Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ПОПОВ ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ ТЕХНИКИ.pdf
Скачиваний:
942
Добавлен:
11.05.2015
Размер:
2.27 Mб
Скачать

Кирхгофа, равно падению напряжения на стабилитроне, переходе база-эмиттер транзистора VT2 и сопротивлении R6. Падение напряжения на R6 определяется постоянным током коллектора VT2. Следовательно, для того чтобы падение на переходе база-эмиттер VT2 находилось вблизи нуля, необходимо выбирать стабилитрон VD1 с напряжением стабилизации примерно равным разности между напряжением на коллекторе VT1 U0K1 и напряжением на резисторе R5. Сопротивление стабилитрона в рабочей точке по переменному току очень мало, поэтому потерь сигнала на нем практически не происходит. Однако ток стабилитрона в момент лавинного пробоя обладает заметной шумовой составляющей, что сильно повышает дрейф нуля усилителя.

Наименьший уровень дрейфа в УПТ прямого действия достигается в усилителях с непосредственной связью, выполненных на дифференциальных каскадах с питанием от стабилизированных источников. Дрейф нуля таких усилителей может опускаться до десятых долей милливольт в час.

6.3. Усилители постоянного тока с преобразованием

Для получения более высокой чувствительности усилители постоянного тока строят по принципу преобразования частоты. УПТ с преобразованием позволяют снизить дрейф нуля по сравнению с усилителями прямого действия еще на 2 - 3 порядка. С помощью таких усилителей усиливают сигналы с напряжением в единицы и даже десятые доли микровольт. Блок-схема такого усилителя приведена на рис. 6.5, а. Усиливаемый сигнал UВХ с постоянной составляющей (рис. 6.5, б) поступает на вход балансного модулятора БМ. В балансном модуляторе входной сигнал перемножается с сигналом гетеродина Г. С выхода БМ модулированный сигнал U1 подается на вход избирательного усилителя переменного тока и усиливается до необходимой величины. После усиления высокочастотный модулированный сигнал U2 детектируется в балансном демодуляторе. Благодаря использованию балансного модулятора и балансного детектора, управляемых одним и тем же напряжением гетеродина, удается сохранить на выходе фазу входного сигнала. Усиленный и продетектированный сигнал U3 поступает на фильтр низких частот, где устраняется высокочастотная составляющая, а затем в нагрузку.

220

 

 

 

 

 

 

 

 

 

БМ

 

 

БД

 

 

Все

усиление

в

UВХ

 

U1

U2

U3

RH

этой схеме осуществляет-

 

 

 

Г

 

а

ся на частоте гетеродина,

 

 

 

 

UВХ

 

 

 

 

поэтому дрейф нуля здесь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

определяется

 

только

 

 

 

 

 

б

дрейфом

балансного

мо-

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

дулятора.

Самым низким

U1

 

 

 

 

 

уровнем дрейфа обладает

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

в

механический

модулятор,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в качестве

которого

мо-

U2

 

 

 

 

 

жет использоваться

виб-

 

 

 

 

 

 

рационный

переключа-

 

 

 

 

t

г

тель ВП (рис. 6.6.). Для

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

качественно выполненно-

 

 

 

 

 

 

го вибрационного

моду-

U3

 

 

 

 

 

лятора дрейф нуля может

 

 

 

 

 

 

быть

снижен

до

единиц

 

 

 

 

t

д

нановольт в минуту [2]. В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

качестве

 

контактной

 

 

 

 

 

 

группы

 

вибрационного

 

 

 

 

 

 

преобразователя

могут

 

 

 

Рис. 6.5

 

использоваться

контакты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

поляризованного

реле.

Аналогичную

 

 

 

 

схему

и

 

конструкцию

имеет демо-

 

ВП

Тр

 

дулятор.

 

В

качестве

 

напряжения

 

 

 

гетеродина

используется

напряжение,

 

 

U1

 

питающее

реле (довольно

часто

это -

 

 

 

 

UВХ

 

 

напряжение питающей сети). Частота

 

 

 

 

 

 

 

питания реле выбирается в 5 - 10 раз

 

 

 

 

больше

 

наивысшей

частоты

 

 

Рис. 6.6

 

усиливаемого сигнала. Из-за меха-

 

 

 

 

нической

 

инерционности

якоря

эта

 

 

 

 

частота не превышает нескольких сотен герц (100 - 300 Гц). Кроме того, с ростом частоты растет потребляемая переключателем мощность, уменьшаются

221

срок его службы и надежность. Поэтому полоса пропускания усилителя с механическим преобразователем частоты ограничена частотами в 20 - 50 Гц.

Широко используемые кольцевые диодные и транзисторные модуляторы могут работать на значительно более высоких частотах. Соответственно полоса пропускания усилителей с преобразованием, использующих такие модуляторы, может превышать сотни килогерц. Однако при этом заметно возрастает дрейф нуля.

6.4.Реактивные усилители

Креактивным усилителям относят усилители, которые в качестве активного элемента используют переменную индуктивность или емкость, изменяющиеся под воздействием усиливаемого сигнала. По своему принципу действия реактивные усилители приближаются к усилителям постоянного тока с преобразованием. Изменяющаяся в соответствии с усиливаемым сигналом индуктивность или емкость включается в цепь мощного генератора высокой частоты и управляет величиной его тока. Таким образом, в цепи этого генератора начинает протекать переменный ток высокой частоты, амплитуда которого изменяется по закону усиливаемого сигнала. Теперь остается продетектировать этот мощный ток, отфильтровать высокочастотную составляющую и подать усиленный сигнал на нагрузку.

Примером реактивного усилителя может служить магнитный усилитель (рис. 6.7, а). Магнитный усилитель строится на броневом сердечнике из магнитного материала и имеет три обмотки. Две из них намотаны на центральном стержне и одна, состоящая из двух частей, на боковых стержнях сердечника. На центральном стержне расположены управляющая обмотка, на которую подается усиливаемый сигнал UВХ, и обмотка смещения, запитываемая напряжением Е0. В цепь третьей обмотки включены мощный высокочастотный генератор UГ

инагрузка, состоящая, как уже говорилось, из детектора, фильтра нижних частот и собственно нагрузки. Частота генератора, как и в случае балансного модулятора, выбирается в 5 - 10 раз выше верхней частоты усиливаемого сигнала.

222

На рис. 6.7, б приведен график зависимости индукции В в сердечнике от напряженности магнитного поля Н, позволяющий облегчить понимание принципа работы магнитного усилителя. Под воздействием тока, задаваемого напряжением Е0, рабочая точка выводится на середину нелинейного участка кривой намагничивания. Входной сигнал возбуждает ток в управляющей обмотке, под влиянием которого изменяется напряженность магнитного поля и соответственно изменяется магнитная индукция в сердечнике. Магнитная проницаемость сердечника µ пропорциональна скорости изменения магнитной индукции и определяется в каждой точке кривой производной dB/dH. Индуктивность катушки с магнитным сердечником непосредственно зависит от его магнитной проницаемости. Индуктивность и соответственно сопротивление для высоко-

 

 

 

частотного тока третьей об-

 

 

Н

мотки будут меняться по за-

 

 

кону

изменения

магнитной

 

 

 

 

 

 

проницаемости. Таким обра-

UВХ

 

Е0

зом, величина тока, возбуж-

 

даемого в третьей обмотке и

а

 

UГ

 

в нагрузке напряжением ге-

 

 

 

нератора UГ, будет меняться

 

B

dB/dH

по закону изменения магнит-

 

ной

проницаемости

сердеч-

 

dB/dH

 

 

 

 

ника, т.е. по закону измене-

 

 

 

ния

усиливаемого

сигнала.

 

 

 

Части третьей обмотки со-

 

 

 

единяются между собой та-

 

 

 

ким образом, чтобы их маг-

 

 

 

нитные потоки были направ-

 

H

H

лены друг за другом и рас-

 

 

пространялись

по

внешнему

б

t

 

контуру магнитного

сердеч-

 

ника (на рис. 6.7 обозначены

 

Рис. 6.7

 

 

 

пунктирными

стрелками).

Такое включение обмоток исключает попадание высокочастотных магнитных потоков в средний стержень сердечника (они в нем будут направлены навстречу друг другу). В результате исключается попадание высокочастотной состав-

223

ляющей во входную цепь усилителя. Расположение управляющей обмотки на центральном стержне позволяет устранить проникновение входного сигнала напрямую в выходную цепь. Магнитные потоки, возбуждаемые управляющей обмоткой в половинках выходной, направлены навстречу друг другу, и ЭДС, наводимые ими, компенсируются. Коэффициент усиления по мощности магнитного усилителя пропорционален отношению числа витков входной обмотки к числу витков выходной. Поэтому, увеличивая число витков управляющей обмотки, можно получить значительный коэффициент усиления (в 103 - 104 раз). С ростом числа витков растет индуктивность управляющей обмотки и соответственно сужается полоса усиливаемых частот.

Благодаря высокому коэффициенту усиления, высокой надежности при практически не ограниченном сроке службы, малому уровню собственных шумов, нечувствительности к ударам и вибрациям магнитные усилители находят широкое применение в различных регулирующих и управляющих системах, стабилизаторах тока и напряжения, устройствах автоматического регулирования. Магнитные усилители, собранные по двухтактной схеме, используются в качестве балансных модуляторов в схемах УПТ с преобразованием.

Принцип действия емкостного (диэлектрического) усилителя мало отли-

чается от принципа действия магнит-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ного. Простейшая схема такого уси-

 

LР

 

CР

лителя представлена на рис. 6.8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Входной сигнал UВХ через раздели- UВХ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VD

 

 

 

 

H

тельную индуктивность LР поступает

 

 

 

UГ

 

 

 

 

 

 

 

на варикап VD и своим напряжением

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6.8

меняет величину его емкости. Ток

 

высокочастотного источника пита-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ния, включенного через разделительный конденсатор СР последовательно с варикапом и нагрузкой, изменяется в соответствии с изменением емкостного сопротивления VD, т.е. с изменением усиливаемого сигнала. Разделительная индуктивность не пропускает ток высокочастотного генератора в источник сигнала. Разделительная емкость препятствует прямому прохождению входного сигнала в нагрузку. Как и в предыдущем усилителе, нагрузкой здесь являются детектор, фильтр нижних частот и потребитель усиленного сигнала. Область применения диэлектрических усилителей та же, что и у магнитных.

224