Лекция 28. Усилители постоянного тока (Занятие 2.1.18).

Вопросы:

1. Назначение и особенности построения.

2. УПТ с непосредственной связью.

3. Схемы сдвига уровня постоянного напряжения.

4. Балансные усилители постоянного тока.

 

Вопрос 1. Назначение и особенности построения

 

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов с сохранением постоянной составляющей. При уменьшении частоты до нуля коэффициент усиления остается таким же, как и на средних частотах, т.е. . Верхняя граничная частота  определяется назначением усилителя.

Усилители постоянного тока находят применение в:

- в радиоизмерительной аппаратуре;

- стабилизаторах напряжения и тока;

- устройствах автоматической регулировки усиления;

- аналоговых вычислительных устройствах;

- следящих системах и т.д.

В последнее время УПТ используются и для усиления звуковых сигналов, являясь составной частью усилительного устройства переменного тока. Широкое применение УПТ находят в интегральной схемотехнике.

По принципу действия и схемному выполнению усилители постоянного тока делятся на два основных вида:

- усилители с непосредственной связью;

- усилители с преобразованием сигнала.

УПТ должен усиливать постоянную составляющую сигнала, вследствие чего в его цепях нельзя применять элементы, сопротивление которых зависит от частоты (конденсаторы, дроссели, трансформаторы). Поэтому при построении УПТ не применимы емкостные и трансформаторные связи между каскадами. Следовательно, в УПТ с непосредственной связью используется простейшая схема прямой связи выхода первого каскада с входом следующего. При этом возникает задача согласования потенциальных уровней выходной цепи предыдущего каскада и входной цепи следующего каскада.

 

Вопрос 2. УПТ с непосредственной связью.

 

Рассмотрим принципиальную схему двухкаскадного усилителя с непосредственной связью, приведенную на рис.2.1.

При использовании низковольтных транзисторов согласование потенциалов коллектора V 1 и базы V 2 можно осуществить выбором сопротивлений R _э1 и R _э2 с условием . В этом случае можно обеспечить требуемое напряжение смещение .

                          (2.1)

По цепи  возникает отрицательная обратная связь. Следовательно, при повышении  глубина ООС увеличивается, поэтому число каскадов не должно превышать трех. Схемы УПТ с непосредственной связью просты по построению. Делитель напряжения R 1 R 2 компенсирует напряжение смещения, поступающее на источник сигнала и сохраняет смещение  неизменным при изменении внутреннего сопротивления источника сигнала. Делитель напряжения R 5 R 6 включается для компенсации постоянного напряжения .

Рисунок 2.1 - Двухкаскадный УПТ с непосредственной связью

 

Вопрос 3. Схемы сдвига уровня постоянного напряжения

 

Постоянное напряжение на коллекторе V 1 значительно превышает необходимое напряжение смещения на базе V 2. Поэтому в усилителях с непосредственной связью требуется погасить, т.е. скомпенсировать избыточное постоянное напряжение. Цепи, предназначенные для погашения избыточного постоянного напряжения, называют схемами сдвига уровня постоянного напряжения.

Простейшей схемой сдвига уровня является делитель напряжения в цепи межкаскадной связи, рис.3.1, а. Однако при такой схеме R 1 R 2 одинаково уменьшает передаваемое напряжение как, , так и усиливаемый сигнал. Вследствие этого уменьшается коэффициент усиления. В схемах сдвига уровня часто применяют стабилитроны, рис.3.1, б, у которых динамическое сопротивление незначительно. При этом полезный сигнал на нем практически не ослабляется, а погашаемое постоянное напряжение равно напряжению стабилизации стабилитрона.

 

Рисунок 3.1 - Схемы сдвига уровня

 

К сожалению, такая схема сдвига уровня имеет ряд недостатков:

- большой разброс напряжения стабилизации, следовательно, и погашаемого напряжения;

- стабилитроны работают в предпробойной области, вследствие чего имеют большой уровень шумов;

- малое динамическое сопротивление обеспечивается только при большом токе стабилитрона, поэтому приходится включать небольшое сопротивление , которое шунтирует  и тем самым уменьшает коэффициент усиления первого каскада. Шунтирование  элементами схемы сдвига уровня постоянного напряжения можно уменьшить, подключив к схеме сдвига уровня эмиттерный повторитель на транзисторе VТ2, рис.3.1, в, что позволит заметно увеличить коэффициент усиления. В операционных усилителях в схемах сдвига уровня вместо стабилитрона часто используются делители напряжения, содержащие обычный резистор и сопротивление генераторов стабильного тока (ГСТ). ГСТ отличается тем, что имеет значительное сопротивление по переменной составляющей и небольшое сопротивление по постоянной составляющей. Если включить ГСТ вместо R 2 (рис.3.1, а), то потеря полезного сигнала резко снижается, и все избыточное напряжение по постоянной составляющей погашается на R 1.

  Дрейф нуля и способы его уменьшения. Для УПТ с непосредственной связью большим недостатком является наличие дрейфа нуля. Под дрейфом нуля понимается выходное напряжение  усилителя при отсутствии входного сигнала, т.е. при . При наличии полезного сигнала на входе это напряжение, складываясь с полезным выходным сигналом, дает искажение усиливаемого сигнала. Причиной дрейфа нуля являются изменения источников питания во времени, изменение температуры, старение элементов во времени и внутренние шумы. Напряжение дрейфа  может даже превышать полезный сигнал. Поэтому при построении УПТ необходимо предусмотреть меры, уменьшающие дрейф нуля. Качество УПТ, с точки зрения дрейфа нуля, оценивается приведенным ко входу дрейфом нуля  где К – коэффициент усиления. Для неискаженного усиления сигналов необходимо обеспечить следующее условие: U _др.пр << U_c. Особое внимание приходится уделять первым каскадам, т.к. усиливаемый сигнал Uc еще незначителен.

Основными мерами уменьшения дрейфа нуля являются:

- высокая стабилизация напряжения источников питания;

- предварительный прогрев и ручная установка нуля;

- хорошая стабилизация рабочей точки;

- применение высококачественных элементов;

- построение специальных схем УПТ (балансные схемы, дифференциальные каскады);

- применение УПТ с оптронной связью и УПТ с преобразованием сигнала.

Для уменьшения дрейфа и стабилизации коэффициента усиления вводится глубокая ООС с выхода усилителя на его вход. Однако отрицательная обратная связь полностью не устраняет дрейф нуля и не улучшает отношение сигнала к дрейфу. При глубокой ООС напряжение дрейфа первого каскада передается на выход усилителя полностью, так как дрейф, возникающий во входной цепи, нельзя отличить от входного сигнала.

 

Вопрос 4. Балансные усилители постоянного тока.

 

Применение балансных схем является эффективным методом уменьшения дрейфа нуля. Балансные схемы в сочетании с глубокой отрицательной обратной связью и термокомпенсацией дают возможность существенно увеличить стабильность УПТ. Балансные схемы строятся на двух транзисторах и бывают параллельного и последовательного типов. Основой построения балансного каскада является электрический мост с попарно симметрично выполненными плечами, рис.4.1.

Как известно, если мост сбалансирован, т.е. R 1/ R 2= R 3/ R 4, то при изменении питающего напряжения Е ток нагрузки остается равным нулю. В балансной схеме УПТ, рис.4.1, вместо R 2 и R 4 применяются транзисторы VI и V 2. Таким образом, коллекторные сопротивления и внутренние сопротивления транзисторов образуют четыре плеча моста.

 

Рисунок 4.1 - Электрический мост.

 

К вертикальной диагонали подключается напряжение питания, а нагрузка включается между коллекторами транзисторов. Входной сигнал прикладывается на базу первого транзистора. При полной симметрии плеч схемы, которая обусловлена выбором R _н1 = R _н2 и транзисторов с идентичными параметрами, и отсутствии входного сигнала разность потенциалов между коллекторами VI и V 2 равна нулю. Если входной сигнал не равен нулю, то потенциалы коллекторов получают одинаковые по абсолютной величине, но разные по знаку приращения и через нагрузку течет ток. Такие каскады очень удобны в качестве выходных, если необходимо иметь симметрично изменяющееся напряжение или симметрично изменяющийся ток.

Уменьшение дрейфа нуля обусловлено следующим: при изменении напряжения питания Е потенциалы коллекторов в симметричной схеме получают одинаковые приращения, поэтому выходное напряжение и ток в нагрузке остаются неизменными. То же самое происходит и при температурных изменениях. В реальной схеме всегда имеется некоторая асимметрия плеч, поэтому изменения токов в обоих плечах моста будут различными и некоторая нестабильность нуля сохранится.

 

Рисунок 4.2 - Балансный усилитель постоянного тока.

 

Для повышения стабильности в цепь эмиттеров включается большое сопротивление R _э. В симметричной схеме на сопротивлении R не возникает обратная связь, так как ток через него можно считать неизменным:

D J _э1 = - D J _э2.

Установка нуля при использовании каскада в усилителе постоянного тока может вестись с помощью потенциометра R_p. Но так как плечи мостовой схемы за счет разброса параметров оказываются несимметричными, то это приводит к нарушению баланса при изменении температуры.