Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов с частотой, т. е. название «усилители постоянного тока» подчеркивает тот факт, что эти усилители способны усиливать сигналы с очень низкой частотой, вплоть до нулевой. В связи с этим в качестве элементов связи между каскадами УПТ, а также между усилителем и нагрузкой и источником входного сигнала не могут использоваться конденсаторы или трансформаторы. Поэтому, если не касаться специальных типов УПТ с преобразованием частот, единственным видом межкаскадной связи в УПТ является непосредственная (гальваническая) связь.

При непосредственной связи изменение режима покоя каскада, вызванное нестабильностью напряжения источника питания или изменением условий окружающей среды (в частности температуры), приведет к дрейфу (изменению) выходного напряжения усилителя (иначе — дрейфу нуля, поскольку напряжение на выходе УПТ при отсутствии входного сигнала должно равняться нулю), т. е. появлению на выходе усилителя ложного сигнала (помехи). Стабилизация режима покоя каскада за счет отрицательной обратной связи не дает положительного эффекта, поскольку с уменьшением напряжения дрейфа уменьшается и коэффициент усиления, в результате чего приведенное к входу напряжение дрейфа не уменьшается (приведенное напряжение дрейфа равно отношению напряжения дрейфа на выходе усилителя к его коэффициенту усиления). Поэтому при построении УПТ применяются балансные каскады, у которых уменьшение напряжения дрейфа достигается за счет использования пар элементов с идентичными параметрами. По балансной схеме строится в основном входной (иногда второй) каскад, вносящий наибольший вклад в величину напряжения дрейфа на выходе усилителя.

На рис. 2.14 приведена схема простейшего балансного каскада на биполярных транзисторах. Применение двух источников питания (положительного и отрицательного напряжения, причем) способствует согласованию по постоянному току каскадов между собой, а также с источником входного сигнала (каскад может работать и при нулевых постоянных напряжениях на базах, поскольку токи баз транзисторов задаются источником питания). Если плечи каскада, состоящие соответственно из элементов, идентичны, то при отсутствии входных сигналов () напряжение на выходе каскада равно нулю и не будет изменяться при согласованном изменении параметров идентичных элементов, а также при изменении напряжений источников питания.

Рассмотрим работу каскада для случая, когда, а. Сигнал с первого входа (Вх.1) поступает на первый выходной зажим (Вых.1) по пути, а на второй выходной зажим (Вых.2) — по пути. Выражение выходного напряжения при этом будет иметь вид.

.

где — коэффициенты усиления транзистора соответственно с базы на коллектор и с базы на эмиттер, а — коэффициент усиления транзистора с эмиттера на коллектор. Используя выражения (2.5), а также данные табл. 2.2, с учетом обозначений элементов на рис. 2.14 выражения этих коэффициентов можно записать в таком виде:

.

Полагая и учитывая, что плечи каскада идентичны, получим выражение коэффициента усиления каскада с первого входа:

. (2.6).

Аналогично для случая, будем иметь.

. (2.7).

Таким образом, у балансного каскада один из входов (здесь — первый) инвертирующий, а другой неинвертирующий, причем коэффициенты усиления с этих входов по модулю одинаковые.

Если сигналы поданы на оба входа, то выходное напряжение равно усиленной разности двух входных напряжений:

.

т.е. балансный каскад проявляет дифференциальные свойства. При подаче на вход синфазного сигнала выходное напряжение у идеального дифференциального каскада равно нулю, а у реального каскада выходное напряжение.

и коэффициент усиления синфазного сигнала будут, при прочих равных условиях, меньше, если .

Значительное увеличение сопротивления линейного резистора при заданном токе невозможно, поскольку это потребует большого напряжения от источника питания. Поэтому вместо резистора чаще всего используется нелинейный элемент в виде генератора тока на биполярном транзисторе (рис. 2.15), у которого дифференциальное сопротивление коллекторного перехода может достигать нескольких мегом при сравнительно небольшом постоянном напряжении между коллектором и эмиттером, но достаточном, чтобы ввести транзистор в активный режим (пологий участок ВАХ).

В схемах на рис. 2.15 транзистор в диодном включении служит для термокомпенсации изменения тока коллектора (с увеличением температуры напряжение открытого эмиттерного перехода транзистора уменьшается, в результате чего уменьшается напряжение смещения, подаваемое на базу транзистора, что препятствует увеличению коллекторного тока, вызываемому изменением собственных температурозависимых параметров транзистора).

Генераторы тока используются также вместо резисторов, что способствует увеличению коэффициента усиления каскада, поскольку сопротивление его нагрузки не будет зависеть от, а будет определяться только входным сопротивлением последующего каскада (у генераторов тока, включаемых вместо резисторов, цепь смещения является общей).

Входное дифференциальное сопротивление каскада, схема которого приведена на рис. 2.14, можно определить, используя выражения (2.5):

усилитель ток сигнал транзистор

.

Чтобы увеличить это сопротивление, транзисторы входного каскада переводят в режим микротоков, поскольку при уменьшении тока эмиттера увеличивается сопротивление, а значит, и. Но у обычных транзисторов, работающих в режиме микротоков, коэффициент небольшой (), поэтому применяются специальные транзисторы со сверхтонкой базой (супербета-транзисторы), у которых и в режиме микротоков, т. е.. Так как напряжение пробоя коллекторного перехода у таких транзисторов небольшое (порядка 1,5…2 В), в каскадах, выполненных с использованием супербета-транзисторов, предусматриваются меры защиты, исключающие работу супербета-транзисторов при опасных для них напряжениях.

На рис. 2.16 приведена схема балансного каскада с супербета-транзисторами и, которые совместно с обычными транзисторами и образуют идентичные плечи каскада (и). Назначение генератора тока, выполненного по схеме рис. 2.15,а, такое же, как и в схеме каскада типа ОЭ (рис. 2.14), а генератора тока (рис. 2.15,б) — обеспечение базовых токов транзисторов и, а также токов транзисторов и. Транзисторы (в диодном включении) и образуют схему защиты супербета-транзисторов и, не допуская на их коллекторах опасного напряжения. Поскольку транзисторы и всегда открыты, напряжение между точками, а и б () примерно равно, и оно не может существенно измениться из-за свойств p-n-переходов. Это напряжение приложено между базой транзистора () и эмиттером транзистора (), поэтому напряжение между коллектором и эмиттером супербета-транзистора равно, т. е. к коллекторному переходу транзистора () приложено напряжение, близкое к нулю.

Транзисторы и образуют активную нагрузку каскада с несимметричным выходом, который требуется, если последующий каскад небалансный. Транзистор работает в режиме генератора тока, являясь высокоомной нагрузкой для правого плеча каскада, а транзистор в диодном включении задает напряжение смещения на базу транзистора, а также служит низкоомной нагрузкой для левого плеча каскада. Несмотря на то, что нагрузки для левого и правого плеча резко различаются по сопротивлению, балансные свойства каскада сохраняются, поскольку изменение (небольшое) постоянного напряжения на нагрузке левого плеча затем усиливается транзистором и суммируется на выходе каскада с приращением (относительно большим) постоянного напряжения на нагрузке правого плеча, причем эти приращения оказываются одинаковыми по модулю и разными по знаку (транзистор инвертирует сигнал с левого плеча). В то же время для сигнала, поступившему на первый вход каскада (Вх.1), коэффициенты передачи по пути и пути одинаковы и по модулю, и по знаку:

.

(На рис. 2.16 — это эквивалентная, а не реальная нагрузка, подключение которой к выходу каскада должно быть согласовано по постоянному току). При выводе этой формулы предполагалось, что, и, кроме того, в связи с взаимной компенсацией сигналов, полагалось, что узел, а по переменному току заземлен.

Рассматривая аналогично работу каскада со второго входа, получим.

.

т.е. второй вход каскада является инвертирующим.