Усилители постоянного тока прямого усиления

Усилители постоянного тока

Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы.

Усиление постоянных напряжений и токов можно осуществлять двумя принципиально различными методами: непосредственно по постоянному току и с предварительным преобразованием постоянного тока в переменный. В соответствии с этим УПТ делятся на два основных типа: усилители прямого усиления и усилители с преобразованием.

Усилители постоянного тока прямого усиления

В таком УПТ для связи между каскадами не могут быть применены ни трансформаторы, ни разделительные конденсаторы. Единственно возможна только гальваническая связь между каскадами. Простейшая схема многокаскадного УПТ показана на рис. 16.

Гальваническая связь между каскадами затрудняет установления наивыгоднейших условий работы для каждого каскада. Из рис. 16 видно, что на базу второго и третьего транзистора кроме полезного сигнала, подается постоянное напряжение коллектора предшествующего каскада. Очевидно, что потенциалы коллекторов последующих транзисторов должны быть все более высокими. Это обстоятельство требует уменьшения сопротивлений R_К и увеличения сопротивлений R_Э последующих каскадов. Поскольку на резисторах R_Э создается напряжение отрицательной обратной связи, то с увеличением сопротивлением этих резисторов глубина отрицательной обратной связи возрастает. В результате коэффициент усиления последующих каскадов становится все более низким.

В УПТ наблюдается нежелательное явление – дрейф нуля – изменение выходного напряжения при постоянстве на его входе. Дрейф нуля вызывается изменением напряжения источников питания, температурными изменениями характеристик транзисторов и других радиоэлементов, изменением параметров транзисторов и резисторов в связи с их старением. Очевидно, что особенно нежелательны изменения режима по постоянному току в первых каскадах, поскольку эти изменения усиливаются последующими каскадами. Различают абсолютный дрейф нуля на выходе усилителя и дрейф, приведенный ко входу усилителя.

Абсолютный дрейф нуля U_{ДР. ВЫХ} представляет собой максимальное изменение выходного напряжения при короткозамкнутом входе за определенный промежуток времени.

Приведенный ко входу дрейф усилителя равен отношению абсолютного дрейфа на коэффициент усиления усилителя (по напряжению): U_{ДР. ВХ} = U_{ДР. ВЫХ} / К_U. Величина U_{ДР. ВХ} ограничивает минимально различимый входной сигнал, т.е. определяет чувствительность усилителя.

Следует отметить, что повышение устойчивости работы УПТ путем введения в его схему отрицательных обратных связей не дает большого эффекта, т.к. в результате уменьшения коэффициентов усиления каскадов их число приходится увеличивать, а это требует увеличения общей мощности источника питания и усложнения схемы. Поэтому УПТ с непосредственными связями используются только в простейших случаях при относительно большом усиливаемом сигнале 0,05 – 0,1 В и коэффициенте усиления порядка нескольких десятков.

Дифференциальные усилители (балансные каскады УПТ)

Радикальным средством уменьшения дрейфа УПТ является применение параллельно-балансных (дифференциальных) каскадов.

Дифференциальный каскад (рис. 17) выполняют по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами R_K1 и R_K2, а два других – транзисторами VT1 и VT2. В общей цепи эмиттеров включен источник тока I_Э, обеспечивающий постоянство суммы эмиттерных токов транзисторов. Функцию источника тока в простейшем случае может выполнять резистор R_Э. Дифференциальный каскад допускает подачу входных сигналов от двух источников (на оба входа U_{ВХ 1}, U_{ВХ 2}) или от одного источника входного сигнала. В последнем случае входной сигнал подается на базу одного из транзисторов (а вторая база при этом соединяется с общим проводом) или между базами. Напряжение выходного сигнала снимается или между коллекторами транзисторов (симметричный выход U_ВЫХ) или с коллектора одного из транзисторов относительно общего провода (U_{ВЫХ 1} или U_{ВЫХ 2} – несимметричный выход).

Питание дифференциального каскада производится обычно от двух источников Е₁ и Е₂ с равными напряжениями. Ввиду последовательного соединения этих источников суммарное напряжение питания схемы равно Е = Е₁ + Е₂.

Для нормальной работы схемы она должна быть строго симметрична (транзисторы идентичны, резисторы одинаковы R_K1 = R_K2 = R_K). Тогда при отсутствии входных сигналов (U_{ВХ 1} = U_{ВХ 2} = 0), дифференциальный усилитель сбалансирован и напряжение между коллекторами (на выходе) равно нулю (U_ВЫХ = 0). Поскольку ток делится между плечами пополам, то потенциалы коллекторов обоих транзисторов одинаковы и равны

U_{ВЫХ 1} = U_{ВЫХ 2} = E₁ – (I_Э R_K) / 2.

Высокая стабильность схемы в отношении изменения напряжения питания, температуры и прочих факторов объясняется тем, что при одинаковом дрейфе по обоим усилительным каналам каскада, напряжения на коллекторах транзисторов изменяются на одну и ту же величину и дрейф на выходе каскада отсутствует (DU_ВЫХ = 0). В реальных условиях некоторый дрейф в каскаде всё же имеется, но он существенно меньше, чем в предыдущих схемах, поскольку величина дрейфа здесь определяется разностным дрейфом двух близких по параметрам усилительных каналов. Транзисторы с близкими параметрами можно получить при интегральном (микросхемном) исполнении, когда их изготовление осуществляется в едином технологическом процессе на общем кристалле полупроводника.

Пусть на входы усилителя (рис. 17) поданы два напряжения U_{ВХ 1} и U_{ВХ 2}. Дифференциальный усилитель должен усиливать только разность напряжений двух входных сигналов независимо от их уровня (т.е., например, при напряжениях 2 В и 3 В или 20 В и 21 В усилитель должен усиливать только разность DU = 1 В). У идеального дифференциального усилителя коэффициент усиления разностного (дифференциального, полезного, нормального) сигнала равен:

К_Р = U_ВЫХ / (U_{ВХ 1} - U_{ВХ 2}).

При разностном входном сигнале коллекторный ток одного транзистора увеличивается, а другого – уменьшается на одну и ту же величину, т.к. сумма их токов должна оставаться приблизительно равной I_Э.

Однако, реальный усилитель не обладает идеальной симметрией, в результате чего напряжение на выходе зависит не только от разности, но и от суммы входных сигналов. При этом сумма входных сигналов поделенная на два, называется синфазным сигналом U_СФ = (U_{ВХ 1} + U_{ВХ 2}) / 2. (Синфазным называют также одновременное изменение обоих сигналов в одном направлении.) Коэффициент усиления синфазного сигнала равен:

К_СФ = 2×U_ВЫХ / (U_{ВХ 1} + U_{ВХ 2}).

Коэффициент К_СФ измеряется при одинаковых напряжениях на входе U_{ВХ 1} = U_{ВХ 2} = U_ВХ. Качество дифференциального усилителя (его приближение к идеальному) оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала, равным отношению коэффициентов усиления разностного и синфазного сигналов К_ОС.СФ = К_Р / К_СФ. У хороших дифференциальных усилителей К_ОС.СФ = 10⁴ –10⁶, что составляет 80 – 120 дБ.

Дифференциальные усилители используются в операционных усилителях в предварительных каскадах усиления. При построении многокаскадных схем дифференциальные каскады можно соединять друг с другом непосредственной связью. При этом коллекторы предыдущего каскада соединяются с базами последующего.

УПТ с преобразованием (с модуляцией и демодуляцией)

Наличие дрейфа и трудности непосредственного усиления в УПТ послужили причиной создания усилителей постоянного тока с преобразованием, устройство и принцип действия которых поясняют рис. 18 и 19.

Вначале усиливаемое напряжение (ток) преобразуется в колебания, амплитуда которых изменяется во времени пропорционально входному сигналу U_ВХ. Для этого усиливаемый сигнал подают на модулятор. Одновременно на вход модулятора поступает переменное напряжение фиксированной частоты (1 - 10 кГц) от вспомогательного генератора, входящего в состав усилительного устройства. Полученное в результате преобразования напряжение U₁ усиливается до нужной величины с помощью обычного усилителя переменного напряжения, в качестве которого может быть использован, например, усилитель низкой частоты, собранный по резистивной схеме. Напряжение U₂ с выхода усилителя подается на детектор (демодулятор), который позволяет получить из модулированных колебаний напряжение такой же формы, которое было подано на вход усилителя.

Преимущества УПТ с преобразованием: значительно меньший уровень дрейфа, позволяющий усиливать слабые сигналы; малая чувствительность к колебаниям питающих напряжений; высокий коэффициент усиления, достигающий десятков и сотен тысяч. Эти преимущества обусловлены тем, что основное усиление сигнала осуществляется на переменном токе. Недостатком УПТ с преобразованием является относительная сложность схемы.

Дата добавления: 2015-07-15