12.6. Схемотехника усилителей постоянного тока

Усилитель постоянного тока (УПТ) – это усилитель, обеспечивающий заданный коэффициент усиления в диапазоне частот от нуля до верхней граничной частоты (рис. 12.80).
	Рис. 12.80

Таким образом, УПТ усиливает как переменную, так и постоянную составляющие сигнала. Он предназначен для усиления медленно изменяющихся сигналов или сигналов, которые после некоторого изменения остаются постоянными сколь угодно долгое время.

По схеме и принципу действия различают два основных типа УПТ: УПТ без преобразования сигнала или УПТ прямого усиления и УПТ с преобразованием сигнала, т.е. с модулятором и демодулятором (МДМ).

Структурная схема УПТ прямого усиления не отличается от структурной схемы усилителя переменного тока (рис. 12.28). Но при усилении сигналов с частотами, близкими к нулю, ни емкостные, ни трансформаторные связи между каскадами усиления не состоянии обеспечить удовлетворительную передачу усиливаемого сигнала от одного каскада к другому. Более того, на нулевой частоте через межкаскадные конденсаторы и трансформаторы в принципе не может проходить усиливаемый сигнал. По этой причине в УПТ прямого усиления для соединения каскадов используется гальваническая межкаскадная связь.

Так как УПТ прямого усиления не содержат разделительных и блокировочных конденсаторов большой ёмкости, дросселей и трансформаторов, то их габаритные размеры могут быть сделаны очень малыми, и они оказываются очень удобными для микроминиатюризации. Именно поэтому интегральные схемы усилителей обычно выполняются как усилители постоянного тока.

Простейшим вариантом схемы гальванической межкаскадной связи является схема непосредственной связи, когда напряжение сигнала, усиленное предыдущим каскадом, непосредственно поступает в его выхода на вход следующего каскада или нагрузку. Однако практически осуществить такой способ связи далеко непросто, так как в этом случае на вход каскада с выхода предыдущего каскада поступает кроме сигнала также и напряжение питания выходной цепи, которое необходимо компенсировать. В схеме трехкаскадного УПТ с непосредственными связями, приведенной на рис. 12.81, для создания между базой и эмиттером второго транзистора напряжения смещения, требуемого для получения нужного тока коллектора, падение напряжения на резистореберут больше падения напряжениянана величину разности напряжений коллектор эмиттер первогои база-эмиттер второго транзисторов:.

Рис. 12.81

Аналогичные рассуждения можно провести и для следующей связи между вторым и третьим транзисторами. В результате получим ,. При уменьшениипадает коэффициент усиления каскада по напряжению. Резисторыосуществляют стабилизацию точек покоя транзисторов. Эти же резисторы создают в каждом каскаде местную отрицательную обратную связь по току. При увеличениивозрастает глубина отрицательной обратной связи, что также приводит к уменьшению коэффициента усиления. Таким образом, коэффициент усиления каждого последующего каскада уменьшается по сравнению с коэффициентом усиления предыдущего каскада. Поэтому проектирование усилителя такого типа с числом каскадов более трех оказывается нецелесообразным.

В отсутствие сигнала на входе УПТ на его выходе должна отсутствовать не только переменная, но и постоянная составляющая напряжения. В рассматриваемой схеме это достигается введением делителя , который компенсирует постоянную составляющую напряжения, поступающую на нагрузку усилителя с коллектора третьего транзистора. Делитель напряжениякомпенсирует падение напряжения, поступающее на источник сигнала с резистора, и сохраняет смещение на входе первого транзистора неизменным при включении и выключении источника сигнала.

Режим работы транзистора в каскаде такого усилителя выбирается, как в обычном резисторном каскаде. Коэффициент усиления, частотные характеристики в области верхних частот и переходную характеристику в области малых времен для каждого каскада рассчитывают с учетом обратной связи, вносимой резистором .

Недостатком такой схемы УПТ является отсутствие общего провода между входной и выходной цепями.

Свойство УПТ усиливать сигналы сколь угодно малой частоты приводит к возникновению явления, называемого дрейфом нуля. Абсолютный дрейф нуля - это максимальное отклонение выходного напряжения от своего первоначального значения за определенный промежуток времени при замкнутом входе.

Дрейф нуля обусловлен самопроизвольным изменением во времени напряжений источников питания и смещения, а также нестабильностью параметров усилительных элементов при изменении температуры окружающей среды. Указанные факторы вызывают изменение положения точки покоя усилительных элементов, а эти изменения вследствие использования в УПТ прямого усиления гальванической межкаскадной связи усиливаются последующими каскадами и поступают на выход.

В результате при отсутствии напряжения сигнала на входе УПТ на его выходе появляется напряжение Uвых др(рис. 12.82), имеющее как медленно изменяющуюся статическуюUвых др стсоставляющую, так и беспорядочные отклонения от нее – динамическую составляющую напряжения дрейфаUвых др дин.
	Рис. 12.82

Статическая составляющая в основном обусловлена нагревом усилительных элементов и деталей схемы после включения усилителя и их старением, а также медленным уходом напряжения питания от номинального значения.

Динамическая составляющая дрейфа в основном определяется колебаниями напряжения источников питания и собственными шумами усилительных элементов.

Для УПТ дрейф нуля представляет собой очень вредное явление, так как он не отличим от усиливаемых сигналов, искажает их и может недопустимо изменить режим работы усилительных элементов.

Абсолютный дрейф нуля, приведенный к входу , называется относительным дрейфом нуля. Величинаограничивает минимальный входной сигнал, посколькудолжно быть больше, и характеризует чувствительность УПТ.

Оценим влияние дрейфа отдельных каскадов на результирующую величину дрейфа многокаскадного УПТ. Пусть, например, на входе каждого каскада трехкаскадного УПТ действует источник дрейфа ,,. Тогда абсолютный дрейф УПТ, каждый каскад которого инвертирует фазу входного сигнала и имеет коэффициент усиления,соответственно, равен

.

Приведенный к входу дрейф УПТ

.

Из последнего выражения следует, что при проектировании многокаскадных УПТ для уменьшения дрейфа целесообразно использовать четное число каскадов, так как при этом происходит частичная компенсация составляющих дрейфа.

В качестве примера реализации УПТ в интегральном исполнении можно привести интегральную микросхему типа К237УС1, которая представляет собой четырехкаскадный УПТ с непосредственной связью, охваченный параллельной обратной связью по постоянному напряжению. Коэффициент усиления по напряжению в такой схеме составляет 8000 … 15000.

Из этого же выражения следует, что наибольшее влияние на величину дрейфа всего УПТ оказывает дрейф первого (входного) каскада, к которому в связи с этим предъявляются наиболее высокие требования по его стабильности.

При проектировании УПТ с малым уровнем дрейфа часто в качестве входного используют дифференциальный каскад.

Дифференциальным каскадом, структурная схема которого приведена на рис. 12.83, называется каскад, имеющий два входных вывода, симметричных относительно общего провода.
	Рис. 12.83

К входной цепи такого каскада можно подключить либо симметричный источник сигнала, либо один или два несимметричных источника сигнала. В последнем случае дифференциальный каскад будет усиливать разность напряжений подведенных к нему двух источников сигнала. По этой причине он и получил название дифференциального. Дифференциальные каскады (ДК) могут иметь как несимметричный, так и симметричный выходы.

Схема ДК (рис. 12.84) отличается от приведенной ранее схемы фазоинверсного каскада (рис. 12.73) лишь тем, что имеет два входа, симметричных относительно общего провода схемы. Простейший ДК состоит из двух типовых каскадов с общим эмиттером, эмиттеры которых объединены и имеют общий резистор .
	Рис. 12.84

Входные напряжения подаются на базы транзисторов, а выходное снимается с их коллекторов. При подаче на входы каскада напряжений ивыходное напряжение в общем случае определяется выражением

,

где - дифференциальная составляющая входного сигнала, а- синфазная составляющая входного сигнала;- коэффициент усиления дифференциального сигнала, определяемый при условии, для чего на входы каскада подаются одинаковые по величине, но разные по полярности напряжения;- коэффициент усиления синфазного сигнала, определяемый при условии, для чего на входы каскада подаются одинаковые по величине и полярности напряжения.

Синфазный сигнал представляет собой различные помехи и наводки, действующие одновременно на обоих входах каскада. Поэтому при построении каскада необходимо обеспечивать условие .

Если схема полностью симметрична, т.е. , а параметры транзисторов каскада полностью идентичны, то притранзисторы работают в одинаковом режиме. Их коллекторные токи и напряжения равны. Так как выходное напряжение определяется разностью коллекторных напряжений, то их равенство означает, что. Изменения питающего напряжения или температуры окружающей среды, вызывающие дрейф выходного напряжения в обычном каскаде УПТ, для ДК можно представить как ЭДС, действующие синфазно на каждом из входов двух каскадов с общим эмиттером. Действие синфазных ЭДС приводит к одинаковому изменению коллекторных токов и напряжений в одну и ту же сторону, т.е.. Отсюда следует, что в этом случае ДК можно рассматривать как параллельное соединение двух транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером с отрицательной обратной связью по току, создаваемой резистором. Тогда коэффициент передачи синфазного сигнала на один из выходов, характеризующий изменение коллекторного напряженияпри действии входного синфазного сигнала:. Полагая, что, будем иметь, откуда найдем изменение коллекторного напряжения каждого транзистора при действии входного синфазного сигнала

. (12.38)

В полностью симметричном ДК не влияет на дрейф выходного напряжения, так как.

В реальной схеме ДК невозможно обеспечить полную симметрию, поэтому приращения ине будут одинаковыми. В результате на входе схемы появится напряжение дрейфа, зависящее оти. Как следует из выражения (12.38), для получения малых приращений коллекторного напряжения необходимо увеличивать сопротивление резистора, что возможно только до некоторого предела, определяемого минимальным током транзисторов каскада. Поэтому в эмиттерную цепь ДК вместо резисторацелесообразно включить нелинейный элемент, обладающий большим сопротивлением по переменному току (для создания глубокой отрицательной обратной связи) и малым сопротивлением по постоянному току (для обеспечения номинального режима работы транзисторов), называемый генератором или источником стабильного () тока. Наилучшим стабилизатором тока является транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером (рис. 12.85).

Рис. 12.85

Для увеличения выходного сопротивления транзистора VT3, используемого в качестве стабилизатора тока, в цепь его эмиттера вводят резисторс небольшим сопротивлением (сотни или тысячи ом), повышающий вследствие вносимой им отрицательной обратной связи по току выходное сопротивление стабилизирующего транзистора до нескольких сотен кОм, а в цепь базы вводят диодVD, осуществляющий температурную компенсацию.

ДК в зависимости от способа подачи сигнала на его вход и способа снятия усиленного сигнала с выхода может быть использован различно. Так, сигнал на вход ДК можно подавать следующими тремя способами (рис. 12.85):

1-1) между точками 1и2– симметричный входной сигнал;

1-2) между точками 1и0– несимметричный входной сигнал;

1-3) между точками 0и2– несимметричный входной сигнал.

Сигнал с выхода каскада также можно снимать тремя способами:

2-1) между точками 3и4– симметричный выходной сигнал;

2-2) между точками 3и0– несимметричный выходной сигнал;

2-3) между точками 0и4– несимметричный выходной сигнал.

Свойства ДК сильно зависят от способов подачи и снятия сигнала.

Наилучшие свойства каскад имеет в случае подачи симметричного входного сигнала (способ 1-1). У идеально симметричного каскада в этом случае полностью отсутствует дрейф нуля, и он полностью подавляет синфазные сигналы. Однако в действительности вследствие неодинаковости компонентов в плечах каскада, нарушающей симметрию плеч схемы, подавление дрейфа оказывается неполным. При интегральном выполнении каскада на одной полупроводниковой пластине можно добиться уменьшения дрейфа по сравнению с обычным резисторным каскадом в несколько сотен раз и получить коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) свыше 1000 (более 60 дБ). Коэффициентом ослабления синфазного сигнала называется отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала: . Коэффициент усиления ДК в этом случае равен коэффициенту усиления обычного резисторного каскада и определяется по тем же самым формулам. Постоянная составляющая между входами1и2, так же как и между выходами3и4, отсутствует. Частотные и переходная характеристики его на высоких частотах и в области малых времен такие же, как у обычного резисторного каскада.

Однако как источник сигнала, так и нагрузка далеко не всегда симметричны. На практике часто приходится подавать на вход ДК несимметричный сигнал по способу 1-2 или 1-3, а также снимать усиленный сигнал несимметрично по способу 2-2 или 2-3. В этих случаях свойства ДК ухудшаются. При подаче входного сигнала по способам 1-2 или 1-3 между входными зажимами имеется большая постоянная составляющая напряжения, которую необходимо компенсировать. Для компенсации этой постоянной составляющей питание ДК осуществляют от источника питания со средней точкой, соединяемой с точкой 0. При работе ДК на следующий обычный каскад с несимметричным входом усиленный сигнал с выхода ДК снимают по способу 2-2 или 2-3. В этом случае между выходными зажимами ДК присутствует большая постоянная составляющая, коэффициент усиления каскада оказывается вдвое меньше, а компенсация дрейфа и подавление синфазных сигналов ослабляются.

При работе ДК от источника сигнала с большим внутренним сопротивлением возникает проблема повышения входного сопротивления ДК. Для повышения входного сопротивления ДК в эмиттерные цепи транзисторов включают резисторы (на рис. 12.85 они показаны пунктиром), позволяющие искусственно увеличить сопротивление. Кроме того, с их помощью можно несколько улучшить симметрию каскада.

Повысить входное сопротивление ДК можно путем использования в плечах каскада составных транзисторов. Однако в ДК с составными транзисторами увеличивается асимметрия схемы, так как сказывается разброс параметров уже не двух, а четырех транзисторов и, как следствие, возрастает дрейф в ДК с симметричным выходом.

В схемах ДК могут быть использованы полевые транзисторы. Такие схемы строятся аналогично схемам на биполярных транзисторах. Основным достоинством ДК на полевых транзисторах является высокое входное сопротивление (сотни кОм). Однако схемы на полевых транзисторах имеют меньшие значения коэффициента усиления и коэффициента подавления синфазного сигналапо сравнению с ДК на биполярных транзисторах.

Из сказанного выше видно, что характерной особенностью и недостатком УПТ прямого усиления является неустойчивость выходного напряжения (тока), называемая дрейфом нуля. Вследствие значительной величины дрейфа УПТ прямого усиления с высокой чувствительностью в ряде случаев трудно выполнимы и неудобны в эксплуатационном отношении, так как они способны удовлетворительно работать лишь в течение небольшого промежутка времени. Кроме того, УПТ прямого усиления предъявляют жесткие требования к стабильности питающих напряжений и температуры окружающей среды. Применение компенсационных и балансных схем и стабилизации источников питания позволяют снизить приведенный к входу дрейф УПТ прямого усиления до сотен, в лучшем случае до десятков микровольт в час. Поэтому для усиления сигналов с напряжением ниже сотен микровольт УПТ прямого усиления непригодны. Для усиления таких сигналов применяют УПТ с преобразованием частоты.

В таких усилителях входной сигнал низкой частоты преобразуется в пропорциональный ему сигнал высокой частоты, усиливается с помощью усилителя переменного тока, а затем снова преобразуется в сигнал низкой частоты. При этом дрейф будет меньше, чем в УПТ прямого усиления с непосредственными связями, так как в данном случае дрейф не передается от каскада к каскаду. Структурная схема УПТ с преобразованием и временная диаграмма, поясняющая принцип его работы, приведены на рис. 12.86.

Рис. 12.86

В этой схеме входной сигнал поступает на один вход амплитудного модулятораМ, на второй вход которого подается напряжение несущей с генератора несущейГН. Следует отметить, что для неискаженного усиления сигналов с помощью такого метода частота несущей должна быть в 5-10 раз больше верхней частоты спектра усиливаемого сигнала. Модулированное по амплитуде напряжение с выхода модулятора поступает на вход усилителя переменного токаУС. Усиленное напряжение подается на один вход демодулятораДМ, на второй вход которого поступает напряжение несущей с выхода генератора несущейГН. С выхода демодулятора ДМ снимается выходное напряжение низкой частоты.

Источником дрейфа в УПТ с преобразованием в основном является модулятор. Простейший модулятор представляет собой трансформатор, концы входной обмотки которого попеременно подключаются к источнику входного сигнала с помощью ключевых элементов. Ключевые элементы управляются сигналом с выхода генератора несущейГН и могут быть механическими, диодными и транзисторными. Схема простейшего трансформаторного модулятора с транзисторными ключами изображена на рис. 12.87.

	В этой схеме сигнал несущей создает в базах транзисторов противофазные напряжения, обеспечивающие противоположные состояния транзисторов (открыт - закрыт) в каждом полупериоде.
Рис. 12.87

Источниками дрейфа уровней переменного сигнала в рассматриваемой схеме являются обратный ток закрытого транзистора и остаточное напряжение открытого транзистора.

В качестве усилителя переменного тока, являющегося нагрузкой модулятора, обычно используется операционный усилитель в интегральном исполнении, на входе и выходе которого включаются разделительные конденсаторы большой емкости, обеспечивающие отсутствие постоянной составляющей и дрейфа на выходе усилителя. Усилитель переменного тока не пропускает также низкочастотных шумов, которые в некоторых случаях оказывают более сильное влияние на полезный сигнал, чем температурный дрейф.

Простейший демодулятор представляет собой транзисторный ключ (прерыватель тока), подключаемый к выходу усилителя переменного тока. Отпирание и запирание ключа определяется сигналом с выхода генератора несущейГН. После ключа обычно ставится сглаживающий фильтр.

В настоящее время получили распространение интегральные УПТ с преобразованием (МДМ - усилители), выполненные на одном кристалле. Примером такого МДМ – усилителя является микросхема типа К140УД13 на МДП-транзисторах с индуцированным p-каналом. Микросхема включает в себя бестрансформаторный модулятор, усилитель переменного тока, демодулятор и внутренний генератор прямоугольных импульсов. Разделительный конденсатор на выходе усилителя переменного тока и элементы сглаживающего фильтра являются навесными компонентами, подключаемыми к соответствующим выводам микросхемы.