Усилители постоянного тока

Часто при проведении измерений в электронных устройствах автоматики необходимо усиливать сигналы очень низких частот — порядка долей герц. Для этого требуются усилители, имеющие равномерную амплитудно-частотную характеристику до самых низких частот. Такие усилители называют усилителями постоян­ного тока (УПТ). В многокаскадных УПТ для связи между каска­дами не могут быть использованы реактивные элементы связи (кон­денсаторы, трансформаторы), поэтому для этой связи, как правило, служат резисторы.

На рис. 6.8 приведены для сравнения частотные характеристики УПТ (кривая 1) и усилителя с резистивно-емкостной связью (кривая 2). В области низких и средних частот амплитудно- частотная характеристика УПТ равномерна. В области высоких частот УПТ фазовые сдвиги и частотные искажения появляются на частотах, на которых начинают сказываться паразитные емкости усили­тельных каскадов, так же как и в усилителях с резистивно-емкостной связью.

 

В усилителях постоянного тока возникают специфические трудности, связанные с отделением полезного сигнала от постоян­ных составляющих напряжения и тока, необходимых для работы транзисторов, используемых в усилителях.

а)

Рис. 6.9. Схема (а) и потенциальные диаграммы (б) УПТ с одним источником питания

 

Как и в усилителях с резистивно-емкостной связью между кас­кадами, характеристики усилителей постоянного тока должны отвечать ряду требований:

1)в отсутствие входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал;

2)при изменении знака входного сигнала должен изменять знак и выходной сигнал;

3)напряжение на нагрузочном устройстве должно быть пропор­ционально входному напряжению.

Второе и третье требования в УПТ, так же как и в других уси­лителях, выполняются при работе усилителя в режиме А. Для вы­полнения первого условия необходимо отделить полезный выход­ной сигнал от постоянных составляющих тока и напряжения транзистора.

В усилителях постоянного тока отделение постоянных состав­ляющих напряжения, как правило, производится компенсационным методом. Такие усилители можно условно подразделять на усили­тели с одним и с двумя источниками питания.

УПТ с одним источником питания. Простейшие схемы УПТ с одним источ­ником питания приведены на рис. 6.9, а, 6.10, а и 6.11 а. На рис. 6.9, б 6.10, б и 6 .11. б показаны временные диаграммы их работы. Простейший УПТ с одним источником питания (рис. 6.9, а) состоит из обычного усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме ОЭ с температурной стабилизацией (на рисунке он выделен штриховыми линиями). У этого усилительного каскада отсутствует конденсатор в цепи эмиттера, что приводит к снижению коэффициента усиления из-за возникновения отрицательной обратной связи, но обеспечивает большую по­лосу пропускания.

В отличие от усилителей с резистивно-емкостной связью в рассматриваемом УПТ (рис. 6.9, а) нагрузочный резистор включен между коллектором транзистора и средней точкой делителя R₃R₄, а входное напряжение приложено между базой транзистора и средней точкой делителя R₁R₂. Потенциалы средних точек делите­лей таковы, что в отсутствие входного напряжения (и_вх=0) и , вследствие чего отсутствует как ток во входной цепи, так и ток в нагрузочном ре­зисторе (i_н =0). Для точной подстройки режима в выходной цепи имеется пере­менный резистор R₅.

 

 

При подаче входного сигнала появляется ток во входной цепи, изменяются базовый и коллекторный токи транзистора, что приводит к изменению напряжения на коллекторе транзистора и появлению тока i_н. Потенциальная диаграмма усилителя (рис. 6.9, б) показывает, что в отсутствие входного напряжения (0<t<t₁) выходное напряжение и_вых=0; в интервале t₁<t<t₂ при u_вх<0 выходное напряжение и_вых>0, а в интервале t>t₂ и_вх>0 и и_вых <0.

В УПТ с одним источником питания и в усилителях, рассматриваемых ниже, вместо усилительного каскада с коллекторной нагрузкой может применяться эмиттерный повторитель или усилительный каскад на полевом транзисторе. Способ включения нагрузочного резистора и подачи входного напряжения при этом не изменится.

На рис. 6.10 приведены схема и потенциальная диаграмма УПТ, у которого во входной цепи и в цепи связи включены стабилитроны, на которых выделяется напряжение компенсации. Стабилитроны выбраны таким образом, что их напря­жения стабилизации U_cт компенсируют постоянные напряжения в цепи базы и коллектора транзистора Т₁.

Рис. 6.10. Схема (а) и потенциальные диаграммы (б) УПТ с ком­пенсирующим стабилизатором

 

Как видно из потенциальной диаграммы рис. 6.10, б, в отсутствие входного напряжения и . Такой режим соответствует жесткой температурной стабилизации и выбору рабочих точек транзисторов в середине ли­нейных участков характеристик.

При подаче отрицательного входного напряжения в момент времени t₁ потен­циал транзистора T₁ понижается, потенциал коллектора транзистора Т₁ повы­шается и на столько же повышается потенциал базы транзистора Т₂. Соединение коллектора транзистора Т₂ с нагрузочным устройством на схеме не показано, оно может осуществляться так же, как в схеме рис. 6.9, а.

На рис. 6.11, а приведена схема двухкаскадного УПТ на транзисторах раз­личных типов (транзистор типа п-р-п и транзистор типа p-n-p).

 

а)

Рис. 6.11. Схема (а) и потенциальные диаграммы (б) УПТ на комплементарных транзисторах

 

Входная цепь и схе­ма соединения с нагрузочным устройством не показаны, они могут быть осуществ­лены по схеме рис. 6.9, а. Как видно из рис. 6.11, а, здесь произведено непосред­ственное соединение коллектора транзистора T₁ типа п-р-п и базы транзистора Т₂ типа р-п-р. Это оказалось возможным благодаря применению во втором каскаде транзистора типа р-п-р, у которого эмиттер через резистор R_б подключен к источ­нику питания Е_к. При этом падение напряжения на резисторе R_б, необходимое для жесткой температурной стабилизации, приблизительно равно Е_к/3, что согла­суется с падением напряжения на резисторе R₄, которое при выборе рабочей точки транзистора Т₁ в середине линейного участка переходной характеристики тоже приблизительно равно E_к/3.

Рассмотренные схемы усилителей с одним источником питания обладают ря­дом недостатков. Во-первых, в них нагрузочные резисторы включаются между электродом транзистора и средней точкой делителя и не могут быть соединены с общей точкой усилителя (корпусом), имеющей нулевой потенциал. Такое соеди­нение с общей точкой необходимо в сложных электронных устройствах со многими усилительными каскадами. Во-вторых, источник входного напряжения (рис. 6.9, а) тоже не соединен с общей точкой усилителя. Применение же стабилитронов (рис. 6.10, а) требует их подбора по напряжению и индивидуальной подстройки усилителей.

УПТ с двумя источниками питания. От указанных недостатков свободны усилители с двумя источниками питания. На рис. 6.12, а приведена схема такого однокаскадного усилителя.

В нем приме­нены два источника питания +Е₁ и -Е₂, которые создают положи­тельное и отрицательное напряжения относительно общей точки, имеющей нулевой потенциал. Усилитель рассчитывают таким образом, что в отсутствие вход­ного сигнала (и_вх=0) потенциал базы транзистора и потен­циал эмиттера . Потенциалы других точек схемы (от­носительно общей точки) зависят от напряжений источников пи­тания и показаны для Е₁=20 ВиЕ₂=10В. К делителю R₃R₄ в от­сутствие входного сигнала приложено напряжение , при этом потенциал средней точки дели­теля должен быть равен нулю, так как в этом режиме выходное напряжение должно отсутствовать. Тогда падения напряжения на плечах делителя соответственно равны и U_R4 =Е₂. Чтобы ток делителя не нарушал режима работы транзистора, его обычно выбирают значительно меньше тока коллектора:

(6.29)

Сопротивления резисторов делителя могут быть определены из соотношений

(6.30)

(6.31)

При подаче входного напряжения и_вх (на диаграмме положи­тельное) возрастает ток базы транзистора, что приводит к увеличе­нию его коллекторного тока. При этом увеличивается падение на­пряжения на резисторе R₁ и снижается потенциал коллектора .

Снижение потенциала «верхнего» вывода делителя R₃R₄ приво­дит к снижению потенциала средней точки и появлению отрица­тельного выходного напряжения. Таким образом, делитель, вклю­ченный на выходе усилительного каскада, компенсирует постоян­ную составляющую коллекторного напряжения и передает с не­которым уменьшением усиленное напряжение с коллектора тран­зистора на выход усилителя.

Коэффициент усиления такого усилительного каскада при и , когда шунтирующее действие делителя можно не учитывать, определяется выражением

где К₀ — коэффициент усиления усилителя с коллекторной нагруз­кой без делителя, а — множитель, учитывающий сни­жение коэффициента усиления за счет включения делителя.

Снижение коэффициента усиления незначительно лишь при , что обеспечивается при высоком напряжении источника питания Е₂. На практике обычно и применение делителя снижает коэффициент усиления усилителя в 1,5—2 раза.

Рассмотренная схема допускает непосредственное соединение каскадов усилителей. При этом, так как входное и выходное напря­жения имеют общую точку с нулевым потенциалом, выход первого каскада подключается непосредственно ко входу второго, выход второго каскада к третьему и т. д. до получения необходимого коэф­фициента усиления.

 

Дрейф в УПТ. Усилители постоянного тока имеют специфиче­ский недостаток, затрудняющий усиление очень малых постоянных напряжений и токов. В УПТ существует так называемый дрейф нуля, который определяет нижний предел усиливаемых напряжений. Дрейф нуля заключается в том, что с течением времени изменяются токи транзисторов и напряжения на их электродах. При этом нару­шается компенсация постоянной составляющей напряжения и на выходе усилителя появляется напряжение в отсутствие входного сигнала. Поскольку УПТ должен усиливать напряжения вплоть до самых низких частот, всякое изменение постоянных составляю­щих напряжения из-за нестабильности источников пита­ния, старения транзисторов, изменения температуры окружающей среды и т. д. принципиально не отличается от полезного сигнала.

Дрейф нуля УПТ легко можно наблюдать в следующем опыте. Вход усилителя постоянного тока замыкают накоротко (рис. 6.13), а на выходе включают милливольтметр. С течением времени в от­сутствие входного напряжения из-за нестабильности величин и неточной их компенсации появляется выходное напря­жение, примерная временная зависимость которого показана на рис. 6.14. Это напряжение, деленное на коэффициент усиления уси­лителя, называют дрейфом нуля, приведенным ко входу усилителя:

при (6.33)

В дальнейшем под напряжением дрейфа будем понимать напря­жение дрейфа, приведенное ко входу усилителя.

Усилитель постоянного тока может правильно воспроизводить на выходе только те сигналы, которые значительно превышают напряжение дрейфа, т. е. при u_вх>>и_др. Поэтому при проектиро­вании чувствительного усилителя приходится принимать специаль­ные меры к снижению дрейфа нуля.

Как видно из рис. 6.14, выходное напряжение состоит как бы из двух составляющих: монотонно изменяющегося напряжения (по­казано штриховой линией) и переменной составляющей. Первое называется медленным дрейфом и обусловлено в основном изменением характеристик транзисторов, второе называется быстрым дрейфом и определяется колебаниями на­пряжений источников питания, темпера­туры окружающей среды и другими внеш­ними факторами.

В транзисторных усилителях главной причиной дрейфа является температурная нестабильность транзисторов.

Для борьбы с дрейфом нуля принимают целый ряд мер:

1) стабилизацию напряжения источни­ков питания, стабилизацию температурно­го режима и тренировку транзисторов;

2) использование дифференциальных (балансных) схем УПТ;

3) преобразование усиливаемого напряжения.

Рассмотрим, как осуществляется и насколько позволяет снизить дрейф каждая из указанных мер.

При стабилизации напряжения источников питания с точностью ±0,01%, температурной стабилизации с точностью ±1°С удается снизить дрейф усилителя до и_др=5-20 мВ при работе в температур­ном диапазоне от -50 до +50°С.

Дифференциальные УПТ. Кроме стабилизации питающих на­пряжений для борьбы с дрейфом УПТ принимают специальные схемы усилителей, так называемые дифференциальные (балансные) УПТ. Они построены по принципу четырехплечего моста (рис. 6.15).

 

 

Действительно, если мост сбалансирован, т. е.

(6.34)

то при изменении Е_к баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе R_н ток равен нулю. С другой стороны, при пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R₁, R₂ или R₃, R₄ баланс моста тоже не нарушается. Если заменить резисторы R₂, R₃ тран­зисторами, то получим дифференциальную схему, очень часто при­меняемую в УПТ.

В дифференциальном усилителе (рис. 6.16, а) сопротивления резисторов R₂, R₃ в коллекторных цепях транзисторов выбирают равными, режимы обоих транзисторов устанавливают одинаковыми. В таких усилителях подбирают пары транзисторов со строго идентичными характеристиками.

 

 

Рис. 6.16. Схемы симметричного (а) и несимметричного (б) диф­ференциальных усилительных каскадов

 

На стабильность электрических режимов существенное влияние сказывает сопротивление резистора R₁, который стабилизирует ток транзисторов (рис. 6.16, а). Чтобы можно было использовать резистор с большим сопротивлением R₁, увеличивают напряжение источника питания Е_к до значения , а в интегральных микро­схемах часто вместо резистора R₁ применяют стабилизатор постоян­ного тока, который выполняют на 2—4 транзисторах.

Переменный резистор R_п (рис. 6.16, а) служит для балансиров­ки каскада или, как говорят, для установки нуля. Это необходимо в связи с тем, что не удается подобрать два абсолютно идентичных транзистора и резисторы с равными сопротивлениями R₂, R₃. При изменении положения движка потенциометра R_п изменяются со­противления резисторов, включенных в коллекторные цепи тран­зисторов, и, следовательно, потенциалы на коллекторах. Переме­щением движка потенциометра R_п добиваются нулевого тока в на­грузочном резисторе R_н в отсутствие входного сигнала.

При изменении э. д. с. источника коллекторного питания Е₁ или смещения Е₂ изменяются токи обоих транзисторов и потенциалы их коллекторов. Если транзисторы идентичны и сопротивления ре­зисторов R₂, R₃ в точности равны, то тока в резисторе R_н за счет изменения э. д. с. Е₁, Е₂ не будет. Если транзисторы не совсем идентичны, то появится ток в нагрузочном резисторе, однако он будет значительно меньше, чем в обычном, небалансном УПТ.

Аналогично изменения характеристик транзисторов вследствие изменения температуры окружающей среды практически не будут вызывать тока в нагрузочном резисторе.

В то же время при подаче входного напряжения на базу тран­зистора Т₁ изменятся его коллекторный ток и напряжение на его коллекторе, что вызовет появление напряжения на нагрузочном резисторе R_н.

При тщательном подборе транзисторов и резисторов, при ста­билизации напряжений источников питания дрейф удается снизить до 1—20 мкВ/°С или при работе в температурном диапазоне от -50 до +50°С составит 0,1—2 мВ, т. е. в сравнении с небалансным УПТ он может быть уменьшен в 20—100 раз.

Выражение для коэффициента усиления дифференциального каскада аналогично выражению для коэффициента усиления обыч­ного однокаскадного усилителя с коллекторной нагрузкой

так как напряжением обратной связи, возникающим на резисторе R₁, можно пренебречь. Это напряжение одновременно воздействует на эмиттеры транзисторов Т₁, Т₂, вызывая одинаковые изменения потенциалов их коллекторов. Таким образом, результирующее напряжение на выходе усилителя остается неизменным. Нетрудно видеть, что выходное напряжение в усилителе (рис. 6.16, а) совпа­дает по фазе с входным напряжением и_вх1 (неинвертирующий вход) и противофазно напряжению и_вх2 (инвертирующий вход).

Тогда можно записать

(6.36)

Входное сопротивление усилителя по каждому из входов

(6.37)

выходное сопротивление

(⁶.³⁸)

На рис. 6.16, б приведена схема несимметричного дифференци­ального усилителя, в котором коллекторный резистор включен только в коллекторную цепь транзистора Т₂. Такой усилительный каскад обладает несколько большим дрейфом и применяется только в тех случаях, когда необходимо получить выходное напряжение относительно общего зажима. Для компенсации постоянной составляющей коллекторного напряжения в усилителе применен делитель R₃R₄.