Заключение

В лекции были рассмотрены резонансные (избирательные) усилители. В таких усилителях нагрузкой УЭ в каскаде является колебательный контур, настроенный в резонанс на частоту усиливаемого сигнала. Принцип работы таких усилителей основан на явлении резонанса в колебательном контуре.

В полосовых (избирательных) усилителях нагрузкой УЭ в каскаде, как правило, является сложная избирательная система (многозвенный LC-фильтр, кварцевый фильтр (КФ), электромеханический фильтр (ЭМФ). Усилитель с КФ работает по принципу пьезоэффекта, а усилитель с ЭМФ – по принципу магнитострикционного эффекта.

Лекция №8 усилители постоянного тока и дифференциальный усилительный каскад

Этой лекцией начинается изучение нового типа усилителей – усилителей постоянного тока (УПТ), которые могут усиливать сигналы практически любой частоты. Такие усилители нашли широкое применение как в профессиональной технике, так и в бытовой. Простейшим УПТ является усилитель с непосредственными связями между каскадами, однако ему свойственны существенные недостатки, которые устраняются в дифференциальном усилительном каскаде (ДУК).

Вопрос №1 Общие сведения об упт. Однотактные (прямого усиления) упт

Определение. Усилителем постоянного тока (УПТ) называется усилитель медленно меняющихся входных напряжений или токов, граничная частота которых равна нулю.

Другими словами, УПТ могут усиливать сигналы, нижняя частота которых f_Н= 0, а верхняя рабочая частота f_В определяется назначением усилителями и граничной частотой работы усилительного элемента (УЭ). Частотная и амплитудная характеристики представлены на рисунке 8.1.

К U_ВЫХ

0 U_ВХ

0 f_В f

а) б)

Рис.8.1. Характеристики УПТ

а) частотная; б) амплитудная

В УПТ отсутствуют реактивные элементы (индуктивности, емкости). При этом УПТ может усиливать как переменную, так и постоянную составляющие сигнала.

УПТ нашли широкое применение в бытовой и профессиональной аппаратуре, например, в:

– измерительной технике (осциллографы, генераторы разверток, вольтметры др.);

– системах автоматической регулировки усиления (АРУ) радиоприемных устройств (РПУ);

– функциональных узлах электроннных вычислительных машин (ЭВМ);

– схемах сдвига уровня напряжения различного назначения;

– системах электропитания (стабилизаты напряжения и тока);

– управляющих, следящих, регулирующих системах;

– важнейших элементах современных аналоговых микросхем.

УПТ с непосредственной связью

Для того чтобы усилитель мог усиливать очень медленные электрические колебания в УПТ прямого усиления связь между УЭ и их нагрузкой осуществляется посредством элементов, обладающих проводимостью для очень медленных изменений тока и имеющих сопротивление, не зависящее от частоты. Такими элеменами связи могут быть, например, проводники, резисторы. Конденсаторы, трансформаторы, дроссели в цепях межкаскадной связи УПТ применять нельзя.

Простейшим вариантом схемы УПТ с непосредственной связью является схема, в которой усиленное напряжение сигнала с выхода предыдущего усилительного элемента (УЭ) поступает непосредственно на вход следующего УЭ или нагрузки. Однако на практике следует учитывать, что в этом случае на вход УЭ или нагрузки кроме сигнала поступает также и напряжение питания, которое необходимо компенсировать.

Ниже приведена схема УПТ с непосредственной связью, где такая компенсация реализована (рис.8.2).

Для компенсации напряжения питания и создания между базой и эмиттером второго и третьего транзисторов напряжения смещения, требуемого для получения необходимого тока коллектора, падение напряжения U_Эn на Rэ следующего транзистора берется больше падения напряжения U_Эn-1 на Rэ предыдущего на разность напряжений коллектор-эмиттер U_КЭn-1 предыдущего каскада и база-эмиттер U_БЭn следующего

U_Эn = U_Эn-1 + (U_КЭn-1 – U_БЭn ) . (8.1)

U_ВЫХ

U_ВХ

U_КЭ1

U_БЭ2

R_Э1 U_Э1 R_Э2 U_Э2 R_Э3

Рис.8.2. УПТ с непосредственной связью

В качестве примера показано нахождение падения напряжения U_Э2 на сопротивлении R_Э2 U_Э2 = U_Э1 + (U_КЭ1 – U_БЭ2 ).

Таким образом, необходимо выполнить условие: Rэ₁ < Rэ₂ < Rэ₃.

Для получения равенства напряжений на коллекторах транзисторов VT₁, VT₂, VT₃ необходимо выполнить условие: Rк₁ > Rк₂ > Rк₃.

Резисторы Rэ₁, Rэ₂, Rэ₃ в схемах осуществляют термостабилизацию транзисторов. Однако эти резисторы создают в каждом каскаде местную отрицательную связь (ООС) по току, глубина которой в каждом последующем каскаде возрастает. Эта ООС очень сильно снижает коэффициент усиления К₁ даже у первого каскада, а коэффициент усиления третьего каскада К₃ может оказаться меньше единицы

; ; , (8.2)

где К₁, К₂, К₃ – коэффициенты усиления 1, 2, 3-го каскадов УПТ;

S – крутизна усилительного элемента.

Поэтому проектировать усилитель с числом каскадов более трех нецелесообразно.

При отсутствии сигнала на входе усилителя на его выходе должна отсутствовать не только переменная составляющая, но и постоянная составляющая напряжения. Это достигается введением делителя R₃, R₄ , который компенсирует постоянную составляющую напряжения, поступающую на нагрузку усилителя с коллектора третьего транзистора. Делитель напряжения R₃, R₄ компенсирует падение напряжения, поступающее на источник сигнала с резистора Rд₂, и сохраняет смещение на входе транзистора VT₁ неизменным при включении и выключении источника сигнала.

Однако при изменении температуры, напряжения питания, при старении компонентов ток покоя транзистора VT₃ изменится, и на выходе такого усилителя появится постоянное напряжение. Для его уничтожения необходимо регулировать делитель R_3, R₄, поддерживая отсутствие напряжения на выходе при отсутствии сигнала на входе. Достоинством схемы УПТ прямого усиления является простота построения и экономичность.

Основным и существенным недостатком рассмотренного УПТ следует считать нестабильность нулевого значения выходного напряжения в отсутствии сигнала, называемую «дрейфом нуля». Нуль выходного напряжения при воздействии на усилитель различных факторов как бы смещается, «дрейфует» с течением времени, поэтому это явление и называется дрейфом нуля. Основными причинами дрейфа нуля являются изменение параметров элементов при изменении температуры, их старении, а также при изменении напряжения питания схемы.

Указанные факторы вызывают изменение напряжение покоя на электродах УЭ, а эти изменения усиливаются последующими каскадами и поступают на выход. В результате, при отсутствии напряжения сигнала на входе усилителя на его выходе появляется напряжение, имеющее как медленно изменяющую постоянную составляющую Uдр_п, так и беспорядочные отклонения от нее колебаний напряжения дрейфа Uдр_~ (рис.8.3).

Для уменьшения дрейфа нуля УПТ используются следующие способы:

– 1-й способ – осуществление стабилизации напряжения источников питания,

– 2-й способ – использование дифференциальных каскадов (компенсационных схем).

U U_ДР

Uдр_~

Uдр.п

0 t

Рис.8.3. Дрейф нуля

Применение стабилизаторов напряжения экономически невыгодно. Они сложны, дороги, имеют низкий КПД. Более эффективны балансные и дифференциальные каскады.

Выводы по 1-му вопросу:

1. УПТ, усилитель без частотно-зависимых элементов – конденсаторов, катушек индуктивности, что позволяет достаточно легко интегрировать УПТ в интегральные технологии.

2. Одним из главных недостатков УПТ прямого усиления является наличие дрейфа нуля.