Лекция 11 усилители постоянного тока
11.1. Общие сведения об упт
Усилителями постоянного тока (УПТ) называются устройства, предназначенные для усиления постоянных и медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты. На рис. 11.1 приведена АЧХ УПТ.
Рис. 11.1. АЧХ УПТ.
Для того чтобы постоянные и медленно изменяющиеся сигналы могли быть переданы с входа УПТ на его выход, должна использоваться только непосредственная (гальваническая) связь между каскадами или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные. Полученные переменные сигналы могут быть усилены с помощью усилителей переменного тока, в которых гальванические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов. После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся.
Основная проблема, с которой сталкиваются разработчики при построении УПТ с использованием гальванической связи между каскадами, является дрейф нуля.
Под дрейфом нуля (нулевого уровня) понимают самопроизвольное отклонение напряжения на выходе УПТ от начального значения при неизменном нулевом входном. Поскольку дрейф нуля наблюдается и при отсутствии сигнала на входе УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала.
К физическим причинам, вызывающим дрейф нуля в УПТ, относятся:
нестабильность параметров элементов схемы, прежде всего транзисторов и резисторов, вызванная изменением температуры окружающей среды;
нестабильность источников питания;
временная нестабильность параметров элементов схемы (транзисторов и резисторов), вызванная их старением;
низкочастотные шумы;
помехи и наводки.
Наибольшую нестабильность вносит температурный фактор. Положение усугубляется наличием гальванической связи между каскадами, хорошо передающей медленные изменения сигнала, что приводит к эффекту каскадирования температурных нестабильностей каскадов от входа к выходу.
Поскольку температурные изменения параметров усилительных элементов имеют закономерный характер (см. подразд. 5.1 и 6.1), то они могут быть в некоторой степени скомпенсированы теми же методами, что и в усилителях гармонических сигналов.
Абсолютным дрейфом нуля ∆Uвых называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведенного к входу усилителя:
.
Приведенный к входу дрейф нуля эквивалентен ложному входному сигналу, он ограничивает минимальный входной сигнал, т.е. определяет чувствительность УПТ.
11.2. Способы построения упт
Использование непосредственной (гальванической) связи между каскадами приводит к необходимости решения в УПТ ряда специфических задач.
Для исключения влияния режимов работы отдельных каскадов по постоянному току друг на друга при построении УПТ должна быть решена задача согласования потенциальных уровней в соседних каскадах,
Простейшие УПТ, состоящие из нескольких каскадов, включенных последовательно и соединенных гальванической (непосредственной) связью, даже при условии согласования потенциалов обладают рядом недостатков, главным из которых является дрейф нуля. Поэтому следующей задачей является уменьшение дрейфа (нестабильности) выходного уровня напряжения или тока.
Сигнал дрейфа нуля может быть соизмерим с полезным сигналом, поэтому при построении УПТ применяют меры по снижению дрейфа нуля. Основными мерами снижения дрейфа являются:
жесткая стабилизация источников питания усилителей;
использование глубоких ООС;
использование термокомпенсирующих элементов для компенсации температурного дрейфа;
преобразование постоянного тока в переменный, его усиление и последующее детектирование;
применение балансных компенсационных схем.
Важным вопросом при построении УПТ является согласование источника входного сигнала с УПТ, а также подключение нагрузки к УПТ таким образом, чтобы при нулевом входном напряжении напряжение на нагрузке было также равно нулю.
Таким образом, для устранения отмеченных выше недостатков УПТ строят в виде параллельно-балансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, в одно плечо которого включена нагрузка, а в другое – источник питания.