2.10. Усилители постоянного тока

2.10.1. Основные свойства и применение

В настоящее время усилители постоянного тока (УПТ) явля­ются одной из наиболее распространенных разновидностей уси­лительных устройств. Их широко используют в электронной из­мерительной аппаратуре, осциллоскопах, в системах автоматической регулировки усиления радиоприемных и телевизионных устройств, электронных вычислительных машинах, электронных ста­билизаторах напряжения и тока, всевозможных управляющих, регулирующих и следящих системах и целом ряде других случаев.

Как указывалось в классификации усилителей, усилителями постоянного тока называют такие, которые могут усиливать очень медленные электрические сигналы; их низшая рабочая час­тота f_н=0, а высшая рабочая частота f_в определяется назначени­ем усилителя и предъявляемы­ми к нему требованиями.

Рис. 2.10.1. Характеристики усилителя постоянного тока:

а – частотная; б – амплитудная (идеализированная); пунктир – амплитудная характеристика усилителя, изменяющего полярность сигнала.

Так как УПТ усиливает как пере­менную, так и постоянную со­ставляющие сигнала, то в от­сутствие сигнала на входе та­кого усилителя на его выходе должны отсутствовать как пе­ременная, так и постоянная со­ставляющие напряжения; в противном случае нарушится пропорциональность между входным и выходным напряже­ниями и при перемене полярности постоянной составляющей входного сигнала, полярность постоянной составляющей на вы­ходе может не измениться. Частотная и амплитудная характеристи­ки УПТ показаны на рис. 2.10.1.

По схеме и принципу действия усилители постоянного тока де­лятся на две группы: УПТ прямого усиления и УПТ с преобразо­ванием частоты.

2.10.2. Усилители постоянного тока, с непосредственной связью

Для того чтобы усилитель мог усиливать очень медленные эле­ктрические колебания, в усилителях постоянного тока (УПТ) прямого усиления между усилительными элементами и их нагруз­кой используется гальваническая связь, т.е. связь, осуществляе­мая посредством элементов, обладающих проводимостью для очень медленных изменений тока и имеющих сопротивление, в рабочей полосе частот усилителя не зависящее от частоты, на­пример, проводников, резисторов и т. д. Конденсаторы, трансфор­маторы и дроссели в цепях межкаскадной связи таких усилителей применять нельзя.

Так как УПТ прямого усиления не содержат разделительных и блокировочных конденсаторов большой емкости, дросселей и трансформаторов, то их габаритные размеры могут быть сделаны очень малыми и они оказываются очень удобными для миниа­тюризации. Именно поэтому гибридные и монолитные (твердо­тельные) интегральные схемы обычно выполняются как усилите­ли постоянного тока.

Малогабаритные усилители постоянного тока, выполненные в виде гибридной или интегральной схемы, очень часто использу­ют как составную часть усилителей переменного тока (звуковых, широковещательных, многоканальной связи, телевизионных и т. д.).

Простейшим вариантом схемы гальванической межкаскадной связи является схема непосредственной связи, в которой напря­жение сигнала, усиленное предыдущим усилительным элементом, непосредственно поступает с его выхода на вход следующего усилительного элемента или нагрузку. Однако практически осу­ществить такой способ связи далеко не просто, так как в этом случае на вход усилительного элемента или в нагрузку, с выхода предыдущего усилительного элемента, поступает кроме сигнала так­же и напряжение питания выходной цепи, которое необходимо ком­пенсировать.

Рассмотрим схему транзисторного УПТ с непосредственной связью, изображенную на рис. 2.10.2, где компенсация постоянной составляющей выходного напряжения предыдущего транзистора как будто не вызывает особых затруднений.

Рис. 2.10.2. Транзисторный усилитель постоянного тока с непосредственной связью.

Здесь, для создания между базой и эмиттером второго и третьего транзисторов на­пряжения смещения, требуемого для получения нужного тока коллектора, падение напряжения на R_э следующего транзистора берут больше падения напряжения на R_э предыдущего на раз­ность напряжений коллектор - эмиттер предыдущего и база – эмиттер следующего:

U_э2=U_э1+(U_кэ1-U_бэ2) . (2.10.1)

Резисторы R_э1, R_э2, R_э3 в схеме рис. 2.10.2 осуществляют стаби­лизацию точек покоя транзисторов; однако эти резисторы созда­ют в каждом каскаде местную отрицательную обратную связь по току, глубина которой, в каждом последующем каскаде, возраста­ет; эта обратная связь очень сильно снижает усиление даже у первого каскада, а усиление третьего может здесь оказаться да­же меньше единицы. Поэтому проектирование усилителя такого типа с числом каскадов более трех оказывается нецелесообраз­ным.

Как указано выше, в отсутствие сигнала на входе усилителя постоянного тока на его выходе должна отсутствовать не толь­ко переменная, но и постоянная составляющая напряжения; в схеме рис. 2.10.2 это достигается введением делителя R'₁R'₂, который компенсирует постоянную составляющую напряжения, поступаю­щую на нагрузку усилителя с коллектора третьего транзистора. Делитель же напряжения R₁R₂ компенсирует падение напряже­ния, поступающее на источник сигнала с резистора R_д2, и сохра­няет смещение на входе транзистора Т₁ неизменным при включе­нии или выключении источника сигнала.

Однако при изменении температуры или напряжения питания, старении компонентов ток покоя транзистора Т₃ изменится и на выходе такого усилителя появится постоянное напряжение. Для его уничтожения придется регулировать делитель R'₁R'₂, поддер­живая отсутствие напряжения на выходе в отсутствие сигнала.

Отсутствие общего провода между входной и выходной цепя­ми в схеме УПТ, изображенной на рис. 2.10.2, также является ее не­достатком. Если заземлить в этой схеме один из зажимов вход­ной цепи, подключенная к выходным зажимам нагрузка окажется под потенциалом относительно земли; при заземлении одного из выходных зажимов под потенциалом относительно земли окажет­ся источник сигнала, что иногда нежелательно или недопустимо.

Режим работы транзистора в каскаде такого усилителя выби­рается, как в обычном резисторном каскаде. Коэффициент усиле­ния, частотную характеристику в области верхних частот и пере­ходную в области малых времен для каждого каскада рассчиты­вают с учетом обратной связи, вносимой резистором R_э.

Однако если схему с непосредственной связью типа рис. 2.10.2 выполнить симметричной (двухтактной), то при включении стабилизирующих режим резисторов R_э в общие провода эмиттеров; истоков или катодов каждого из каскадов местные отрицательные обратные связи по току устраняются и каскады такого усилителя дают полное усиление. Симметричные схемы усилителей постоянного тока с непосредственной связью широко используются в микроминиатюрных транзисторных усилителях постоянного тока. Для того чтобы не терять усиление в каскадах УПТ, как это имеет место в схеме рис. 2.10.2, для компенсации постоянной составляющей выходного напряжения предыдущего транзистора и создания между базой и эмиттером следующего транзистора требуемого напряжения смещения в УПТ прямого усиления широко используют так называемые схемы сдвига уровня.

Существуют различные схемы сдвига уровня; одной из простейших является схема сдвига уровня посредством делителя из двух резисторов, питаемых от дополнительного источника постоянного тока Е_доп. Такая схема сдвига уровня применена в схеме усилителя постоянного тока с потенциометрической межкаскадной связью, изображенной на рис. 2.10.3. Эта схема лишена многих недостатков, которые имеет схема с непосредственной связью, при­веденная на рис. 2.10.2.

Рис. 2.10.3. Транзисторный усилитель постоянного тока с потенциометрической связью и дополнительным источником компенсирующего напряжения.

Здесь входная и выходная цепи имеют общий провод, а питание осуществляется от двух источников постоянного тока источника питания выходных цепей Е и дополнительного источ­ника компенсирующего напряжения Е_доп. Компенсация излишнего отрицательного потенциала, поступающего с коллекторов преды­дущих транзисторов на базу последующих, а также компенсация постоянной составляющей напряжения во входной и выходной цепях здесь осуществляется от дополнительного источника Е_доп через резисторы R_c, R'_c, R"_c, R’’’_с.

Резисторы и конденсаторы в цепи эмиттера, изображенные на рис 2.10.3 пунктиром, используются для стабилизации режима и высокочастотной коррекции. Вместо двух источников постоянного напряжения в схеме можно использовать один источник со средней точкой, соединенной с общим проводом, или один источ­ник с искусственной средней точкой, образованной резисторами делителя, подключенного параллельно источнику питания. К недо­статкам потенциометрической схемы связи можно отнести большое число резисторов в каскаде и в 1,5—2 раза меньший коэффициент усиления по сравнению со схемой непосредственной связи; это объясняется шунтированием сопротивлений R потенциометрами, а также тем, что часть напряжения сигнала теряется на резисто­рах R_н.

Резисторы R в коллекторной цепи и режим работы транзис­торов в каскаде с потенциометрической связью выбирают, как в обычном резисторном каскаде предварительного усиления, а ток I_п через резистор R_п берут одного порядка с током покоя коллек­тора I_0к транзистора рассчитываемого каскада. Сопротивления резисторов R_п и R_с находят по известным напряжениям и токам покоя выходной и входной цепей и напряжениям Е и Е_доп; рас­четные формулы для R, R_п и R_c имеют вид:

; ; , (2.10.2)

где U₀ — напряжение между коллектором и эмиттером транзисто­ра рассчитываемого каскада в режиме покоя; U_0б.сл и I_0б.сл — на­пряжение смещения и ток покоя цепи базы транзистора следую­щего каскада. Коэффициент усиления тока каскада с потенцио­метрической связью

,

(2.10.3)

где h_21э — статический коэффициент передачи тока транзистора рассчитываемого каскада, а R_{вх.тр.сл} — входное сопротивление транзистора следующего каскада при включении с общим эмитте­ром.

Для стабилизации режимов работы транзисторов усилитель с потенциометрической связью обычно охватывают петлей достаточ­но глубокой отрицательной обратной связи.

Частотная характеристика на верхних частотах и переходная в области малых времен у каскадов с потенциометрической свя­зью не отличаются от характеристик обычного резисторного кас­када; поэтому частотные и переходные искажения здесь рассчи­тывают по формулам резисторного каскада. При этом для тран­зисторного каскада в выражении для R_экв.в вместо R_д.сл подстав­ляют R_c.