Текущая версия страницы пока не проверялась
опытными участниками и может значительно отличаться от версии
, проверенной 1 июня 2021 года; проверки требуют 4 правки
.
Усили́тель постоя́нного то́ка
( УПТ
) — усилитель электрических сигналов (обычно это электронный усилитель
), диапазон усиливаемых частот
которого включает нулевую
частоту ( «постоянный» ток
).
На верхнюю границу частотного диапазона усилителя никаких ограничений не накладывается, то есть она может находиться в области очень высоких
частот. Таким образом, термин « УПТ»
можно применять к любому
усилителю, способному усиливать сигналы постоянного тока.
Усилители
постоянного тока (УПТ) это усилители,
способные усиливать сколь угодно
медленно изменяющиеся сигналы, т.е.
сигналы нулевой частоты. В УПТ возникает
проблема дрейфа. Дрейф
— это самопроизвольное изменение
напряжения на выходе усилителя при
неизменном входном сигнале
.
Причинами дрейфа являются нестабильность
напряжений питания, временная и
температурная нестабильность транзисторов
и резисторов. Полностью исключить
явление дрейфа удалось в усилителе УПТ
(рисунок 6.1), который построен по структуре
МДМ (модулятор-демодулятор).
Рисунок
6.1 — Структурная
схема усилителя МДМ
В
этом усилителе входной сигнал постоянного
напряжения преобразуется в переменное
напряжение модулятором, усиливается
усилителем переменного напряжения, а
затем преобразуется в постоянное
напряжение демодулятором. Такие усилители
используются достаточно редко. Они
сложные, имеют узкую полосу пропускания,
которая на порядок меньше частоты
генератора, управляющего работой
модулятора и демодулятора.
Усилителями
постоянного тока
(УПТ) называют
усилители, коэффициент усиления которых
не снижается при снижении частоты вплоть
до нуля. Такие усилители производят
усиление не только переменной, но и
постоянной составляющей сигнала.
По принципу действия
УПТ подразделяют на 2 основных типа:
прямого усиления и с преобразованием
сигнала.
Электрические
сигналы, воздействуя на вход усилителя
постоянного тока, во многих случаях
малы по величине. Так, с помощью УПТ
приходится усиливать напряжение порядка
долей милливольта, а токи порядка
А.
Для усиления таких слабых сигналов
одного каскада оказывается недостаточно,
поэтому приходится применять многокаскадный
усилитель.
Очевидно, что при
построении многокаскадных усилителей
емкостная или трансформаторная связь
не может быть использована, т.к. ни
конденсаторы, ни трансформаторы не
пропускают постоянный ток. Поэтому для
соединения отдельных каскадов применяют
гальваническую (непосредственную)
связь. При этом базу транзистора каждого
последующего каскада непосредственно
соединяют с коллектором предыдущего.
Это требование
приводит к возникновению определенных
трудностей, связанных с согласованиями
режимов соседних каскадов по постоянному
току. Такие трудности не возникают в
усилителе переменного тока, где
разделительные конденсаторы изолируют
каскады по постоянному току.
Согласование
режимов соседних каскадов по постоянному
току может быть осуществлено двумя
способами.
При первом способе
дополнительный источник напряжения
включают в цепь межкаскадной связи
(рис. 19а)
в этом случае, напряжение смещения
определяется как разность постоянного
напряжения
на выходе предыдущего каскада и напряжения
дополнительного источника:
.
(88)
Изменяя напряжение
Е
,
всегда можно получить оптимальное для
транзистора второго каскада напряжение
смещения.
При втором способе
дополнительный источник постоянного
напряжения включают в цепь эмиттера
(или в цепь истока).
При полярности
напряжения
,
указанной на рис. 19б
напряжение смещения
снова будет разностью постоянных
напряжений
и
и так же может иметь нужную величину.
С конструктивной
точки зрения, первый способ менее удачен,
особенно в случае применения многокаскадных
УПТ, так как будут необходимы дополнительный
источники питания, и УПТ будет очень
громоздким.
Второй способ
значительно лучше, так как роль
дополнительного источника постоянного
напряжения может играть, например,
резистор R
в цепи эмиттера, через который проходит
постоянный ток. Величину постоянного
тока
подбирают такой, чтобы выполнялось
условие
.
Вариант схемы двухкаскадного УПТ
приведен на рис. 20.
Р 
ис.
20. Двухкаскадный усилитель постоянного
тока
Делитель R
1
,
R
2
обеспечивает смещение на базу транзистора
VT
1
.
при данной полярности источника питания
на коллекторе транзистора устанавливается
соответствующий начальному режиму
относительно высокий отрицательный
потенциал, который прикладывается к
базе транзистора VT
2
.
уровень этого потенциала обычно
значительно превышает требуемое
напряжение смещения на базу транзистор
VT
2.
Поэтому,
если его не скомпенсировать, то токи
и
возрастут
настолько, что транзистор может оказаться
в режиме насыщения. Компенсация
коллекторного напряжения
в приведенной схеме осуществляется
напряжением на резисторе
,
направленным
встречно и задаваемым такой величины,
чтобы:
,
(89)
где
—
напряжение смещения на базу транзистора
VT
2,
обеспечивающее
необходимый базовый ток. В свою очередь
ток
обеспечивает начальный режим работы
второго каскада.
Принципиальная
трудность, возникающая при конструировании
УПТ, заключается в том, что такие усилители
обладают большой нестабильностью. Даже
очень медленные изменения напряжения
источников питания, а также параметров
транзисторов и деталей схемы вследствие
их старения, колебаний окружающей
температуры вызывают медленные изменения
токов, которые через цепи гальванической
связи передаются на выход усилителя и
приводят к изменениям выходного
напряжения.
Особенно
вредными оказываются изменения токов
в первых каскадах, так как они усиливаются
последующими. В результате этого в
отсутствие входного сигнала выходное
напряжение УПТ колеблется около
некоторого среднего значения. Это
явление, называемое дрейфом
нуля
УПТ ,
является
вредным, так как возникающее выходное
напряжение невозможно отличить от
полезных сигналов. Дрейф нуля оценивают
в единицах напряжения на время (микровольт
в час). Отношение выходного напряжения
при отсутствии сигнала на входе к
коэффициенту усилителя называют
приведенным напряжением дрейфа:
.
(90)
Величина
приведенного ко входу напряжения дрейфа
ограничивает минимально различимый
входной сигнал. Напряжение дрейфа
определяет чувствительность усилителя.
Если же напряжение дрейфа на входе
усилителя окажется того же порядка, что
и напряжение сигнала, или даже больше,
то уровень искажений усилителя достигнет
недопустимой величины.
Для
уменьшения дрейфа нуля стабилизируют
источники питания УПТ, вводят отрицательную
обратную связь, а также применяют
мостовые балансные схемы УПТ (рис. 21).
Р 
ис.
21. Мостовая балансная схема УПТ
Данная
схема выполнена в виде моста, двумя
плечами которого являются внутренние
сопротивления транзисторов VT
1
и
VT
2
(вместе
с соответствующей частью резистора
и резистором
).
К
одной диагонали моста подключен источник
питания
,
а
к другой — внешняя нагрузка
,
с которой снимается выходное напряжение.
Входной сигнал постоянного или медленно
изменяющегося тока прикладывается к
базам обоих транзисторов. Если плечи
моста симметричны (транзисторы идентичны,
= 
)
и
,
то начальные токи покоя транзисторов
одинаковы. При этом напряжения на
коллекторах
и
относительно заземленной точки схемы
также равны, поэтому разность потенциалов
между коллекторами, а следовательно и
на нагрузке на нагрузке
равна нулю. Изменение напряжения питания,
температуры или воздействие какого-либо
другого дестабилизирующего фактора
вызывают равные приращения начальных
токов транзисторов, что обусловливает
равные приращения напряжений на
коллекторах
.
Однако баланс моста при этом сохраняется
и напряжение на нагрузке (напряжение
дрейфа) равно нулю. При наличии входного
сигнала приращена коллекторных токов,
а следовательно, и напряжении на
коллекторах будут равны по величине,
но противоположны по направлению, что
приводит к разбалансу моста и появлению
на нагрузке разности потенциалов, за
счет которой в резисторе
протекает ток усиленного сигнала. Полной
симметрии плеч и реальной схеме достичь
невозможно, что обусловливает наличие
небольшого напряжения дрейфа. Для
повышения стабильности балансного УПТ
вводят переменный резистор
,
с помощью которого поддерживается
большее постоянство потенциале эмиттеров
при изменении токов транзисторов.
Значение этого резистора невелико,
обычно
.
Вместо отдельных резисторов в цепях
эмиттеров транзисторов на практике
применяют один общий резистор
.
Он обуславливает отрицательную связь
лишь по токам покоя обоих транзисторов,
что выгодно с точки зрения стабилизации
параметров УПТ и снижения дрейфа нуля.
При
воздействии входного сигнала приращения
эмиттерных токов, протекающих через
резистор
равны по величине, но противоположны
по направлению (т.е.
).
Следовательно, отрицательная обратная
связь по току, полезного сигнала,
поддерживается лишь небольшим
сопротивлением
.
Значительное снижение дрейфа нуля
достигается в балансных УПТ, выполненных
в виде интегральных микросхем. Поскольку
транзисторы в интегральной семе
изготовляют в течение одного
технологического цикла и в одних и тех
же условиях, их параметры почти идеально
идентичны. Кроме того, поскольку
транзисторы расположены очень близко
круг к другу в одной кремниевой пластинке,
рабочая температура этих приборов
одинакова.
Основная функция усилителя — генерировать выходной сигнал, который является копией входного, но с более высоким уровнем сигнала. Усилители могут быть разработаны специально для усиления по напряжению, мощности или току. Чаще всего усилитель используется в качестве устройства усиления по напряжению.
Ниже на рисунке показана типичная схема усилителя, где входной сигнал Vi подается на его входную клемму, а выходное напряжение Vo генерируется на его выходе. Коэффициент усиления по напряжению усилителя может быть выражен как отношения выходного напряжения к входному.
Например, усилитель с коэффициентом усиления по напряжению 100 будет преобразовывать входной сигнал 50 мкВ в сигнал 5 мВ.
Во многих приложениях уровень постоянного тока на входе или выходе не важен. Скорее это вариационная или переменная часть сигнала, которая содержит информацию, подлежащую обработке.
Усилители, предназначенные только для передачи вариационных частей входного сигнала, называются усилителями со связью по переменному току, тогда как усилители, предназначенные для усиления и передачи постоянного тока, а также уровней вариаций, называются усилителями с прямой связью.
Электронные усилители представляют собой сложные и дорогие элементы электронного оборудования, включающие как линейные, так и нелинейные компоненты.
Суммарное назначение этих устройств (кроме подавления посторонних шумов) состоит в том, чтобы преобразовать слабый сигнал в сильную версию того же сигнала с минимальными искажениями.
Чем ближе усилитель приближается к идеалу отсутствия искажений в широкой полосе частот, тем сложнее и дороже он должен быть.
Современные усилители высокой точности очень близко подходят к достижению идеала в довольно широком диапазоне частот. Это сделало возможным точное усиление сигналов, ранее записанных с низкой точностью или вообще не записанных.
Так, например, детальный анализ таких данных, как электроэнцефалограммы, электрокардиограммы, сейсмограммы, записи космических лучей, во многом стал реальностью благодаря развитию современной записывающей и усиливающей аппаратуры.
Усилители постоянного тока
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.
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.
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.
Андрей Повный, FB
, ВК
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
1 Дифференциальные усилители постоянного тока
Самое
широкое распространение получили УПТ
с непосредственными связями, построенными
по мостовой автобалансной схеме. Они
называются дифференциальными
усилителями постоянного тока
(рисунок 6.2,a).
В
схеме дифференциального усилителя
можно выделить две ветви: правую
и левую
, VT
1
. Эти ветви должны быть совершенно
одинаковы по своим свойствам. Резистор
должен
быть с высокой точностью равным резистору
,
а также они должны иметь одинаковый
температурный коэффициент сопротивления
(ТКС). Транзистор 
по усилительным и температурным свойствам
должен быть идентичным транзистору 
.
Только при полной симметрии каскада
удается значительно уменьшить дрейф
усилителя. Достаточно полную симметрию
удалось получить, используя интегральную
технологию, когда все элементы схемы
создаются одновременно в одном
технологическом процессе. Транзисторные
структуры и резисторы, созданные на
кристалле, находятся в непосредственной
близости, что и объясняет одинаковость
их свойств. В основе схемы лежит
четырехплечий мост. Резисторы 
, 
и транзисторы 
, 
образуют плечи моста. В диагональ питания
включены источники 
и 
,
а в измерительную — диагональ сопротивление
нагрузки 
.
Рисунок
6.2 — Схема
дифференциального каскада (а), подключение
синфазного сигнала (b),
подключение дифференциального сигнала
(с)
Усилитель
имеет два симметричных входа. В зависимости
от способа подачи сигнала различают
дифференциальное
напряжение
– это разность напряжений между входами, синфазное
напряжение
– это одинаковые напряжения, поданные
на оба входа. В общем случае сигнал может
содержать как дифференциальную, так и
синфазную составляющие.
Рассмотрим
первый случай. Пусть входные напряжения
равны нулю
,
т.е. входы 1 и 2 соединены с землей (рисунок
6.2,a).
Сопротивление резистора
и эдс источника 
подбираются так, что напряжение база –
эмиттер транзисторов устанавливается
порядка 0.4 В. Под действием этого
напряжения в цепях баз возникают токи
покоя 
и 
,
которые задают режим покоя транзисторов 
, 
и определяют значение токов 
, 
.
Напряжения на коллекторах транзисторов 
и 
будут равны
,
(6.1)
,
(6.2)
а
напряжение на нагрузке
.
Причем равенство нулю будет сохраняться
при одинаковом изменении токов базы,
усилительных свойств транзисторов,
напряжений питания, сопротивлений
резисторов. Дрейф усилителя сводится
к нулю. Этот эффект возможен только при
полной симметрии схемы.
Рассмотрим
второй случай. На оба входа усилителя
поданы одинаковые напряжения
(рисунок 6.2,b),
тогда токи баз увеличатся на одинаковую
величину
.
При полной симметрии на одинаковую
величину увеличатся 
и 
,
а напряжение на нагрузке вновь будет
равно нулю. Отсюда следует очень важный
вывод – дифференциальный
каскад не усиливает синфазное напряжение.
Каскад
имеет очень большое входное сопротивление
для синфазного сигнала, т.к. изменение
тока эмиттера
за счет падения напряжения на резисторе 
создает последовательную отрицательную
обратную связь, которая еще дополнительно
способствует уменьшению влияния
синфазного напряжения.
Рассмотрим
третий случай. Напряжения
и 
не одинаковы. Между входами образуется
дифференциальное напряжение 
(рисунок 6.2,с).
Ток
базы транзистора
увеличится на 
,
а ток базы транзистора 
уменьшится на 
.
Соответственно, изменятся токи
коллекторов транзисторов: ток 
увеличится на 
,
а ток 
уменьшится на 
.
Напряжения на коллекторах транзисторов
также изменятся, напряжение 
уменьшится на 
,
а напряжение 
увеличится на 
.
Следовательно, на нагрузке при условии
симметрии ( 
)
появится разность напряжений 
.
Приращение тока в цепи базы под
воздействием дифференциального
напряжения 
определяется выражением
,
(6.3)
тогда
коэффициент усиления по напряжению для
дифференциального сигнала
.
(6.4)
Отрицательная
обратная связь в этой схеме отсутствует,
т.к. изменения токов коллекторов
транзисторов противоположны по знаку,
то изменение тока в эмиттере
.
Входное сопротивление каскада для
дифференциального сигнала 
будет меньше, чем для синфазного сигнала.
Сделаем
важный вывод — дифференциальный
усилитель усиливает только дифференциальное
напряжение.
Это
замечательное свойство выполняется
только при полной симметрии, которую
при всем старании достичь не удается,
поэтому частично синфазный сигнал
проявляется на выходе усилителя
.
Его влияние оценивается коэффициентом
усиления синфазного напряжения
.
(6.5)
Степень
несимметрии, эффективность подавления
синфазного сигнала определяется
коэффициентом
ослабления синфазного сигнала
,
(6.6)
он
показывает во сколько раз дифференциальный
сигнал усиливается больше, чем синфазный.
Для
нормальной работы дифференциального
каскада сопротивления постоянному току
в цепи базовых токов должно быть конечным.
Токи покоя баз создаются питающими
напряжениями, они всегда присутствуют
в усилителе и определяют положение
рабочей точки усилителя, поэтому их
называют входными
токами смещения
.
Если схема симметрична, то входные токи
смещения одинаковы, при несимметричности
возникает некоторая разность
входных токов смещения
.
Соседние файлы в папке Электроника
Схемы сдвига уровня постоянного напряжения
Постоянное
напряжение на коллекторе V
1
значительно превышает необходимое
напряжение смещения на базе V
2
.
Поэтому в усилителях с непосредственной
связью требуется погасить, т.е.
скомпенсировать избыточное постоянное
напряжение. Цепи, предназначенные для
погашения избыточного постоянного
напряжения, называют схемами сдвига
уровня постоянного напряжения.
Простейшей
схемой сдвига уровня является делитель
напряжения в цепи межкаскадной связи,
рис.15.2,а.
Рис.15.2. Схемы сдвига
уровня
Однако
при такой схеме R
1
R
2
одинаково уменьшает передаваемое
напряжение как
,
так и усиливаемый сигнал. Вследствие
этого уменьшается коэффициент усиления.
В
схемах сдвига уровня часто применяют
стабилитроны, рис.15.2,б, у которых
динамическое сопротивление незначительно.
При этом полезный сигнал на нем практически
не ослабляется, а погашаемое постоянное
напряжение равно напряжению стабилизации
стабилитрона. К сожалению, такая схема
сдвига уровня имеет ряд недостатков:
большой разброс напряжения стабилизации,
следовательно, и погашаемого напряжения;
стабилитроны работают в предпробойной
области, вследствие чего имеют большой
уровень шумов; малое динамическое
сопротивление обеспечивается только
при большом токе стабилитрона, поэтому
приходится включать небольшое
сопротивление
,
которое шунтирует
и тем самым уменьшает коэффициент
усиления первого каскада.
Шунтирование
элементами схемы сдвига уровня постоянного
напряжения можно уменьшить, подключив
к схеме сдвига уровня эмиттерный
повторитель на транзисторе VТ2,
рис.15.2,в, что позволит заметно увеличить
коэффициент усиления.
В
операционных усилителях в схемах сдвига
уровня вместо стабилитрона часто
используются делители напряжения,
содержащие обычный резистор и сопротивление
генераторов стабильного тока (ГСТ). Г СТ
отличается тем, что имеет значительное
сопротивление по переменной составляющей
и небольшое сопротивление по постоянной
составляющей. Если включить ГСТ вместо
R
2
(рис.15.2,а), то потеря полезного сигнала
резко снижается, и все избыточное
напряжение по постоянной составляющей
погашается на R
1
.
Соседние файлы в предмете Схемотехника
Усилители постоянного тока
Усилител
ь
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 f
н
равна нулю, а верхняя граничная частота
f
в
,
как и в усилителе переменного тока,
выбирается в зависимости от назначения
УПТ.
П 
о
принципу действия и схемному выполнению
усилители постоянного тока делятся на
два основных вида:
1)
УПТ
прямого усиления
( с
непосредственной связью
);
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, котор 
ый
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.
Соседние файлы в папке Лекции по Электронике
Назначение и особенности построения
Усилители
постоянного тока (УПТ) предназначены
для усиления сигналов с сохранением
постоянной составляющей. При уменьшении
частоты до нуля коэффициент усиления
остается таким же, как и на средних
частотах, т.е.
.
Верхняя граничная частота 
определяется назначением усилителя.
Усилители постоянного
тока находят применение в радиоизмерительной
аппаратуре, стабилизаторах напряжения
и тока, устройствах автоматической
регулировки усиления, аналоговых
вычислительных устройствах, следящих
системах и т.д. В последнее время УПТ
используются и для усиления звуковых
сигналов, являясь составной частью
усилительного устройства переменного
тока. Широкое применение УПТ находят в
интегральной схемотехнике.
По
принципу действия и схемному выполнению
усилители постоянного тока делятся на
два основных вида: усилители с
непосредственной связью и усилители с
преобразованием сигнала. У ПТ должен
усиливать постоянную составляющую
сигнала, вследствие чего в его цепях
нельзя применять элементы, сопротивление
которых зависит от частоты (конденсаторы,
дроссели, трансформаторы). Поэтому при
построении УПТ не применимы емкостные
и трансформаторные связи между каскадами.
Следовательно, в УПТ с непосредственной
связью используется простейшая схема
прямой связи выхода первого каскада с
входом следующего. При этом возникает
задача согласования потенциальных
уровней выходной цепи предыдущего
каскада и входной цепи следующего
каскада.
Дрейф нуля УПТ
Особенностью многокаскадных УПТ, не использующих модулятор на входе и демодулятор на выходе (УПТ не относящиеся к типу М-ДМ или МДМ), является непосредственная связь между каскадами, — то есть между каскадами не включаются разделительные конденсаторы
или трансформаторы
, не пропускающие низкочастотные сигналы и, в частности, сигналы постоянного тока. Для таких УПТ характерен «дрейф нуля» — медленное систематическое или медленное хаотическое изменение выходного сигнала при неизменном входном сигнале.
Количественно дрейф нуля принято выражать приведённым ко входу усилителя, — то есть дрейфу выходного сигнала, делённому на коэффициент усиления усилителя. Часто указывается дрейф от влияющего фактора, — например, от температуры. В этом случае приведённый ко входу дрейф относят к единице измерения влияющего фактора, — в данном случае мкВ
/ К
( температурный дрейф
), мкВ/сутки (временной дрейф) и т. д.
Дрейф нуля принципиально неустраним в УПТ с непосредственными связями, — разными мерами его можно только уменьшить. Причины, вызывающие дрейф нуля, следующие:
- Изменения температуры (температурный дрейф) и влажности окружающей среды.
- Нестабильности источников питания.
- Физическое устаревание электронных компонентов, вызывающее изменение их электрических параметров.
- Собственные низкочастотные шумы усилителя.
Для снижения дрейфа нуля стремятся исключить влияние внешних факторов:
- герметизацией, термостатированием;
- использование стабильного питания;
- применение искусственно состаренных компонентов и др.
Наиболее весомый вклад в дрейф обычно термические (т. е. температурный).
Основной вклад в дрейф нуля вносит входной каскад. Вклад последующих каскадов в дрейф нуля обычно мал. Для снижения дрейфа входного каскада часто применяют дифференциальные (балансные) входные каскады. Дифференциальное включение активных компонентов позволяет существенно снизить влияние температуры и иных влияющих на дрейф нуля факторов, так как при равенстве величины и знака изменения параметров активных компонентов в дифференциальной схеме уход параметров взаимно компенсируется, так как изменения влияют на выходной сигнал с разными знаками и, в идеале, равными по модулю величинами.
Температурный дрейф современных прецизионных УПТ с непосредственными связями (например у прецизионных операционных усилителей
) порядка единиц — десятков мкВ/К.
Очень эффективный способ борьбы с дрейфом нуля — применение УПТ построенных по схеме «модулятор — усилитель переменного сигнала — демодулятор», сокращённо называемых УПТ типа МДМ или М-ДМ.
УПТ типа модулятор — демодулятор
Усиление сигнала в таких УПТ производится с помощью усилителя переменного сигнала, для которого дрейф нуля физически нехарактерен. Для преобразования входного сигнала постоянного тока (напряжения) в переменный на входе усилителя переменного сигнала устанавливается модулятор — устройство с помощью ключей, коммутируемых с частотой много большей максимальной частоты в спектре усиливаемого сигнала, преобразующее входной постоянный сигнал в относительно высокочастотный выходной сигнал. При этом амплитуда выходного переменного сигнала прямо пропорциональна входному постоянному сигналу. Простейший модулятор — ключ, периодически отключающий источник сигнала от входа усилителя переменного сигнала. При замкнутом состоянии ключа на вход усилителя переменного сигнала подаётся входной сигнал постоянного тока, при разомкнутом состоянии ключа входной сигнал отсутствует (т. е. нулевой). Ключ или ключи модулятора управляются вспомогательным генератором.
Переменный сигнал от модулятора усиливается усилителем переменного сигнала до требуемого уровня. Амплитуда сигнала на выходе усилителя переменного сигнала (выходного сигнала) прямо пропорциональна амплитуде входного сигналу. Выходной переменный сигнал преобразуется снова в постоянный выходной сигнал демодулятором. В качестве демодулятора применяют какой-либо выпрямитель
переменного сигнала (например, диодный мост
). Но часто выпрямитель выполняется в виде синхронного детектора — ключа или нескольких ключей, коммутируемых синхронно с ключом модулятора и управляемых тем же генератором. Простейший синхронный детектор — ключ между выходом усилителя и нагрузкой, который замкнут при, например, каждой положительной полуволне переменного выходного сигнала и разомкнут в остальное время.
В качестве ключей в УПТ с МДМ (МДМ-УПТ)ранее использовались электромеханические ключи — обычные контактные пары как, например, вибропреобразователи
. Сейчас электромеханические ключи практически полностью вытеснены бесконтактными полупроводниковыми ключами, — обычно полевыми транзисторами
.
В МДМ-УПТ основной вклад в дрейф вносит модулятор. Вклад остальных подсистем невелик. Например, в электромеханических модуляторах дрейф составляет единицы мкВ, тогда как в бесконтактных модуляторах — доли мкВ.
Упт с непосредственной связью
Рассмотрим
принципиальную схему двухкаскадного
усилителя с непосредственной связью,
приведенную на рис.15.1.
Рис.15.1. Двухкаскадный
УПТ с непосредственной связью
При
использовании низковольтных транзисторов
согласование потенциалов коллектора
V
1
и базы V
2
можно осуществить выбором сопротивлений
R
э1
и R
э2
с условием
.
В этом случае можно обеспечить требуемое
напряжение смещение
.
По
цепи
возникает отрицательная обратная связь.
Следовательно, при повышении 
глубина ООС увеличивается, поэтому
число каскадов не должно превышать
трех. Схемы УПТ с непосредственной
связью просты по построению. Делитель
напряжения R
1
R
2
компенсирует напряжение смещения,
поступающее на источник сигнала и
сохраняет смещение
неизменным при изменении внутреннего
сопротивления источника сигнала.
Делитель напряжения R
5
R
6
включается для компенсации постоянного
напряжения
.
В подавляющем большинстве случаев УПТ является усилителем не тока
(как следует из названия), а напряжения
. Неоднозначность названия обусловлена тем, что термин « ток
» часто употребляется для описания любых электрических сигналов вообще.
- Постоянного тока усилитель
— статья из Большой советской энциклопедии
.
