Усилитель_постоянного_тока_это

Усилитель_постоянного_тока_это

Усилитель постоянного тока это

Часто при проведении измерений в электронных устройствах автоматики необходимо усиливать сигналы очень низких частот — порядка долей герц. Для этого требуются усилители, имеющие равномерную амплитудно-частотную характеристику до самых низких частот. Такие, усилители называют усилителями постоянного тока (УПТ). В многокаскадных УПТ для связи между каскадами не могут быть использованы реактивные элементы связи (конденсаторы, трансформаторы), поэтому для этой цепи, как правило, служат резисторы. На рис. 6.8 приведены для сравнения частотные характеристики УПТ (кривая 1) и усилителя с резистивно-емкостной связью (кривая 2). В области низких и средних частот амплитудно-частотная характеристика УПТ равномерна. В области высоких частот в УПТ фазовые сдвиги и частотные искажения появляются на частотах, на которых начинают сказываться паразитные емкости усилительных каскадов, так же как и в усилителях с резистивно-емкостной связью.

В усилителях постоянного тока возникают специфические трудности, связанные с отделением полезного сигнала от постоянных составляющих напряжения и тока, необходимых для работы транзисторов, используемых в усилителях.

Характеристики усилителей постоянного тока должны отвечать ряду требований:

1) в отсутствие входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал;

2) при изменении знака входного сигнала должен изменять знак и выходной сигнал;

3) напряжение на нагрузочном устройстве должно быть пропорционально входному напряжению.

Второе и третье требования в УПТ, так же как и в других усилителях, выполняются при работе усилителя в режиме А. Для выполнения первого условия необходимо отделить полезный выходной сигнал от постоянных составляющих тока и напряжения транзистора.

В усилителях постоянного тока отделение постоянных составляющих напряжения, как правило, производится компенсационным методом. Такие усилители можно условно подразделять на усилители с одним и с двумя источниками питания.

УПТ с одним источником питания. Простейшая схема УПТ с одним источником питания приведена на рис. 6.9 (а). На рис. 6.9 (б) показаны временные диаграммы его работы. Простейший УПТ с одним источником питания (рис. 6.9 (а) состоит из обычного усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме ОЭ с температурной стабилизацией (на рисунке он выделен штриховыми линиями). У этого усилительного каскада отсутствует конденсатор в цепи эмиттера, что приводит к снижению коэффициента усиления из-за возникновения отрицательной обратной связи, но обеспечивает большую полосу пропускания.

В рассматриваемом УПТ (рис. 6.9 (а) нагрузочный резистор включен между коллектором транзистора и средней точкой делителя R3R4, а входное напряжение приложено между базой транзистора и средней точкой делителя R1R2. Потенциалы средних точек делителей таковы, что в отсутствие входного напряжения (Uвх=0) jб=j1 и jк=j2, вследствие чего отсутствует как ток во входной цепи, так и ток в нагрузочном резисторе (Iн=0). Для точной подстройки режима в выходной цепи имеется переменный резистор R5.

При подаче входного сигнала появляется ток во входной цепи, изменяются базовый и коллекторный токи транзистора, что приводит к изменению напряжения на коллекторе транзистора и появлению тока Iн. Потенциальная диаграмма усилителя (рис. 6.9, б) показывает, что в отсутствие входного напряжения (0 £ t £ t1) выходное напряжение Uвых=0; в интервале t1 0, а в интервале t>t2 Uвх>0 и Uвых >R1 и R4>>R1, когда шунтирующее действие делителя можно не учитывать, определяется выражением

(6.32)

где Ко — коэффициент усиления усилителя с коллекторной нагрузкой без делителя, a R4/(R3+R4) — множитель, учитывающий снижение коэффициента усиления за счет включения делителя.

Снижение коэффициента усиления незначительно лишь при R4>>R3, что обеспечивается при высоком напряжении источника питания Е2. На практике обычно E2=(0,5¸1)E1 и применение делителя снижает коэффициент усиления усилителя в 1,5¸2 раза.

Рассмотренная схема допускает непосредственное соединение каскадов усилителей. При этом, так как входное и выходное напряжения имеют общую точку с нулевым потенциалом, выход первого каскада подключается непосредственно ко входу второго, выход второго каскада к третьему и т. д. до получения необходимого коэффициента усиления.

Дрейф в УПТ. Усилители постоянного тока имеют специфический недостаток, затрудняющий усиление очень малых постоянных напряжений и токов. В УПТ существует так называемый дрейф нуля, который определяет нижний предел усиливаемых напряжений. Дрейф нуля заключается в том, что с течением времени изменяются токи транзисторов и напряжения на их электродах. При этом нарушается компенсация постоянной составляющей напряжения и на выходе усилителя появляется напряжение в отсутствие входного сигнала. Поскольку УПТ должен усиливать напряжения вплоть до самых низких частот, всякое изменение постоянных составляющих напряжения Uко, Uбо из-за нестабильности источников питания, старения транзисторов, изменения температуры окружающей среды и т. д. принципиально не отличается от полезного сигнала.

Читайте также:  Мясо_в_духовке_рецепт_видео_из_свинины

Как видно из рис. 6.14, выходное напряжение состоит как бы из двух составляющих: монотонно изменяющегося напряжения (показано штриховой линией) и переменной составляющей. Первое называется медленным дрейфом и обусловлено в основном изменением характеристик транзисторов, второе называется быстрым дрейфом и определяется колебаниями напряжений источников питания, температуры окружающей среды и другими внешними факторами.

В транзисторных усилителях главной причиной дрейфа является температурная нестабильность транзисторов.

Для борьбы с дрейфом нуля принимают целый ряд мер:

1) стабилизацию напряжения источников питания, стабилизацию температурного режима и тренировку транзисторов;

2) использование дифференциальных (балансных) схем УПТ;

3) преобразование усиливаемого напряжения.

Рассмотрим, как осуществляется и насколько позволяет снизить дрейф каждая из указанных мер.

Дифференциальный УПТ. Кроме стабилизации питающих напряжений для борьбы с дрейфом УПТ принимают специальные схемы усилителей, так называемые дифференциальные (балансные УПТ). Они построены по принципу четырехплечего моста (рис. 6.15).

Действительно, если мост сбалансирован, т. е.

то при изменении Ек баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе Rн ток равен нулю. С другой стороны, при пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R1, R2 или R3, R4 баланс моста тоже не нарушается. Если заменить резисторы R2, R3 транзисторами, то получим дифференциальную схему, очень часто применяемую в УПТ.

В дифференциальном усилителе (рис. 6.16 (а)) сопротивления резисторов R2, R3 в коллекторных цепях транзисторов выбирают равными, режимы обоих транзисторов устанавливают одинаковыми. В таких усилителях подбирают пары транзисторов со строго идентичными характеристиками.

На стабильность электрических режимов существенное влияние оказывает сопротивление резистора R1, который стабилизирует ток транзисторов (рис. 6.16(а)). Чтобы можно было использовать резистор с большим сопротивлением R1, увеличивают напряжение источника питания Ек до значения Е2»Е1, а в интегральных микросхемах часто вместо резистора R1 применяют стабилизатор постоянного тока, который выполняют на 2—4 транзисторах.

Переменный резистор Rп (рис. 6.16 (а)) служит для балансировки каскада или, как говорят, для установки нуля. Это необходимо в связи с тем, что не удается подобрать два абсолютно идентичных транзистора и резисторы с равными сопротивлениями R2, R3. При изменении положения движка потенциометра Rп изменяются сопротивления резисторов, включенных в коллекторные цепи транзисторов, и, следовательно, потенциалы на коллекторах. Перемещением движка потенциометра Rп добиваются нулевого тока в нагрузочном резисторе Rн в отсутствие входного сигнала.

При изменении э. д. с. источника коллекторного питания E1 или смещения Е2 изменяются токи обоих транзисторов и потенциалы их коллекторов. Если транзисторы идентичны и сопротивления резисторов R2, R3 в точности равны, то тока в резисторе Rн за счет изменения э. д. с. E1, E2 не будет. Если транзисторы не совсем идентичны, то появится ток в нагрузочном резисторе, однако он будет значительно меньше, чем в обычном, небалансном УПТ.

Аналогично изменения характеристик транзисторов вследствие изменения температуры окружающей среды практически не будут вызывать тока в нагрузочном резисторе.

В то же время при подаче входного напряжения на базу транзистора T1 изменятся его коллекторный ток и напряжение на его коллекторе, что вызовет появление напряжения на нагрузочном резисторе Rн.

При тщательном подборе транзисторов и резисторов, при стабилизации напряжений источников питания дрейф удается снизить до 1—20 мкВ/°С или при работе в температурном диапазоне от -50 до +50°С составит 0,1—2 мВ, т. е. в сравнении с небалансным УПТ он может быть уменьшен в 20—100 раз.

На рис.6.16 (б) приведена схема несимметричного дифференциального усилителя, в котором коллекторный резистор включен только в коллекторную цепь транзистора Т2. Такой усилительный каскад обладает несколько большим дрейфом и применяется только в тех случаях, когда необходимо получить выходное напряжение относительно общего зажима.

По таким же схемам можно выполнять усилители на полевых транзисторах.

Усилители постоянного тока — назначение, виды, схемы и принцип действия

Усилители постоянного тока, как может показаться из названия, сами по себе ток не усиливают, то есть они не генерируют никакой дополнительной мощности. Данные электронные устройства служат для управления электрическими колебаниями в определенном диапазоне частот начиная с 0 Гц. Но посмотрев на форму сигналов на входе и выходе усилителя постоянного тока, можно однозначно сказать — на выходе имеется усиленный входной сигнал, однако источники энергии для входного и выходного сигналов — индивидуальные.

Читайте также:  Как_положить_брусчатку_на_песок

По принципу действия усилители постоянного тока подразделяются на усилители прямого усиления и усилители с преобразованием.

Усилители постоянного тока с преобразованием преобразуют ток постоянный — в переменный, затем он усиливается и выпрямляется. Это называется усилением сигнала с модуляцией и демодуляцией — МДМ.

Схемы усилителей прямого усиления не содержат реактивных элементов, таких как катушки индуктивности и конденсаторы, сопротивление которых зависит от частоты. Вместо этого существует непосредственная гальваническая связь выхода (коллектора или анода) усилительного элемента одного каскада с входом (базой или сеткой) очередного каскада. По этой причине усилитель прямого усиления способен пропускать (усиливать) даже постоянный ток. Такие схемы популярны и в акустике.

Однако непосредственная гальваническая связь хотя и передает очень точно между каскадами перепады напряжения и медленные изменения тока, такое решение сопряжено с нестабильностью работы усилителя, с затруднением установления режима работы усилительного элемента.

Когда напряжение источников питания немного изменяется, или изменяется режим работы усилительных элементов, либо немного плывут их параметры, — тут же наблюдаются медленные изменения токов в схеме, которые по гальванически связанным цепям попадают во входной сигнал и соответствующим образом искажают форму сигнала на выходе. Зачастую эти паразитные изменения на выходе схожи по размаху с рабочими изменениями, вызываемыми нормальным входным сигналом.

Искажения выходного напряжения могут быть вызваны различными факторами. Прежде всего — внутренними процессами в элементах схемы. Нестабильное напряжение источников питания, нестабильные параметры пассивных и активных элементов схемы, особенно под действием перепадов температуры и т. д. Они могут быть вовсе не связаны с входным напряжением.

Изменения выходного напряжения вызванные данными факторами именуют дрейфом нуля усилителя. Максимальное изменение выходного напряжения в отсутствие входного сигнала усилителя (когда вход замкнут) за определенный временной промежуток, называется абсолютным дрейфом.

Напряжение дрейфа, приведенное ко входу равно отношению абсолютного дрейфа к коэффициенту усиления данного усилителя. Это напряжение определяет чувствительность усилителя, так как вносит ограничение в минимально различимый входной сигнал.

Чтобы усилитель работал нормально, напряжение дрейфа не должно быть больше заранее определенного минимального напряжения усиливаемого сигнала, который подается на его вход. В случае если дрейф выхода окажется того же порядка или будет превышать входной сигнал, искажения превысят допустимую норму для усилителя, и его рабочая точка окажется смещенной за пределы адекватной рабочей области характеристик усилителя («дрейф нуля»).

Для снижения дрейфа нуля прибегают к следующим приемам. Во-первых, все источники напряжения и тока, питающие каскады усилителя, делают стабилизированными. Во-вторых, используют глубокую отрицательную обратную связь. В-третьих, применяют схемы компенсации температурного дрейфа путем добавления нелинейных элементов, чьи параметры зависят от температуры. В-четвертых, используют балансирующие мостовые схемы. И наконец, постоянный ток преобразуют в переменный и затем усиливают переменный ток и выпрямляют.

При создании схемы усилителя постоянного тока очень важно согласовать потенциалы на входе усилителя, в точках сопряжения его каскадов, а также на нагрузочном выходе. Также необходимо обеспечить стабильность работы каскадов при различных режимах и даже в условиях плавающих параметров схемы.

Усилители постоянного тока бывают однотактными и двухтактными. Однотактные схемы прямого усиления предполагают непосредственную подачу выходного сигнала с одного элемента — на вход следующего. На вход следующего транзистора вместе с выходным сигналом от первого элемента (транзистора) подается коллекторное напряжение первого.

Тут должны быть согласованы потенциалы коллектора первого и базы второго транзистора, для чего коллекторное напряжение первого транзистора компенсируют при помощи резистора. Резистор добавляют также в цепь эмиттера второго транзистора, чтобы сместить его напряжение база-эмиттер. Потенциалы на коллекторах транзисторов следующих каскадов также должны быть высокими, что тоже достигается применением согласующих резисторов.

В двухтактном параллельном балансном каскаде резисторы коллекторных цепей и внутренние сопротивления транзисторов образуют собой четырехплечевой мост, на одну из диагоналей которого (между цепями коллектор-эмиттер) подается напряжение питания, а к другой (между коллекторами) — присоединяется нагрузка. Сигнал который требуется усилить прикладывается к базам двух транзисторов.

Читайте также:  Соковыжималка_не_работает_причины

При равенстве коллекторных резисторов и полностью одинаковых транзисторах, разность потенциалов между коллекторами, в отсутствие входного сигнала, равна нулю. Если входной сигнал не равен нулю, то на коллекторах будут приращения потенциалов равные по модулю, но противоположные по знаку. На нагрузке между коллекторами появится переменный ток по форме повторяющий входной сигнал, но большей амплитуды.

Такие каскады часто применяются в качестве первичных каскадов многокаскадных усилителей либо в качестве выходных каскадов для получения симметричного напряжения и тока. Достоинство данных решений в том, что влияние температуры на оба плеча одинаково изменяет их характеристики и напряжение на выходе не плывет.

Усилители постоянного тока

Усилитель постоянного тока (УПТ) – усилитель, способный усиливать не только постоянные токи и напряжения, но и медленно изменяющиеся электрические сигналы (до определённой верхней частоты).

При уменьшении частоты усиливаемого сигнала коэффициент усиления УПТ, в отличие от того, что наблюдается в усилителе переменного тока, остается постоянным (рис. 4). При этом низшая граничная частота fн равна нулю, а верхняя граничная частота fв , как и в усилителе переменного тока, выбирается в зависимости от назначения УПТ.

По принципу действия и схемному выполнению усилители постоянного тока делятся на два основных вида:

1) УПТ прямого усиления (с непосредственной связью);

2) УПТ с преобразованием.

В УПТ прямого усиления нет элементов связи, создающих спад коэффициента усиления на низких частотах, в частности, разделительных конденсаторов и трансформаторов.

УПТ с преобразованием строятся по структурной схеме, состоящей из модулятора М, усилителя переменного тока У и демодулятора ДМ (рис. 5). Модулятор и демодулятор работают синхронно и синфазно, причем модулятор преобразует медленно изменяющийся входной сигнал в высокочастотные колебания, амплитуда которых равна (или пропорциональна) значениям входного сигнала (выполняется амплитудная модуляция), а демодулятор осуществляет обратное преобразование. Недостаток УПТ с преобразованием состоит в том, что их верхняя граничная частота ограничена значением, которое примерно на порядок меньше частоты переключений модулятора и демодулятора, задаваемой генератором опорной частоты Г. В них имеется дрейф модулятора и демодулятора, который обычно незначителен.

УПТ широко применяются в различной радиоэлектронной аппаратуре. Наиболее широкое применение находят УПТ прямого усиления. Последние три десятилетия область использования УПТ значительно расширилась, так как они оказались очень удобными в качестве составной части даже многих видов усилителей переменного тока (звуковых и видеочастот, широкополосных усилителей многоканальной связи и пр.). Это объясняется тем, что такие усилители не содержат сравнительно громоздких разделительных и других конденсаторов большой ёмкости, которые не могут быть изготовлены по технологии полупроводниковых интегральных схем.

Основным недостатком УПТ является нестабильность нулевого положения выходного тока (напряжения), называемая дрейфом нуля, сокращенно дрейфом. Дрейфом называются сравнительно медленные случайные изменения выходного тока или напряжения, вызванные температурной нестабильностью токов транзисторов, низкочастотными шумами элементов схем, старением элементов, нестабильностью напряжений питания усилителей.

Дрейф нуля, представляющий собой разновидность внутренней помехи, затрудняет или делает невозможным получение высокой чувствительности усилителя (т.е. способности усиливать малые сигналы). В полупроводниковых усилителях обычно наиболее сильно выражен температурный дрейф.

Из-за отсутствия разделительных конденсаторов и трансформаторов в УПТ прямого усиления дрейф какого-либо каскада усиливается во всех последующих каскадах. Поэтому в выходном сигнале будет в наибольшей степени выражен дрейф первого каскада, подавлению которого и уделяется наибольшее внимание.

Другой специфической проблемой, решаемой в УПТ, в отличие от усилителей переменного тока, является необходимость согласования потенциальных уровней выходного зажима одного каскада и входного зажима следующего. В усилителях переменного тока разделительные конденсаторы и трансформаторы не пропускают постоянную составляющую тока и напряжения с предыдущего каскада на вход следующего, а в УПТ прямого усиления она проходит и может существенно изменить нежелательным образом режим по постоянному току следующего каскада. Например, может произойти насыщение транзистора в этом каскаде. Обычно потенциал выхода каскада оказывается больше, чем требуется для нормальной работы следующего каскада, и необходимо его снижать.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector