VIII.2. Усилители постоянного тока прямого усиления

VIII.1. Непосредственная связь между каскадами.

Глава VIII. Усилители постоянного тока

Во многих радиоэлектронных устройствах имеют место колебания, частоты которых близки к нулю. Например, очень часто различного типа датчики – чувствительные элементы, реагирующие на изменения того или иного параметра, требующего автоматического регулирования,- создают постоянное напряжение, пропорциональное величине регулируемого параметра. Это напряжение необходимо усилить и подать на исполнительный механизм. Как правило, напряжение, подаваемое на вход усилителя, меняется довольно медленно. Для усиления медленно меняющихся во времени сигналов применяются усилители постоянного тока.

Усилителями постоянного тока (УПТ) называют устройства, способные усиливать не только переменные напряжения или токи, но и передавать с усилением уровень постоянной составляющей. Следовательно, нижняя граничная частота УПТ равна нулю, а верхняя может быть как очень низкой, так и очень высокой (например, равняться нескольким мегагерцам).

В УПТ применяется непосредственная (гальваническая) связь между каскадами, так как связь через разделительные конденсаторы и трансформаторы не обеспечивает передачи постоянной составляющей усиливаемого сигнала.

Непосредственная связь между каскадами применяется и в усилителях переменного тока, особенно при выполнении их в виде интегральных микросхем (ИМС). В этих микросхемах нежелательно применение переходных конденсаторов, так как они занимают очень большую площадь по сравнению с транзисторами и резисторами.

УПТ широко применяются в электронной аппаратуре: в цифровых вольтметрах, осциллографах, системах АРУ радиоприёмных устройств, электронных стабилизаторах тока и напряжения, управляющих, регулирующих и следящих системах и многих других случаях.

По принципу действия УПТ можно разделить на два типа: УПТ прямого усиления и УПТ с преобразованием.

Так как УПТ должен усиливать как переменную, так и постоянную составляющие входного сигнала, в его цепях нельзя применять электрические детали, сопротивление которых зависит от частоты в области низких и средних частот – конденсаторы, дроссели, трансформаторы. Здесь пригодны лишь детали, сопротивление которых в полосе частот от f_Н = 0 до f_СР практически неизменно.

В транзисторных УПТ прямого усиления применяется схема прямой (непосредственной) межкаскадной связи, в которой коллектор предыдущего каскада непосредственно соединяют с базой следующего. На рис.8.1 показана схема УПТ с непосредственной связью между каскадами.

Рис.8.1. Усилитель постоянного тока с прямой связью.

Для создания между базой и эмиттером второго и третьего транзисторов напряжения смещения, требуемого для получения нужного тока коллектора, падение напряжения на эмиттерном резисторе R_Э следующего транзистора создают больше падения напряжения на R_Э предыдущего.

Стабилизацию точек покоя транзисторов осуществляют резисторами R_Э1, R_Э2, R_Э3. Эти резисторы создают в каждом каскаде местную ООС по току, снижающую усиление. Вследствие возрастающего падения напряжения на эмиттерных резисторах глубина ООС увеличивается в каждом последующем каскаде, в результате чего усиление третьего каскада обычно получается небольшим, а построение усилителя типа рис.8.1 с числом каскадов больше трёх оказывается нецелесообразным. Делитель напряжения R₁R₂ компенсирует падение напряжения, поступающее на источник сигнала с резистора R_Д2, и сохраняет смещение на входе транзистора VT₁ неизменным при изменении внутреннего сопротивления источника сигнала. Делитель R¢₁R¢₂ компенсирует постоянную составляющую напряжения, поступающую на нагрузку усилителя с коллектора транзистора VT₃ при отсутствии сигнала на входе. Для улучшения стабильности показателей такого усилителя в схему обычно вводят ООС, охватывающую все три каскада, для чего верхние концы резисторов R₁ и R_Д1 присоединяют не к минусу источника питания (рис.8.1), а к коллектору транзистора VT₃.

При симметричном (двухтактном) построении схемы рис.8.1 и включении стабилизирующих режим транзисторов резисторов R_Э в общие провода эмиттеров каждого из каскадов местные ООС по току в каскадах устраняются, в результате чего все каскады такого усилителя дают полное усиление. Поэтому симметричные схемы УПТ с прямой связью оказываются наиболее простыми, удобными и надёжными в ИМС.

Недостатки несимметричного варианта схемы УПТ с прямой межкаскадной связью:

1. Низкий коэффициент усиления второго и третьего каскадов;

2. Отсутствие общего провода между входной и выходной цепями, необходимого при наличии общей точки между источником сигнала и нагрузкой. (Попытка создать этот общий провод сразу же шунтирует либо R₂, либо R¢₂).

Эти недостатки отсутствуют у УПТ с потенциометрической межкаскадной связью, где компенсация постоянного потенциала, поступающего с выходного электрода предыдущего каскада на вход следующего, осуществляется дополнительным источником постоянного напряжения Е_Д через делители напряжения (потенциометры), состоящие из резисторов R_П и R_C (рис.8.2).

Рис. 8.2. Усилитель постоянного тока с потенциометрической связью.

Резисторы и конденсаторы в цепях эмиттеров здесь ставятся для стабилизации режима и высокочастотной коррекции, применяемой обычно в широкополосных каскадах.

Частотная характеристика на верхних частотах у каскадов с прямой и потенциометрической связью не отличается от характеристик резистивного каскада.

Недостатки схемы УПТ с потенциометрической связью между каскадами:

1. Большее, чем в УПТ с прямой межкаскадной связью, количество резисторов;

2. Меньшие коэффициенты усиления по току и напряжению (в 1,5 ¸ 2 раза) по сравнению с обычным резистивным каскадом из-за потерь тока и напряжения сигнала в потенциометре R_ПR_С.