме транзисторного УПТ с гальванической связью резисторы в цепи эмиттера Rэ1, Rэ2, Rэ3 осуществляют термостабили-

207

зацию точек покоя транзисторов, но эти резисторы создают в каждом каскаде отрицательную обратную связь по току с возрастающей глубиной от каскада к каскаду, что значительно снижает усиление. Таким образом, проектирование усилителя с числом каскадов более трех нецелесообразно.

Устранить данный недостаток можно, используя в эмиттерных цепях транзисторов нелинейные элементы, падение напряжения на которых не зависит от их сопротивления. В качестве таких элементов используют стабилитроны (рис. 2.86).

Рис. 2.86

Применение стабилитронов полностью не решает проблему согласования режимов как по постоянному так и по переменному току. Действительно, поскольку напряжение эмиттерного элемента (резистора или стабилитрона) в каждом последующем каскаде должно быть больше, чем в предыдущем, соответственно уменьшается возможное максимальное значение амплитуды выходного сигнала каскада. Кроме того, УПТ такого типа имеют следующие недостатки:

1.На входе усилителя присутствует некоторое постоянное напряжение, необходимое для задания режима покоя транзистора первого каскада. Подключение источника входного напряжения с конечным выходным сопротивлением изменит режим работы этого каскада по постоянному току. Это изменение в случае постоянного выходного сопротивления источника входного напряжения можно

компенсировать изменением резисторов Rg1 и Rg2 (рис. 2.85). Однако, если выходное сопротивление источника сигнала в процессе работы не остается постоянным, его изменения будут восприниматься усилителем как входной сигнал.

2.При отсутствии входного сигнала на входе усилителя присутствует некоторое постоянное напряжение, обусловленное режимом покоя выходного транзистора.

208

Частично устранить указанные недостатки можно введением во входную и выходную цепи усилителя дополнительных делителей напряжения. Делитель R/1, R/2 (рис. 2.85) компенсирует постоянную составляющую с коллектора третьего транзистора. Делитель напряжения R1, R2 компенсирует падение напряжения, поступающее с Rg2, обеспечивая постоянное смещение на входе транзистора VТ1 неизменным.

Изменения температуры, напряжения питания, изменение параметров элементов при их старении изменяют положение рабочей точки транзистора VТ3 и на выходе усилителя появляется постоянное напряжение. Для его компенсации необходимо изменять сопротивления R/1, R/2 для обеспечения нулевого напряжения на выходе в отсутствии сигнала на входе. Недостатком такого УПТ является отсутствие общего провода между входной и выходной цепями в схеме. Заземление в этой схеме одного из зажимов входной цепи приведет к тому, что под потенциалом относительно земли будет нагрузка. Если заземлить один из выходных зажимов под потенциалом относительно земли окажется вход, что нежелательно.

Режим работы транзистора определяется как в обычном резисторном каскаде. Коэффициент усиления, частотную характеристику в области верхних частот, переходную характеристику определяют для каждого каскада с учетом влияния обратной связи, вносимой резистором Rэ. В ламповых усилителях такая схема неработоспособна, т.к. из-за большого напряжения анод-катод лампы сопротивление компенсирующего резистора в катоде следующей лампы очень велико, и уже второй каскад не дает достаточного усиления.

Для устранения перечисленных выше недостатков схемы с непосредственной связью выполняют двухтактной, т.к. при включении стабилизирующих режим резисторов Rэ в общую цепь эмиттера, истока или катода каждого из каскадов местные отрицательные обратные связи по току устраняются и каскады такого усилителя дают полное усиление. Симметричные схемы усилителей постоянного тока с непосредственной связью широко используются в миниатюрных транзисторных усилителях постоянного тока. Для компенсации постоянной составляющей выходного напряжения предыдущего транзистора и обеспечения между базой и эмиттером следующего транзистора требуемого напряжения смещения в УПТ прямого усиления используют различные схемы сдвига уровня.

209

Простейшая схема сдвига уровня представляет делитель из двух резисторов, питаемых от дополнительного источника постоянного тока ЕДОП. Такая схема сдвига уровня применима в схеме УПТ с потенциометрической межкаскадной связью, изображенной на рисунке 2.87.

Рис. 2.87

Эта схема значительно лучше, чем приведенная на рис. 2.85. Схема с потенциометрической межкаскадной связью используется как в транзисторном, так и в ламповом вариантах. В этой схеме входная и выходная цепи имеют общий провод, а питание осуществляется от двух источников постоянного тока — источника питания выходных цепей Е и дополнительного источника компенсирующе-

го напряжения Едоп.

Для стабилизации режима и высокочастотной коррекции возможного подключения в эмиттерной цепи резисторов и конденсаторов можно использовать один источник со средней точкой, соединенной с общей точкой, или использовать делитель, подключенный параллельно источнику питания. К недостаткам потенциометрической схемы следует отнести большое число резисторов в каскадах и в 1,5 — 2 раза меньший коэффициент усиления по сравнению со схемой с непосредственной связью из-за шунтирования сопротивлений R потенциометрами, кроме того, часть напряжения сигнала теряется на резисторах Rп. Резисторы R, Rп. и Rс находят по следующим расчетным формулам

210

где Uo —напряжение между коллектором и эмиттером транзистора рассчитываемого каскада в режиме покоя; Uобсл и Iобсл — напряжение смещения и ток покоя цепи базы транзистора следующего каскада.

Коэффициент усиления тока каскада с потенциометрической связью

В этой формуле h21э — статический коэффициент передачи тока транзистора вычисляемого каскада, а Rвх тр сл. — входное сопротивление транзистора следующего каскада по схеме с общим эмиттером. Стабилизация режимов работы транзисторов УПТ с потенциометрической связью обеспечивается глубокой отрицательной обратной связью. Данный метод позволяет выполнить согласование режимов каскадов усилителя, как по постоянному, так и переменному току. Однако введение во входную цепь усилителя и между его каскадами дополнительных усилителей напряжения снижает суммарный коэффициент усиления устройства.

Недостатком рассмотренных усилителей постоянного тока является дрейф нуля, т.е. нестабильность нулевого значения выходного сигнала в отсутствии сигнала на входе.

2.8.2. Способы уменьшения дрейфа нуля в УПТ с гальванической связью

Основными причинами дрейфа нуля являются изменения параметров усилительных элементов и других радиокомпонентов из-за изменения температур в результате их старения, а также при изменении напряжения питания схемы. Из-за этих факторов происходят изменения напряжений на электродах, эти изменения усиливаются и поступают на выход.

В результате при отсутствии напряжения сигнала на входе усилителя на его выходе появляется напряжение, включающее медленно изменяющуюся постоянную составляющую Uдр.п и беспорядочные отклонения от нее колебания напряжения дрейфа Uдр.п. Постоянная составляющая напряжения обусловлена нагревом усилительных элементов при работе усилителя, их старением. Колебания напряжения дрейфа Uдр.к. от его среднего значения определяют-

211

ся колебаниями напряжения питания и шумами. В УПТ дрейф нуля

— очень вредное явление в связи с тем, что он неразличим от усиливаемого полезного сигнала, искажает его и может недопустимо изменить режим работы усилителя.

При разработке УПТ необходимо определение допустимой величины дрейфа. Для определения величины дрейфа накоротко замыкают вход усилителя и измеряют изменение выходного напряжения за выбранный промежуток времени. Для неискаженного усиления приведенные ко входу ток или напряжение дрейфа должны быть меньше минимального расчетного тока или напряжения входного сигнала, при этом допустимая нестабильность определяется по первому каскаду, в котором сигнал входа минимален.

Экспериментально установлено, что изменение температуры переходов транзисторов на 100С из-за его прогрева или изменения температуры окружающей среды в обычном резисторном каскаде вызывает ко входу транзистора напряжения дрейфа порядка 20мВ, дрейф такого же порядка вызывается и изменением напряжения источника питания каскада на 1-2В. В ламповых УПТ дрейф нуля определяется изменением напряжений источника анодного питания, изменение его на 10% вызывает приведенное ко входной цепи каскада напряжение дрейфа порядка 0,1-0,2В, такой же порядок имеет напряжение дрейфа при изменении напряжения накала ламп с оксидным катодом на 10-15%.

Абсолютное значение дрейфа нуля для каждого каскада можно определить согласно схеме (рис. 2.88), где дрейф каждого каскада представлен в виде эквивалентной ЭДС, действующей на входе идеального усилителя с коэффициентом усиления Ki. Эту ЭДС обычно называют приведенным дрейфом.

Рис 2.88

Под приведенным дрейфом нуля усилителя (каскада) понимают такое эквивалентное напряжение, действующее на его входе, как и действие внешних дестабилизирующих факторов.

Величину приведенного дрейфа одиночного каскада можно определить следующим образом:

212