4.1.3. Дрейф нуля и способы его уменьшения

Причины дрейфа нуля.

Рассмотренные схемы УПТ обладают большой нестабильностью нулевого положения выходного напряжения или тока, имеющей место в отбалансированном усилителе в отсутствие входного сигнала. Нуль выходного напряжения при воздействии на усилитель различных факторов как бы смещается, «дрейфует» с течением времени, почему указанное явление и называют дрейфом нуля.

Рис. 4.1.4. Дрейф нуля в усилителе постоянного тока

Основными причинами дрейфа нуля являются изменение параметров усилительных элементов и других компонентов схемы при изменении температуры и их старении, а также изменении напряжения питания схемы. Указанные факторы вызывают изменение напряжений покоя на электродах усилительных элементов, а эти изменения вследствие использования в усилителях постоянного тока прямого усиления гальванической межкаскадной связи усиливаются последующими каскадами и поступают на выход. В результате при отсутствии напряжения сигнала на входе усилителя на его выходе появляется напряжение, имеющее как медленно изменяющуюся постоянную составляющую Uдр.п, так и беспорядочные отклонения от нее — колебания напряжения дрейфа Uдр.к (рис. 4.1.4). Постоянная составляющая напряжения дрейфа Uдр.п в основном обусловлена нагревом усилительных элементов и деталей схемы после включения усилителя и их старением, разрядом источников питания при питании от батарей или медленным уходом опорного напряжения при питании от стабилизированного источника питания. Колебания напряжения дрейфа Uдр.к от его среднего значения в основном определяются колебаниями напряжения источников питания усилителя и шумом, вызванным эффектом мерцания эмигрирующих электродов усилительных элементов. Для УПТ дрейф нуля представляет собой очень вредное явление, так как он не отличим от усиливаемых сигналов, искажает их и может недопустимо изменить режим работы усилительных элементов. У рассмотренных выше схем дрейф при нестабилизированном питании настолько велик, что при питании от электросети иногда нарушает работу даже одного каскада, а двухкаскадный усилитель обычно делает неработоспособным. Основные причины, вызывающие наибольший дрейф в транзисторных УПТ—изменение температуры транзистора в рабочих условиях и изменение напряжения источника питания каскада.

Так как дрейф выходного напряжения практически представляет собой разновидность помехи, то, прежде всего, необходимо решить вопрос о его допустимой величине (допустимом уровне). Для определения величины дрейфа накоротко замыкают, вход усилителя и измеряют изменение выходного напряжения за определенный выбранный промежуток времени. Оценку дрейфа обычно производят по входной цепи усилителя, поделив напряжение или ток дрейфа на выходе на коэффициент усиления усилителя. Для неискаженного усиления приведенные ко входу ток или напряжение дрейфа должны быть меньше минимального расчетного тока или напряжения входного сигнала. Так как сигнал минимален на первом каскаде усилителя, то допустимое напряжение дрейфа минимально для первого каскада. Поэтому допустимая нестабильность источника питания усилителя постоянного тока в основном определяется его первым каскадом. Изменение температуры переходов транзистора на 10° С из-за его прогрева или изменение температуры окружающей среды в обычном резисторном каскаде вызывает приведенное ко входу транзистора напряжение дрейфа порядка 20 мВ, дрейф такого же порядка вызывается и изменением напряжения источника питания каскада на 1—2 В. Определив возможные колебания напряжений источников листания, из указанных соотношений можно найти напряжение дрейфа в отсутствие каких-либо мер к его снижению. При этом в транзисторных усилителях суммируют напряжения дрейфа, получающиеся от изменения напряжения коллекторного питания и изменения температуры. После этого задаются отношением допустимого напряжения дрейфа к напряжению минимального входного сигнала и находят из него допустимое напряжение дрейфа. Поделив напряжение дрейфа, которое получается без принятия каких-либо мер к его снижению, на допустимую его величину, определяют, во сколько раз необходимо уменьшить напряжение дрейфа.

Широко используемыми на практике способами уменьшения дрейфа в УПТ прямого усиления являются: способ применения дифференциальных каскадов и компенсационных схем на входе усилителя, где дрейф наиболее опасен, и способ стабилизации напряжения источников питания. Для стабилизации источников коллекторного питания используют электронные, магнитные и феррорезонансные стабилизаторы напряжения. Однако стабилизаторы, обеспечивающие нормальную работу двухкаскадных и трехкаскадных УПТ прямого усиления без компенсационных и балансных схем, сложны, дороги и имеют низкий КПД. Экономически более выгодно для уменьшения дрейфа применять сравнительно простые балансные схемы в первых каскадах усилителей, позволяющих обеспечить работу двухкаскадных схем без стабилизации питания и работу трехкаскадных схем при простейших схемах стабилизации. Для уменьшения дрейфа нередко используют предварительный прогрев устройства, для того чтобы к началу работы усилителя получить почти постоянную температуру его компонентов; в наиболее ответственных случаях усилитель помещают в термостат.