Усилители постоянного тока

Общие сведения и особенности усилителей постоянного тока

Рис. 9.101. Амплитудно-частотная характеристика усилителя постоянного тока

Усилителями постоянного тока (УПТ) называются усилители, коэффициент усиления которых не уменьшается при снижении частоты входного сигнала вплоть до нуля. Такие усилители производят не только усиление постоянной, но и переменной составляющей сигнала, т.е. усиливают электрические колебания с частотой от нуля до высшей граничной частоты, определяемой назначением усилителя. Амплитудно-частотная характеристика такого усилителя приведена на рис. 9.101.

Из характеристики видно, что при понижении частоты до /_н = 0 коэффициент усиления не уменьшается до нуля, а остается неизменным и лишь незначительно уменьшается при критической верхней частоте /_в, определенной для данной схемы. В зависимости от схем включения усилительных элементов УПТ усиливают ток, напряжение и мощность. Основное применение УПТ — усиление медленно изменяющихся сигналов, включая и их постоянную составляющую.

Электрические сигналы на входе УПТ во многих случаях малы по величине. Для усиления таких слабых электрических сигналов одного каскада обычно недостаточно, поэтому приходится применять многокаскадный усилитель.

Связь источника питания с входом и выхода усилителя с нагрузкой, а также между каскадами не может быть осуществлена в УПТ с помощью трансформатора и конденсатора, поскольку эти элементы не пропускают постоянную составляющую и с ними Кц = 0, при /_н = 0.

Для передачи медленно изменяющегося сигнала по тракту усиления необходимы непосредственная или резисторная связь каскадов и полное отсутствие реактивных элементов (С и TV). При выполнении этих требований возникают определенные трудности, связанные с согласованием режимов работы соседних каскадов по постоянному току, т.е. с заданием точки покоя транзисторов. Так как все усилительные элементы получают питание от источников постоянного тока, то в определенном режиме покоя через них протекает постоянный ток покоя. Любое внешнее или внутреннее изменение в схеме приводит к изменению заданного режима работы и значения тока покоя. К таким изменениям можно отнести нестабильность напряжения питания схемы, температурную и временную нестабильность параметров транзисторов и резисторов, а также низкочастотные шумы и помехи. В результате любого внешнего или внутреннего воздействия изменяется начальный ток покоя, что ведет к изменению выходного напряжения. Это изменение ничем не отличается от изменений, вызванных воздействием полезного сигнала на входе усилителя, и воспринимается как сигнал выхода при отсутствии входного сигнала, т.е. ложный сигнал. Самопроизвольное изменение напряжения на выходе усилителя от начального значения при отсутствии входного сигнала называется дрейфом нуля усилителя. Также изменения особенно нежелательны в первых каскадах многокаскадного усилителя, поскольку они усиливаются последующими каскадами. Дрейф нуля в УПТ создает на выходе усилителя медленно изменяющееся выходное напряжение — сигнал, скорость изменения которого зависит от интенсивности внешнего и внутреннего воздействий и параметров элементов схемы.

Другая важная особенность УПТ состоит в том, что при уменьшении начального тока покоя одного каскада уменьшается начальный ток покоя в последующих каскадах в многокаскадных усилителях. Это объясняется тем, что каждый предыдущий каскад для последующего каскада является элементом, создающим определенное смешение для усилительного элемента, и влияет на режим работы, а между каскадами действует не только прямая связь, но и обратная связь по постоянному току.

В усилителях переменного тока режим последующего каскада по постоянному току (режим покоя) определяется только элементами своего каскада. Конденсаторы и трансформаторы, связывающие каскады по переменному току, отделяют их одновременно по постоянному току. Благодаря этому все изменения режима по постоянному току одного из усилительных каскадов переменного тока не влияют на режимы работы по постоянному току других каскадов и практически не влияют на выходное напряжение усилителя.

Отсюда можно сделать вывод о том, что параметры режима покоя в каскадах УПТ рассчитываются с учетом элементов, относящихся к выходной цепи последующего каскада. При выборе схемы каскада особое внимание уделяют стабильности состояния каскадов в режиме покоя в отношении влияния всех действующих факторов, особенно изменения напряжения питания и температуры окружающей среды.

Различают понятия абсолютного и приведенного дрейфа нуля. Под абсолютным дрейфом нуля понимают максимальную амплитуду приращения выходного сигнала (— U_VWL дрейф) при отсутствии сигнала на входе усилителя (t/р = 0). Приведенным дрейфом нуля называется отношение абсолютного дрейфа нуля к коэффициенту усиления усилителя К,_т

Качество усилителя постоянного тока оценивают по приведенному дрейфу нуля.

Приведенное напряжение дрейфа ^_дрейф определяет чувствительность усилителя. Для нормальной работы усилителя напряжение дрейфа ^дрейф не должно превышать заданного минимального напряжения на входе усилителя U_BX.

Если напряжение дрейфа на выходе усилителя окажется такого же порядка, что и напряжение сигнала или больше его, то уровень искажений усилителя превышает допустимое значение. Это может вызвать смещение рабочей точки (дрейф нуля) за пределы рабочей области характеристик УЭ. Дрейф нуля в УПТ нежелателен, и при построении практической схемы усилителя принимаются меры для его устранения. Основными способами уменьшения дрейфа нуля являются: стабилизация напряжений и токов всех источников питания, влияющих на режим работы усилительного каскада; применение глубокой ООС; компенсация температурного дрейфа элементами с небольшой зависимостью параметров от температуры (термокомпенсация); использование специальных схем.

По схемному решению У ПТ подразделяются на У ПТ прямого усиления и с преобразованием. По принципу действия УПТ подразделяются на однотактные и двухтактные (балансные).