Режим покоя для УПТ выбирается точно так же, как и для рассмотренных ранее каскадов, только резистор Rэ(в цепи эмиттера транзистора) не шунтируется емкостью (Сэ), так как усилитель должен усиливать частоты, начиная отf = 0. Для связи каскадов между собой и с нагрузкой в УПТ не могут использоваться реактивные элементы, поскольку они не передают постоянной составляющей. Поэтому в УПТ применяютгальваническую связь. Такая связь состоит из элементов, проводящих постоянный ток. В связи с этим в УПТ возникают существенные трудности, которых нет в усилителях переменного тока:
1. Выход (коллектор) предыдущего каскада, имеющий достаточно высокий потенциал (до 10 В и более), должен быть соединен по постоянному току с входом (базой) следующего каскада, имеющим значительно меньший потенциал (менее 1 В). При этом должен обеспечиваться нормальный режим предыдущего и последующего каскадов по постоянному току, т.е. должен сохраняться выбранный режим покоя в каждом каскаде.
Таким образом, возникает проблема согласования уровней потенциалов при межкаскадных соединениях. Часто используют выражение “согласование потенциалов”.
2. Вследствие гальванической связи (при согласованных уровнях потенциалов) все изменения в режиме покоя (режиме по постоянному току) в предыдущих каскадах передаются и усиливаются последующими каскадами. Этот процесс приводит к тому, что при отсутствии входного сигнала (U1 = 0) на выходе усилителя появляется выходное напряжение (U2 0), не отличимое от усиленного входного сигнала (на выходе появляется как бы ложный сигнал). Такое выходное напряжение называют дрейфом нуля –Uдр. Появляется проблема дрейфа нуля, которая существенно усложняет задачу создания стабильного УПТ.
4.1.1. Согласование уровней потенциалов при межкаскадной связи
Согласование потенциала выхода предыдущего каскада с потенциалом входа последующего каскада может быть получено двумя способами:
1. Понижением уровня потенциала выхода предыдущего каскада (коллектора VТ1)UкэА1на рис. 4.2 до уровня потенциала входа последующего каскада (базыVТ2)UбэА2. В качестве источника напряжения используются батарея, стабилитрон (для дискретных УПТ), но чаще – падение напряжения на сопротивленииRсмот протекающего по нему тока Iсм(для дискретных и микроэлектронных УПТ), как показано на рис. 4.2. Нужная величина напряжения сдвига внизUсмнаходится как разность потенциалов в режиме покоя:
Uсм= UкэА1 UбэА2. (4.1)
Пусть, например, UкэА1 = +6 В,UбэА2 = +1 В. ТогдаUсм= 6 – 1 = +5 В.
Для уменьшения тока нагрузки (увеличения сопротивления нагрузки и коэффициента усиления по напряжению KU) предыдущего каскада часто между выходом предыдущего каскада и входом последующего каскада включается эмиттерный повторитель (VТ3 на рис. 4.2). В этом случае, ток базыIбз, вытекающий из выходной цепи (коллектора)VТ1и являющийся током нагрузки, в (1+ 3) раз меньше токаIэАЗ– тока смещения. Сопротивление нагрузки для каскадаVТ1при этом увеличивается в (1 +3) раз. При этом вUсмвходит и напряжениеUбэА3:
Uсм= UбэА3+ IсмRсм. (4.2)
Часто величина тока смещения Iсмстабилизируется специальным стабилизатором тока. На рис. 4.2 такой стабилизатор представлен генератором токаIсм. Этот способ часто применяется в микроэлектронных усилителях. Потенциал может быть сдвинут вниз (понижен) до нуля или даже более (т.е. потенциал входа последующего каскада может иметь другую полярность). Разумеется, часть полезного сигнала теряется в цепи связи.
2. Повышением потенциала входа последующего каскада (базыVТ2) Uбна рис.4.3,а до уровня потенциала выхода предыдущего каскада (коллектораVТ1)UкэА1. Такой способ называют“сдвигом вверх”. Для этого в цепь эмиттера (эмиттеров) последующего каскада (VТ2) включают сопротивление (Rэ) необходимой величины (для всех УПТ), как показано на рис.4.3,а, или стабилитрон (для дискретных УПТ). Величина необходимого сдвига вверх определяется разностью:
Uсм=IсмRэ=UкэА1–UбэА2. (4.3)
На сопротивлении Rэобразуется отрицательная обратная связь (ООС) для полезного сигнала, уменьшающая величину коэффициента усиления по напряжениюKU. При этом также уменьшается напряжение питания второго каскадаЕ'п на величинуUсмпо сравнению сЕп.
Для уменьшения ООС вместо одного транзистора во втором каскаде включают два эмиттерно-связанных транзистора VТ2 иVТ3 одного типа, как показано на рис.4.3,б. Здесь транзисторVТ2 играет ту же роль, что и на рис.4.3,а, а транзисторVТ3 устраняет ООС. Ток
Iэ=IэА2+IэА3 (4.4)
и почти не меняется при усилении сигнала, т.е. потенциал связанных эмиттеров, равный IэRэ, остается постоянным. Это объясняется тем, что увеличение токаIэ2на величинуIэ2 вызывает увеличение потенциала эмиттеровUэ = Iэ2 Rэ, что при фиксированном потенциале базыVТ3обуславливает уменьшение напряженияUбэ3 на такую же величину и, как следствие, уменьшение токаIэ3 на величинуIэ2 Iэ3 .
В результате ток Iэи потенциал эмиттера остаются неизменными, т.е. устраняется ООС. На рис.4.2, 4.3 не указаны цепи согласования потенциалов входа первого каскада (базыVТ1) с источником сигнала и выхода второго каскада (коллектораVТ2) с нагрузкой, которые тоже должны быть.