Усилители постоянного тока с преобразованием

Анализ работы усилителей постоянного тока прямого усиления позволяет сделать вывод, что основным их недостатком является

дрейф нуля. Применение балансных схем усилителей и стабилизированных источников питания позволяет снизить дрейф нуля до сотен, в лучшем случае до нескольких десятков микровольт. Такой дрейф в У ПТ не позволяет их использовать в чувствительных усилителях для медленно изменяющихся во времени сигналов, если само входное напряжение медленно изменяется, а также действуют факторы, влияющие на параметры усилителя — изменения температуры, нестабильность питающего напряжения и т.д. В усилителях переменного тока дрейф нуля отсутствует, поэтому их чувствительность значительно больше.

Для использования этого свойства усилителей переменного тока необходимо малые сигналы постоянного тока преобразовать в сигналы переменного тока, а затем усиливать сигнал переменного тока.

Поэтому для усиления сигналов с входным напряжением меньше сотни микровольт (очень малых) используют усилители постоянного тока с преобразованием частоты. Структурная схема УПТ с преобразованием частоты приведена на рис. 9.115.

Принцип действия УПТ с преобразованием частоты заключается в том, что напряжение медленно изменяющегося сигнала преобразуется в напряжение переменного тока, амплитуда которого изменяется пропорционально изменению амплитуды входного сигнала. На выходе усилителя включен выпрямитель, который выпрямляет усиливаемый сигнал в соответствии с полярностью указанного сигнала.

Преобразование входного сигнала постоянного напряжения в переменное напряжение (U_M) осуществляется с помощью преобразователя частоты — модулятора. Сигнал переменного тока преобразуется в исходный сигнал на выходе усилителя с фазочувствительным

Рис. 9.115. Структурная схема усилителя постоянного тока с преобразованием выпрямителем — демодулятором (U_Bblx)- На модулятор и демодулятор от вспомогательного генератора (Г) подается напряжение синусоидальной или прямоугольной формы, которое называется напряжением несущей или опорной частоты (U₀ ). Фильтр несущих частот (ФНЧ) на выходе демодулятора выделяет полный спектр сигнала (t/ф) и не пропускает на выход несущую частоту и ее гармоники, т.е. фильтрует выходное напряжение.

Временные диаграммы работы УПТ с преобразователем приведены на рис. 9.116. Частота колебаний (/J>_n) модулирующего источника сигнала (генератор Г), т.е. генератора опорного напряжения несущей частоты, должна в 10—20 раз превышать верхнюю частоту спектра преобразуемого входного сигнала, иначе на выходе усилителя форма сигнала окажется искаженной. В результате на выходе модулятора будем иметь переменный сигнал с периодически меняющейся полярностью (рис. 9.116, г) в зависимости от изменения полярности входного сигнала и огибающей, соответствующей закону изменения напряжения входного напряжения (рис. 9.116, д). Таким образом, при изменении знака входного напряжения (U_RX) фаза переменного напряжения на выходе модулятора (U_M) изменяется на противоположную (точка А на рис. 9.116). Благодаря трансформаторной связи постоянная составляющая выходного напряжения модулятора отсутствует. Дрейф нуля УПТ с преобразователем определяется фактически только дрейфом модулятора, поэтому усилитель переменного напряжения практически не имеет дрейфа, а дрейфом демодулятора можно пренебречь, так как на его вход подается большое напряжение, значительно превышающее напряжение возможных помех.

Наибольшее распространение в настоящее время получили модуляторы и демодуляторы на транзисторах. Модуляторы могут быть выполнены как по однотактной, так и по двухтактной схеме. Демодуляторы могут работать на дифференциальную и недифференциальную нагрузку, а также могут быть выполнены по однополу- периодной или двухполупериодной схеме.

Схема однотактного (однополупериодного) модулятора представлена на рис. 9.117. Работа схемы основана на зависимости сопротивления перехода эмиттер—коллектор транзистора от величины и полярности напряжения между базой и одним из управляющих электродов транзистора (эмиттер или коллектор). В данной схеме

Рис. 9.116. Временные диаграммы напряжений на элементах усилителя постоянного тока с преобразованием: а — с генератора опорного напряжения; б — входное напряжение; в — с двухполупериодного модулятора; г — с усилителя; д — с демодулятора управляющим служит коллекторный переход (это дает наилучшие результаты). Такое инверсное включение транзистора создает схему эмиттер- ного повторителя с коэффициентом усиления, равным единице. На этот переход подается опорное напряжение с частотой f_on и амплитудой выше амплитуды входного сигнала. Входное постоянное напряжение (U_BX) включено в коллекторную цепь транзистора.

Транзистор периодически открывается и закрывается модулирующим напряжением U_on. В открытом состоянии транзистор насыщен и представляет малое сопротивление для U_BX. В закрытом состоянии через транзистор течет только тепловой ток /_{кэ об} и сопротивление транзистора — бесконечно большое для U_BX. В результате на выходе модулятора ток и напряжение U_BX изменяются с частотой f_on. Напряжение подается на вход усилителя переменного тока, имея вид, показанный на рис. 9.116, в. Связь модулятора с усилителем может быть осуществлена через разделительный трансформатор или конденсатор.

Дрейф в усилителях с преобразованием возможен из-за нестабильности теплового тока транзистора и остаточного напряжения в схеме модулятора. Для устранения дрейфа из-за теплового тока применяются двухтактные схемы модуляторов (рис. 9.118).

В двухтактной (двухполупериод- ной) схеме модулятора модулирующий сигнал U_on создает на базах транзисторов VT1 и VT2 противофазные напряжения U_Ej и U_E2, обеспечивающие противоположные состояния транзисторов. Для уменьшения остаточного напряжения в схеме модулятора управляющие напряжения ?/_Б1 и U_h2 подаются в коллекторный переход.

Полярность противофазных напряжений меняется с каждым периодом U_on. Пусть в течение одного полупериода U_Qn на базу транзистора VT1 поступает положительный потенциал, тогда транзистор VT1 будет закрыт. Одновременно на базу VT2 поступает отрицательный потенциал, при этом транзистор VT2 открыт и находится в режиме насыщения. Насыщенный транзистор имеет очень малое внутреннее сопротивление и представляет собой цепь, накоротко замкнутую для прохождения напряжения U_BX. В другой по- лупериод U_on напряжения t/_B1 и ?/_Б2 изменяют полярность, транзистор VT1 открывается и входит в режим насыщения, a VT2 закрывается (рис. 9.116, в).

Остаточное напряжение можно уменьшить, если использовать компенсированные ключи, представляющие собой последовательное встречное включение двух транзисторов, которые открываются и закрываются одновременно под действием модулирующего управляющего опорного (модулирующего) напряжения U (рис. 9.119). При открытом состоянии транзисторов их остаточные напряжения компенсируют друг друга.

При положительном потенциале модулирующего напряжения в точке А и отрицательном в точке Б в один из полупериодов U_Qn транзисторы VT1 и VT2 закрыты и входной сигнал без искажения поступает на выход модулятора U_M, а далее на вход усилителя переменного тока. При смене полярности в точках А и Б транзисторы VT1 и VT2, работающие в инверсном режиме, находятся в насыщении и их остаточные напряжения компенсируют друг друга.

Рис. 9.119. Схема двухтактного модулятора на компенсированных ключах

В этом случае напряжение на выходе модулятора близко к нулю. Таким образом, на выходе модулятора получим последовательность одиночных импульсов U_M с огибающей, которая соответствует закону изменения входного напряжения. При изменении знака U_BX выходные импульсы (U_M) также изменяют свою полярность. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе модулятора, построенного на основе компенсированного ключа и усилителя, показаны на рис. 9.120.

Рис. 9.120 (начало). Временные диаграммы напряжений на элементах усилителя постоянного тока с преобразованием: а — с генератора опорного напряжения; б — входное напряжение; в — с модулятора; г — с усилителя

Рис. 9.120 (окончание): д — с однополупериодного демодулятора (ДМ);

е — с фильтра

В качестве усилителя переменного тока (нагрузки модулятора) можно применить параллельно-балансный дифференциальный каскад с симметричным входом и несимметричным выходом УПТ или операционный усилитель, на входах и выходах которого включить разделительные трансформаторы или конденсаторы для исключения постоянной составляющей и дрейфа.

Схемы демодуляторов во многом похожи на схемы выпрямителей. Отличительной особенностью схем демодуляторов является наличие генератора опорного (модулирующего) напряжения (?/_оп), имеющего ту же частоту, что и выпрямляемое переменное напряжение на входе усилителя. Поэтому напряжение опорной или несущей частоты одновременно подается как на модулятор, так и на демодулятор.

На рис. 9.121 приведена схема двухполупериодного демодулятора, работающего на дифференциальную нагрузку. Обычно амплитуда U_Qn больше, чем амплитуда напряжения с усилителя U, поэтому

Рис. 9.121. Схема двухполупериодного демодулятора

работа диодов управляется опорным напряжением. Если напряжение U_y = 0, то при полярности опорного напряжения, которая показана на рис. 9.121, диоды VD1 и VD2 открыты и через нагрузку R1 и R2 протекают токи и /₂. При симметрии схемы токи и i₂ равны, поэтому выходное напряжение равно нулю. Во второй по- лупериод опорного напряжения диоды закрыты и выходное напряжение также равно нулю.

При подаче напряжения с выхода усилителя на вход демодулятора напряжение на одном из диодов совпадает по фазе с опорным напряжением, например на диоде VD1, на другом диоде находится в противофазе. В этом случае на выходе появится напряжение, пропорциональное разности напряжений U_Rl и U_R2• При изменении фазы напряжения U_y изменится полярность входного сигнала (?/_вых = ?/_R1 + U_R2). Временные диаграммы работы показаны на рис. 9.116, д.

Схема однополупериодного демодулятора показана на рис. 9.122. В схеме на транзисторе VT построен ключ (прерыватель тока), открытие и закрытие которого определяется сигналом модуляции

Рис. 9.122. Схема однополупериодного демодулятора с фильтром

При отрицательной полярности модулирующего напряжения (t/_on) на базе транзистора ключ закрыт, и напряжение с выхода усилителя (U_y) проходит на выход. При положительной полярности U_Qn ключ открыт и шунтирует выходное напряжение усилителя. Таким образом, на выход демодулятора поступает выпрямленное напряжение, полярность которого зависит от фазы выходного напряжения усилителя переменного тока. Временные диаграммы работы демодулятора показаны на рис. 9.120, г—е.

На выходе схемы УПТ с преобразователем устанавливают сглаживающий фильтр низких частот (ФНЧ). ФНЧ пропускает сигналы низкой частоты и шунтирует сигналы высокой частоты, выделяя огибающую переменного выпрямленного напряжения соответствующей формы (рис. 9.120, ё).

Общим недостатком всех схем усилителей с преобразователями является узкая полоса пропускания, так как модулирующая частота напряжения U_Qn должна быть в десятки раз выше наибольшей частоты усиливаемого входного сигнала.