Усилителем постоянного тока (УПТ) называют такой электронный усилитель, который усиливает медленно меняющиеся сигналы, в том числе и постоянные. Таким образом, нижняя граничная частота его АЧХ должна быть равна 0, кроме того усилитель должен реагировать на знак сигнала, выходное постоянное напряжение при отсутствии сигнала на входе должно быть стабильным. Обычные последовательные многокаскадные усилители даже при отсутсвии разделительных конденсаторов между каскадами не позволяют построить хорошие УПТ.
В настоящее время основой для УПТ являются так называемые дифференциальные каскады (ДК), реагирующие на разность сигналов на двух его входах. Схема ДК состоит из двух симметричных плеч, что дает возможность иметь на выходе реальный нуль при нулевых или равных сигналах на входе, причем при хорошей симметрии нестабильность нуля (дрейф нуля) значительно меньше дрейфа нуля в обычных каскадах. На рис.1 показана обобщенная схема ДК.
Рис.1
На вход ДК подаются два сигнала Uвых, 1 и Uвых, 2 (один из них может быть равен 0).
Дифференциальный входной сигнал равен разности:
Uвх,д = U вх, 1 –Uвх, 2
С ДК можно снимать сигналы как с каждого плеча: Uвых, 1 и Uвых, 2, так и разностный сигнал
Uвых,д = Uвых, 1 –Uвых, 2.
При анализе ДК входные сигналы представляют в виде суммы синфазных (одинаковых по величине и знаку) и противофазных (одинаковых по величине, но противоположных по знаку) составляющих:
Uвх, 1= Uвх,сф + Uвх,пф; Uвх, 2= Uвх,сф –U вх,пф,
где
 ,
| (1) |
 .
| (2) |
Если, например, Uвх, 1№ 0, Uвх, 2= 0, то Uвх,пф = Uвх,сф = Uвх, 1/ 2.
Пусть коэффициент передачи по каждому плечу каскада равен K, т.е. K= Uвых, 1, 2 / Uвх, 1, 2,
тогда Uвых, 1= K (Uвх,сф + Uвх,пф), Uвых, 2= K (Uвх,сф –U вх,пф). Следовательно, выходной сигнал на дифференциальном выходе будет равен:
Uвых,д=Uвых, 1 –Uвых, 2=2 KUвх,пф = K (Uвх, 1 –Uвх, 2)= KUвх,д.
Таким образом при полной симметрии схемы сигнал на дифференциальном выходе пропорционален противофазной составляющей сигналов на входе. Если Uвх, 1= Uвх, 2, то есть Uвх,пф =0, на дифференциальном выходе сигнал также равен нулю. При одинаковых дестабилизирующих факторах (например, изменении температуры) на каждом плече ДК появляются одинаковые приращения напряжений, следовательно на дифференциальном выходе разность останется прежней. То есть в такой схеме теоретически отсутствует дрейф нуля.
Реальные схемы естественно не могут обладать идеальной симметрией плеч, поэтому задачей при построении таких УПТ является схемотехническое увеличение симметрии.
Балансная схема УПТ
Применение балансных схем является эффективным методом уменьшения дрейфа нуля. Балансные схемы в сочетании с глубокой отрицательной обратной связью и термокомпенсацией дают возможность существенно увеличить стабильность УПТ. Балансные схемы строятся на двух транзисторах и бывают параллельного и последовательного типов. Основой построения балансного каскада является электрический мост с попарно симметрично выполненными плечами, рис.15.3.
Рис.15.3. Электрический мост
Как известно, если мост сбалансирован, т.е R1/R2=R3/R4, то при изменении питающего напряжения Е ток нагрузки остается равным нулю. В балансной схеме УПТ, рис.15.4, вместо R2 и R4 применяются транзисторы VI и V2. Таким образом, коллекторные сопротивления и внутренние сопротивления транзисторов образуют четыре плеча моста.
Рис. 15.4. Балансный усилитель постоянного тока.
К вертикальной диагонали подключается напряжение питания, а нагрузка включается между коллекторами транзисторов. Входной сигнал прикладывается на базу первого транзистора. При полной симметрии плеч схемы, которая обусловлена выбором Rн1=Rн2 и транзисторов с идентичными параметрами, и отсутствии входного сигнала разность потенциалов между коллекторами VI и V2 равна нулю. Если входной сигнал не равен нулю, то потенциалы коллекторов получают одинаковые по абсолютной величине, но разные по знаку приращения и через нагрузку течет ток. Такие каскады очень удобны в качестве выходных, если необходимо иметь симметрично изменяющееся напряжение или симметрично изменяющийся ток.
Уменьшение дрейфа нуля обусловлено следующим: при изменении напряжения питания Е потенциалы коллекторов в симметричной схеме получают одинаковые приращения, поэтому выходное напряжение и ток в нагрузке остаются неизменными. То же самое происходит и при температурных изменениях.
В реальной схеме всегда имеется некоторая асимметрия плеч, поэтому изменения токов в обоих плечах моста будут различными и некоторая нестабильность нуля сохранится. Для повышения стабильности в цепь эмиттеров включается большое сопротивление Rэ. В симметричной схеме на сопротивлении R не возникает обратная связь, так как ток через него можно считать неизменным:
DJэ1= - DJэ2.
Установка нуля при использовании каскада в усилителе постоянного тока может вестись с помощью потенциометра Rp. Но так как плечи мостовой схемы за счет разброса параметров оказываются несимметричными, то это приводит к нарушению баланса при изменении температуры.