Усилители постоянного тока.

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления медленно изменяющихся во времени сигналов. Типовые амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики УПТ приведены на рис 13.14.

Рис. 13.14. Амплитудно-частотная (рис. а) и фазо-частотная (рис.б)

               характеристики УПТ.

При построении УПТ связь источника сигнала со входом УПТ, а также междукаскадные связи осуществляются только с помощью элементов, обладающих проводимостью как на постоянном, так и на переменном токе. Это резисторы, диоды и проводники. Реактивные элементы – конденсаторы и трансформаторы – для этих целей применять нельзя.

Характерной особенностью УПТ является то, что они обладают дрейфом нуля. Дрейф нуля – это самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при U _вх =0= constant . Различают абсолютный дрейф нуля на выходе УПТ и дрейф нуля приведенный ко входу УПТ (приведенный дрейф). Абсолютный дрейф нуля представляет собой максимальное изменение выходного напряжения U_вых.др при короткозамкнутом входе за определенный промежуток времени. Дрейф нуля, приведенный ко входу усилителя оценивают в виде:

Причинами дрейфа нуля является ряд дестабилизирующих факторов, таких как колебания температуры, изменение напряжения источников питания, изменение параметров окружающей среды (давление, влажность), электромагнитные наводки, старение элементов схемы и др. Явление дрейфа нуля является недостатком УПТ, так как вносит дополнительные погрешности за счет суммирования дрейфа нуля с входным сигналом.

Основными способами уменьшения дрейфа нуля являются: применение глубоких отрицательных обратных связей; применение термокомпенсирующих элементов (резисторов, диодов, транзисторов); преобразование постоянного напряжения в переменное, усиление, и обратное преобразование в постоянное напряжение; применение балансных (мостовых) схем и др.

Типовая схема усилителя постоянного тока (УПТ) приведена на рис. 13.15.

Рис. 13.15. Схема усилителя постоянного тока.

Усилители постоянного тока обычно бывают многокаскадными, так как в одном каскаде трудно получить необходимое усиление из-за глубоких отрицательных обратных связей. К тому же, в многокаскадных усилителях удается уменьшить величину приведенного дрейфа нуля.

Особенностью УПТ является то, что выводы коллектора и базы транзисторов соседних каскадов соединены проводниками. А резисторы, включенные в цепь эмиттера каждого каскада (рис. 13.15), обеспечивают внутрикаскадные отрицательные обратные связи по току, и, кроме того, создают необходимые напряжения U _бэ0 в режиме покоя за счет падения напряжения I _{э i}ּR _{э i} . Так, например, для транзистора VT 2 (рис. 13.15):

Задание режима по постоянному току первого каскада УПТ (рис. 13.15) осуществляется так же, как и для усилителей переменного тока с помощью входного делителя напряжения на резисторах R ₁ и R ₂. Но входной сигнал U _вх также следует задавать с учетом напряжения смещения входного каскада на VT 1. Для этого на входе образована мостовая схема, два плеча которой образуют резисторы R ₁ и R ₂, задающие смещение на базу VT 1, а два других плеча резисторы R _комп1 и R _комп2 (рис. 13.15).

Часто сопротивление нагрузки УПТ R _н включается в диагональ моста, образованного элементами выходной цепи оконечного каскада и резисторами R ₃ и R ₄. Этим обеспечивается U _вых =0 при U _вх =0. Резисторы R ₃ и R ₄ создают компенсирующее напряжение выходной цепи каскада, которое равно напряжению покоя выходной цепи:

Одним из эффективных способов уменьшения дрейфа нуля УПТ является применение дифференциальных усилительных каскадов (рис. 13.16).

Рис. 13.16. Схема дифференциального усилительного

            каскада на биполярных транзисторах.

Дифференциальным, то есть разностным, называется усилительный каскад, усиливающий разность двух напряжений. Он представляет собой симметричный усилитель, построенный по параллельно-балансной схеме (рис. 13.16). Дифференциальный усилитель (ДУ) построен по принципу сбалансиро-ванного моста, два плеча которого образованы резисторами R _к1 и R _к2, а два других – транзисторами VT 1 и VT 2. Выходное напряжение снимается между коллекторами транзисторов (с диагонали моста) или с коллекторов.

Для питания ДУ обычно используются два источника напряжения U_п1 и U_п2, напряжения которых равны по модулю. Использование источника напряжения U_п2 снижает потенциалы эмиттеров транзисторов VT 1 и VT 2 (рис. 13.16) до потенциала общего провода. Это позволяет подавать сигналы на входы усилителя относительно общего провода без введения дополнительных компенсирующих напряжений.

Поскольку схема ДУ (рис. 13.16) полностью симметрична, то изменение напряжения питания воздействует одинаково на транзисторы VT 1 и VT 2, и баланс моста не нарушается, и выходные напряжения не изменятся. Изменение температуры воздействует на токи транзисторов VT 1 и VT 2 тоже одинаково. Следовательно, в идеально симметричной схеме ДУ дрейф нуля должен отсутствовать. Но в реальной схеме ДУ дрейф нуля все же существует, но он в 10….100 раз меньше, чем в схеме обычного УПТ на биполярных транзисторах с ОЭ (рис. 13.15).

Если на обоих входах ДУ действуют равные по амплитуде, форме и фазе сигналы, то их называют синфазными.

Если на входы ДУ подаются сигналы, имеющие равные амплитуду и форму, но противоположные по фазе, то их называют дифференциальными.

ДУ работает следующим образом. При отсутствии входных сигналов U _вх.диф =0 в коллекторных цепях транзисторов VT 1 и VT 2 протекают коллекторные токи I _к1 = I _к1. Эти токи создают одинаковые падения напряжения на резисторах R _к1 и R _к2, то есть U_вых1= U_вых2. Тогда дифференциальное выходное напряжение:

Равенство выходного дифференциального напряжения нулю при отсутст-вии входного сигнала называют режимом покоя. При этом через сопротивление R _э протекают эмиттерные токи I _э1 и I _э2, которые создают на нем падение напряжения, направленное встречно U _п2. В результате на транзисторы VT 1 и VT 2 подаются постоянные напряжения смещения, задающие режим покоя:

Таким образом резистор R _э, включенный в цепь эмиттеров VT 1 и VT 2 (рис. 13.16), создает последовательную обратную связь по току, стабилизируя рабочую точку транзисторов. При изменении токов I _э1 и I _э2, вызванных изменениями напряжений источников питания U _п1 и U _п2, и температуры, происходит изменение U_бэ, которое в свою очередь стремится возвратить коллекторные токи к исходному состоянию, то есть стабилизирует режим работы схемы. Но все равно наблюдается заметный уход рабочей точки режима работы транзисторов. Улучшить стабилизацию режима работы ДУ позволяет применение вместо R _э генератора тока на транзисторе VT 3 (рис. 13.17), который стабильно выдерживает условие:

Качество работы ДУ характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала К_осс:

Рис. 13.17. Схема ДУ на биполярных транзисторах

            с генератором тока в цепях эмиитеров.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает способность ДУ различать малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного напряжения. Для более качественной работы ДУ стремятся сделать К_осс как можно больше. Применение генератора тока на транзисторе VT 3 (рис. 13.17), позволяет увеличить К_осс.

Контрольные вопросы

1. Понятие усилителя постоянного тока (УПТ), его свойства и характеристики?

2. Понятие дрейфа нуля УПТ, причины его возникновения и способы снижения?

3. Дифференциальный усилительный каскад на биполярных транзисто-рах, его свойства?

4. Понятие синфазного и дифференциального входного напряжения УПТ?

5. Понятие коэффициента ослабления синфазного сигнала для дифференциального УПТ или ОУ?