5. Підсилювачі постійного струму

5.1. Загальні відомості

Підсилювачами постійного струму (УПТ) називаються пристрої, призначені для посилення сигналів, що поволі змінюються, аж до нульової частоти. На малюнку 5.1 приведена АЧХ УПТ.

Для здійснення передачі сигналів частот, близьких до нуля, в УПТ використовується безпосередній (гальванічна) зв'язок між каскадами. Проте такий зв'язок приводить до необхідності вирішення специфічних завдань:

 узгодження потенційних рівнів в сусідніх каскадах;

 зменшення дрейфу (нестабільності) вихідного рівня напруги або струму.

5.2. Способи побудови упт

Основна проблема, з якою стикаються розробники УПТ, є дрейф нуля. Дрейфом нуля (нульового рівня) називається мимовільне відхилення напруги або струму на виході УПТ від початкового значення. Оскільки дрейф нуля спостерігається і за відсутності сигналу на вході на вході УПТ, то його неможливо відрізнити від дійсного сигналу.

До фізичних причин, що викликають дрейф нуля в УПТ, відносяться:

 нестабільність джерел живлення;

 тимчасова нестабільність ("старіння") параметрів транзисторів і резисторів;

 температурна нестабільність параметрів транзисторів і резисторів;

 низькочастотні шуми;

 перешкоди і наведення.

Найбільшу нестабільність вносить температурний чинник. Положення посилюється наявністю гальванічного зв'язку між каскадами, добре передавальною повільні зміни сигналу, що приводить до ефекту того, що каскадує температурних нестабильностей каскадів від входу до виходу.

Оскільки температурні зміни параметрів підсилювальних елементів мають закономірний характер (див. підрозділи 2.2 і 2.10), то вони можуть в деякій мірі компенсуватися тими ж методами, що і в підсилювачах гармонійних сигналів.

Абсолютним дрейфом нуля називається максимальне мимовільне відхилення вихідної напруги УПТ при замкнутому вході за певний проміжок часу. Якість УПТ оцінюють по напрузі дрейфу нуля, приведеного до входу підсилювача:

.

Приведений до входу дрейф нуля еквівалентний помилковому вхідному сигналу, він обмежує мінімальний вхідний сигнал, тобто визначає чутливість УПТ.

З метою зниження дрейфу нуля в УПТ використовуються:

 глибокі ООС;

 термокомпенсирующие елементи;

 перетворення постійного струму в змінний, його посилення і подальше детектування;

 будування УПТ за балансною схемою.

УПТ прямого посилення, по суті, є звичайними багатокаскадними підсилювачами з безпосереднім зв'язком. Як УПТ може використовуватися підсилювач, схема якого приведена на малюнку 3.4.

У цьому підсилювачі резистори

У багатокаскадних УПТ прямого посилення може відбуватися часткова компенсація дрейфу нуля. Так, позитивний приріст струму колектора першого транзистора викличе негативний приріст струму бази і, отже, струму колектора другого транзистора. На практиці повна компенсація дрейфу нуля не досяжна навіть для однієї температурної крапки, проте, в УПТ з парним числом каскадів спостерігається його зниження.

У зв'язку з тим, що даний УПТ має однополярное живлення, на його вході і виході присутній деякий постійний потенціал, що не дозволяє підключати низькоомні джерело сигналу і навантаження безпосередньо між ними і загальним дротом. В цьому випадку використовується мостова схема з включенням і у діагоналі вхідного і вихідного мостів (малюнок 5.2).

Для розрахунку частотних і тимчасових характеристик УПТ з прямим посиленням можна використовувати матеріали підрозділів 2.5 і 3.3, а також підрозділу 2.9 у разі побудови УПТ на ПТ.

Для цілей узгодження потенціалів використовують транзистори різної провідності, для кращої температурної компенсації застосовують діоди і стабілітрони. Застосування двохполярного джерела живлення дозволяє безпосередньо підключати джерело сигналу і навантаження до УПТ, оскільки в цьому випадку забезпечені нульові потенціали на його вході і виході. Вказані заходи реалізовані в схемі УПТ, приведеній на малюнку 5.3.

УПТ з прямим посиленням на основі безпосереднього зв'язку між каскадами і глибокими ООС дозволяють отримати при порядка десятки милливольт. У таких УПТ виникає проблема усунення паразитної ОС по ланцюгах живлення, бо не представляється можливим застосування звичайних фільтрів.

УПТ прямого посилення мають великий температурний дрейф ( складає одиниці милливольт на градус). Окрім температурного дрейфу в таких УПТ істотний вплив роблять часовий дрейф, нестабільність джерел живлення і низькочастотні шуми.

Відмічені недоліки значною мірою долаються в УПТ з перетворенням (модуляцією) сигналу. На малюнку 5.4 приведена структурна схема УПТ з перетворенням постійного струму в змінний і даны епюри напруги, що пояснюють принцип його роботи.

Вхідний сигнал постійної напруги перетвориться в пропорційний йому сигнал змінної напруги за допомогою модулятора М, потім посилюється звичайним підсилювачем гармонійних сигналів У, а потім демодулятором ДМ перетвориться в сигнал постійної напруги . Оскільки в підсилювачах змінного струму дрейф нуля не передається від каскаду до каскаду (із-за наявності розділових ємкостей між каскадами), то в даному УПТ реалізується мінімальний дрейф нуля.

Як модулятор можна використовувати керовані ключові схеми, виконані зазвичай на ПТ. Простим демодулятором є звичайний двонапівперіодний випрямляч з фільтром на виході. Слід відмітити, що існує велике різноманіття схемних вирішень як модуляторів, так і демодуляторів, розгляд яких не дозволяє обмежений об'єм даної допомоги.

Як недоліки УПТ з перетворенням сигналу слід віднести проблему реалізації модуляторів малого рівня вхідного сигналу і підвищену складність схеми.

Досягти істотного поліпшення електричних, експлуатаційних і массогабаритных показників УПТ можна за рахунок їх побудови на основі балансних схем.