Усилители постоянного тока

Усилителями постоянного тока ( УПТ ) называют усилители, коэффициент усиления которых не умень­шается при снижении частоты вплоть до нуля. Такие усилители производят усиление не только перемен­ной, но и постоянной составляющей сигнала.

УПТ широко используют в электронных вычисли­тельных устройствах, в системах автоматического регулирования, в радиоизмерительных устройствах (электронные вольтметры, высокочувствительные гальванометры, осциллографы), в стабилизаторах, а также во многих промышленных установках. По принципу действия УПТ подразделяют на два основ­ных типа: прямого усиления и с преобразованием сигнала.

Электрические сигналы, воздействующие на вход УПТ, в основном малы и одного каскада для усиления недостаточно, поэтому применяют многокаскадный усилитель.Т.к.ёмкостная и трансформаторная связи не могут быть использованы, поэтому для соединения каскадов используют только гальваническую(непосредственную) связь.При этом базу транзистора каждого после­дующего каскада непосредственно соединяют с коллектором предыдущего, затем согласуют режимы соседних каскадов по постоян­ному току. Согласование режимов может быть двумя способами.

1.Доп. источник постоянного напряжения включают в цепь меж­каскадной связи (рис.а). Тогда в этом случае на­пряжение смещения Е₂есть разность постоянного напряжения Е₁ на выходе предыдущего каскада и напряжения Е дополн. источника:Е₂=Е₁- | Е|. Меняя Е,подбирается нужное для транзистора второго каскада напряжение смещения.

2.Доп. источник постоянного напряжения включают в цепь эмиттера(или в цепь истока) (рис.б).Этот способ лучше, т.к. роль дополнит. источника постоянного напряжения играет, например резисторRв цепи эмиттера, черезкоторый проходит постоянный ток.Постоянный ток I подбирают так, чтобы выполнялось RI = Е..

ДелительR1,R2 обеспечивает смещение на базу транзистораVT1. При данной полярности источника питания Е _к на коллекторе транзистора

б) устанавливается соответствующий начальному режиму высокий отрицательный потенциал, который прикладывается к базе VT2.Уровень этого потенциала превышает напряжение смещения на базу тран-зистораVT2. Поэтому, если его не скомпенсировать, то токи I _б1 и I _к2возрастут так, что транзисторVT2 окажется в режиме насыщения. Компенсация коллек-торного напряжения U _к1 в приведенной схеме осуществляется напряжением на резисторе R _э2, направленным встречно. Однако такие усилители обладают большой нестабильностью. Даже очень медленные изменения напряжения источ­ников питания, параметров транзисторов, деталей схемы из-за старения, колеба­ний окружающей температуры вызывают медленные изменения токов, которые через цепи гальванической связи передаются на выход усилителя и меняют выходное напряжение.Особенно вредными являются изменения токов в первых каскадах, т.к. они усиливаются после­дующими. В результатевыходное напряжение УПТ колеблется около некоторого среднего значения. Это явление - дрейф нуля УПТ, является вредным, т.к.возникающее выходное напряжение невозможно от­личить от полезных сигналов.

Для уменьшения дрейфа нуля стабилизируют источники питания УПТ, вводят отрицательную обратную связь, а также мостовые балансныесхемы УПТ (рис. справа).

Данная схема выполнена в виде моста, двумя плечами которого являются внутренние сопротивле­ния транзисторовVT1иVT2(вместе с резисторами R ₀и R _э). К одной диагонали моста подключен источник питания Е _к, к другой — внешняя нагрузка R _нс которой снимается выходное напряжение. Входной сигнал постоянного или медленно изменяющегося тока при­кладывается к базам обоих транзисторов. Если плечи моста симметричны(R _кl= R _к2иU_вх= 0), то начальные токи покоя транзи­сторов одинаковы. При этом напряжения на коллек­торахU_к1иU_к2также равны, поэтому разность потенциалов между коллекторами (на нагрузке R _н)равна нулю. Изменение напряжения питания, температуры и т.д. вызывают равные приращения началь­ных токов транзисторов, что обусловливает равные приращения напряжений на коллекторах∆U_к1=∆U_к2. Но баланс моста при этом сохраняется и напряжение на нагрузке (напряжение дрейфа) равно нулю. При наличии входного сигнала приращения коллекторных токов, а значит и напряжения на коллекторах будут равны, но противо­положны по направлению, что приводит к разбалансу моста и появлению на нагрузке разности потенциа­лов, за счет которой в резисторе R _нпротекает ток усиленного сигнала. Полной симметрии плеч в реальной схеме достичь невозможно, что обусловли­вает наличие небольшого напряжения дрейфа. Для повышения стабильности УПТ вводят переменный резистор R ₀(R₀ ≈ (0,01÷0,05) R_э),спомощью которого поддерживается постоянство потенциалов эмиттеров при изменении токов транзисторов. Вместо отдельных резисторов в цепях эмиттеров транзисторов на практике при­меняют один общий резисторR_э.

Т.к. при воздействии входного сигнала прира­щения эмиттерных токов, протекающих через рези­стор R_э,равны по величине, но противоположны по направлению, т.е.∆ I _э1=∆ I _э2, то отрицательная обратная связь по току полезного сигнала поддержи­вается лишь небольшим сопротивлением R₀.

Он обуслов­ливает отрицательную связь лишь по токам по­коя обоих транзисторов, что выгодно с то