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 цепи, 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 в 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.

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. Простейшая схема УПТ с одним источником питания приведена на рис. 6.9 (а). На рис. 6.9 (б) показаны временные диаграммы его 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 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 (U_вх=0) j_б=j₁ и j_к=j₂, 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 U_вых=0; в интервале t₁<t<t₂ при U_вх<0 выходное напряжение U_вых>0, а в интервале t>t₂ U_вх>0 и U_вых <0. В УПТ с одним источником питания и в других подобных усилителях 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.

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.

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 (на схеме обозначена ^).

Усилитель рассчитывают таким образом, что в отсутствие входного сигнала (U_вх=0) потенциал базы транзистора j_б=0 и потенциал эмиттера j_э»-0,5В. Потенциалы других точек схемы (относительно общей точки) зависят от напряжений источников питания и показаны для E₁=20В и Е₂=10В. К делителю R₃R₄ в отсутствие входного сигнала приложено напряжение U_R3+U_R4=j_к - (-Е₂)= j_к+Е₂; 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 U_R3=j_к и U_R4=E₂. Чтобы ток делителя не нарушал режима работы транзистора, его обычно выбирают значительно меньше тока коллектора:

Сопротивления резисторов делителя могут быть определены из соотношений

	(6.30)
	(6.31)

При подаче входного напряжения U_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 j_к. 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 R₃>>R₁ и R₄>>R₁, когда шунтирующее действие делителя можно не учитывать, определяется выражением

(6.32)

где К_о - коэффициент усиления усилителя с коллекторной нагрузкой без делителя, a R₄/(R₃+R₄) - множитель, учитывающий снижение коэффициента усиления за счет включения делителя.

Снижение коэффициента усиления незначительно лишь при R₄>>R₃, что обеспечивается при высоком напряжении источника питания Е₂. На практике обычно E₂=(0,5¸1)E₁ 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 U_ко, U_бо из-за нестабильности источников питания, старения транзисторов, изменения температуры окружающей среды и т. д. принципиально не отличается от полезного сигнала.

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.

Дифференциальный 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.

R₁/R₂=R₄/R₃

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.

На стабильность электрических режимов существенное влияние оказывает 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 Е₂» Е₁, 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 E₁ 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. E₁, E₂ 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 T1 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.

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.

По таким же схемам можно выполнять усилители на полевых транзисторах.