4.4. Усилители постоянного тока

Усилителем постоянного тока (УПТ) называются усилители низкой частоты, коэффициент усиления которых не равен нулю на частоте fн=0. Тогда амплитудно-частотная характеристика такого усилителя принимает вид, изображенный на рис.4.4.1,а. Кроме этого, усилители постоянного тока имеют и специфическую амплитудную характеристику (зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала), которая приведена на рис.4.4.1,б.

Так как усилители постоянного тока должны обладать отличным от нуля коэффициентом усиления на нулевой частоте, то при построении этих усилителей применяются кроме активных элементов (лампы, транзисторы) только резистивные элементы. Наиболее распространенная схема построения усилителя постоянного тока приведена на рис.4.4.2.

Напряжение смещения в транзисторах при работе в активном режиме составляет десятые доли вольта. Поэтому для создания нормального смещения у всех транзисторов необходимо выполнить условия С другой стороны необходимо, чтобы напряжения между эмиттерами и коллекторами транзисторов оставались постоянными Для выполнения обоих условий необходимо, чтобы

(4.4.1)

Выполнение этих неравенств приводит к уменьшению коэффициента усиления последующих каскадов. Поэтому использование таких усилителей постоянного тока с числом каскадов больше трех нецелесообразно. Введение дополнительного делителя напряжения R-Rэ (пунктирная линия на рис.4.4.2) позволяет увеличить коэффициент усиления и уменьшить сопротивление Rэ, а также получить необходимое напряжение на эмиттерах второго и третьего транзисторов при выполнении условия

(4.4.2)

При большом числе каскадов применяют усилители постоянного тока с потенциометрической межкаскадной связью. Схема такого УПТ приведена на рис.4.4.3.

Основным недостатком такой схемы УПТ является уменьшение коэффициента усиления каждого каскада усилителя в 1,5 – 2 раза.

Кроме того, усилители постоянного тока обладают еще одним существенным недостатком: они обладают большой нестабильностью. Отличие коэффициента усиления от нуля при нулевой частоте приводит к тому, что медленные процессы, связанные с колебаниями источников питания, изменениями сопротивления резисторов и параметров активных элементов, вызывают внутри усилителя небольшого напряжения, которое усиливается последующими каскадами и поступает на выход усилителя. В результате при отсутствии входного сигнала выходное напряжение усилителя постоянного тока колеблется около некоторого среднего значения. Это явление называется дрейфом нуля и его величина ограничивает чувствительность усилителей постоянного тока. Для уменьшения дрейфа нуля используются высокостабильные элементы схемы и стабилизаторы постоянного напряжения, а также специальные схемы компенсации дрейфа нуля.

Рассмотрим одну из основных схем компенсации дрейфа нуля – схему дифференциального усилителя, изображенную на рис. 4.4.4.

Для идеального дифференциального усилителя коэффициент передачи (коэффициент усиления) определяется соотношением

, (4.4.2

где ,

- напряжение на коллекторе VT1,

- напряжение на коллекторе VT2, и - напряжения на базах VT1 и VT2 соответственно.

При симметрии схемы (оба транзистора одинаковы, , и ), если , коллекторные токи одинаковы, и выходное напряжение равно нулю. Любые изменения напряжения питания, температуры окружающей среды и т.д. приведут к одинаковым изменениям коллекторных напряжений транзисторов, а выходное напряжение останется равным нулю. Если , токи транзисторов будут изменяться, как под воздействием сигнала, так и под воздействием процессов, вызывающих дрейф нуля. При этом напряжения сигнала вызывает изменение в одну сторону, а напряжение сигнала изменение в другую сторону. В результате этого и на выходе каскада появится напряжение, неравное нулю.

Так как полная компенсация дрейфа нуля будет только при абсолютной симметрии схемы, то при проектировании таких каскадов необходимо обеспечение их максимальной симметрии, особенно в тех случаях, когда эти каскады используются в УПТ с высоким коэффициентом усиления.