Тема 14. Усилители постоянного тока

Амплитудно-частотная характеристика УПТ изображена на рис. 3.12.

Усилители постоянного тока (УПТ) в настоящее время чаще всего рассматриваются как широкополосные усилители с полосой частот, начинающейся от fн =0. Верхняя граница рабочей полосы частот у современных интегральных усилителей может достигать величины в несколько гигаГерц.

Рис.14.1. АЧХ усилителя постоянного тока

При построении УПТ необходимо учесть, что связь источника сигнала со входом усилителя и межкаскадные связи не могут быть осуществлены в УПТ с помощью реактивных элементов – конденсаторов и трансформаторов, а только с использованием гальванической связи. Гальванической называют связь, осуществляемую с помощью элементов, обладающих проводимостью как на переменном, так и на постоянном токе. Элементами гальванической связи могут быть резисторы, диоды, проводники. Если используются проводники, то гальваническую связь называют непосредственной.

Изменения температуры, питающих напряжений и другие медленно изменяющиеся факторы вызывают изменения выходного напряжения из-за того, что fн =0. Изменения выходного напряжения при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом нуля усилителя. Напряжение дрейфа, суммируясь с полезным сигналом на выходе усилителя, искажает сигнал.

. Напряжение дрейфа нуля определяется величиной напряжения дрейфа нуля каждого каскада и коэффициентами усиления каскадов. Различают абсолютный дрейф нуля на выходе усилителя и дрейф, приведенный ко входу усилителя. Абсолютный дрейф нуля представляет собой максимальное изменение выходного напряжения при короткозамкнутом входе за определенный промежуток времени.

Для удобства сравнения различных усилителей по дрейфу нуля используют его уровень, приведенный ко входу усилителя (приведенный дрейф) . Величина определяет диапазон возможного изменения входного напряжения Е_г усилителя, при котором напряжение дрейфа составляет незначительную часть полезного выходного сигнала. Величина определяет чувствительность усилителя. На практике минимальное значение входного сигнала принимают в десятки и сотни раз больше .

Особенностью УПТ является трудность обеспечения параметров режима покоя каскадов. Параметры режима покоя каскада рассчитываются с учетом элементов, относящихся к выходной цепи предыдущего каскада и входной цепи последующего каскада. При выборе схемы каскада особое внимание уделяется обеспечению стабильности параметров режима покоя в отношении влияния всех дестабилизирующих факторов: изменение температуры; изменение напряжения источников питания; изменение параметров окружающей среды (давление, влажность); старение элементов и др.

Основными способами уменьшения дрейфа нуля являются: применение глубоких отрицательных обратных связей; использование термокомпенсирующих элементов (резисторов, диодов, транзисторов); преобразование постоянного тока в переменный с последующим его преобразованием в постоянный; применение балансных (мостовых) схем и др.

Для работы в диапазоне частот, начиная от постоянного тока . из схемы усилителя необходимо исключить все реактивные элементы. В частности, при переходе к УПТ, схема с эмиттерной стабилизацией сохраняет все сопротивления цепей смещения, т.е. элементы схемы температурной стабилизации. Но при этом коэффициент усиления ее резко уменьшается, так как нешунтированное емкостью сопротивление Rэ – сопротивление отрицательной обратной связи включается в цепь протекания полезного сигнала и увеличивает входное сопротивление, в соответствии с выражением

. (14.1)

Коэффициент усиления в этом случае уменьшается до величины,

равной 3-5. Использование многокаскадного включения таких одиночных УПТ не может кардинально изменить ситуацию. Рассмотрим схему многокаскадного УПТ рис 14.2.

Рис.14.2. Схема многокаскадного усилителя постоянного тока

Особенностью этого усилителя является то, что выводы коллектора и базы транзисторов соседних каскадов соединены непосредственно. Резисторы, включенные в цепь эмиттера каждого каскада, обеспечивают внутрикаскадные отрицательные обратные связи по току, кроме того предназначены для создания необходимого напряжения U_бэо в режиме покоя. Этим достигается повышение положительного потенциала на эмиттере каждого транзистора за счет протекания тока эмиттера через R_э. Таким образом напряжение U_бэо в режиме покоя второго и последующих каскадов будет определяться соответственно.

. (14.2)

Задание режима по постоянному току первого каскада УПТ осуществляется аналогично как и для усилителей переменного сигнала.

Рассмотрим основные показатели усилителя для приращений входного сигнала, используя выражения, полученные для каскада с ОЭ. Если резисторы делителя напряжения R₁ и R₂ высокоомны, то входное сопротивление усилителя определяется в основном входным сопротивлением транзистора

, (14.3)

а коэффициенты усиления по напряжению каскадов определяются следующими выражениями

, (14.4)

, (14.5) ( . (14.6)

Из выражений видно, что коэффициенты усиления по напряжению отдельных каскадов обратно пропорциональны сопротивлениям в цепи эмиттера. Для поддержания неизменного режима покоя всех каскадов ( , ) при увеличении сопротивлений , необходимо уменьшать сопротивления резисторов , , что следует из выражений

, (14.7)

. (14.8)

Это приводит к уменьшению коэффициентов усиления второго и третьего каскадов за счет возрастания глубины отрицательной обратной связи по току.

Оптимизация режимов работы каждого каскада , а также и использование каких-либо более сложных схемотехнических решений не позволяет значительно измерить ситуацию. Многокаскадные УПТ позволяют получить невысокий коэффициент усиления порядка нескольких десятков раз. УПТ с большим усилением можно получить только при использовании дифференциального включения транзисторов.