Электроника и микропроцессорная техника

Общие сведения об усилителях постоянного тока

К усилителям постоянного тока (УПТ) относятся устройства, у которых коэффициент усиления на нижних частотах  вплоть до нулевой отметки остается таким же как и на средних частотах   — >f_ГРАН (рис.58).

Рис.58. Частотная характеристика  УПТ

В цепях УПТ прямого усиления нельзя применять элементы, сопротивление которых зави­сит от частоты, т.е. конденсаторы и трансформато­ры, поэтому для соединения усилителя с источником сигнала и с нагрузкой, а также для соединения каскадов между собой используют непосредственные (гальванические) связи. Такие связи вызывают затруднения при установке исходного режима, кроме того, более вероятно возникновение ложных сигналов.

Наиболее сложной задачей в УПТ является уменьшение нестабильности (дрейфа) выходного напряжения. В идеальном случае при отсутствии входного сигнала выходное напряжение должно быть неизменным и равным нулю.Однако, изменения напряжений питания, колебания температуры и связанные с ними изменения параметров элементов схем, старение элементов и другие дестабилизирующие факторы вызывают медленные изменения токов и напряжений в усилителе. Через цепи непосредственной связи эти изменения передаются на выход усилителя, где приводят к изменениям выходного напряжения. Эти изменения неотличимы от изменений, вызываемых воздейст­вием полезного сигнала на входе усилителя. Изменения выходного напряжения, обусловленные внутренними процессами в усилителе и не связанные со входным напряжением, называют дрейфом усилителя. Абсолютный дрейф нуля усилителяопределяют как максимальное изменение выходного напряжения при короткозамкнутом входе за определённый промежуток времени. Приведенный ко входу дрейф УПТ вычисляют делением абсолютного дрейфа на коэффициент усиления :

.

Приведенный ко входу дрейф эквивалентен ложному сигналу на входе. Величина ограничивает минимально различимый полезный входной сигнал, т.е. определяет чувствительность усилителя. В УПТ прямого усиления в настоящее время  получили подавляющее применение так называемые дифференциальные каскады, схемотехника которых обеспечивает наименьший дрейф выходного напряжения. Типичным представителем этого класса усилителей является  параллельный балансный УПТ –двухтактный линейный усилитель с двумя идентичными плечами, работающими на общую нагрузку. Упрощенная схема такого усилителя приведена на рис.59.

Рис.59. Балансный УПТ.

Особенности схемы:

• два источника питания, необходимые для симметричного усиления разнополярных входных сигналов,
• сопротивление нагрузки не имеет вывода, соединённого с общим проводом, выходное напряжение равно разности потенциалов коллекторов транзисторов,
• общий резистор ООС по эмиттерному току (Rэо),
• два входа относительно общего провода,
• дифференциальный вход – между 1^м и 2^м входами,
• симметричность схемы, обеспечивающая равенство между собой токов и напряжений начального режима (обычно достигается интегральным исполнением),
• плечи усилителя работают в классе А за счет соответствующего смещения баз

транзисторов в начальном режиме (цепи смещения на схеме не показаны).

Малый дрейф выходного напряжения объясняется несколькими причинами: симметричность схемы, в результате чего разность коллекторных напряжений (Uвых.др.) в начальном режиме  весьма мала; ООС по эмиттерному току уменьшает изменения коллекторных напряжений в результате дрейфа и ,следовательно, уменьшает сам дрейф.

В рабочем режиме входной сигнал (сигналы) может подаваться на любой вход, однако, балансный УПТ всегда усиливает дифференциальный сигнал, равный разности:
Uвх.дф.=Uвх1-Uвх2. В зависимости от полярности  Uвх.дф изменяются токи и напряжения транзисторов, соответственно меняются  величина и знак выходного напряжения, при этом глубина ООС  по сигналу остаётся неизменной и не влияет на коэффициент усиления. Поясним это на примере: пусть полярность Uвх.дф такова, ( Uвх1>Uвх2, в частном случае может быть Uвх2=0, т.е. Вх2 закорочен на общий провод),  что увеличивается ток базы VT1() и уменьшается ток базы VT2 (), соответственно получим

поскольку в силу симметричности схемы приращения начальных токов равны между собой и противоположны по знаку, то Iэо = Const, т.е.ООС по входному сигналу остаётся неизменной. В то же время Uвых=Uко1-Uко2 будет отрицательным, т.к. в этом случае по абсолютной величине Uко1< Uко2 (ток нагрузки будет протекать от коллектора VT2 к коллектору VT1). Заметим, что в данном случае положительному  знаку сигнала на входе Вх1 соответствует противоположное по знаку Uвых, т.е. имеет место инверсия знака входного сигнала. Вход дифференциального усилителя, сигнал с которого воспроизводится на выходе с обратным знаком (или фазой, если сигнал переменный), называется инвертирующим. Легко проследить, что, если тот же сигнал подать на Вх2 (Uвх2> Uвх1, в частном случае может быть Uвх1=0, т.е. Вх1 закорочен на общий провод), то Uвых будет положительным, т.к. Uко2< Uко1(ток нагрузки будет протекать от коллектора VT1 к коллектору VT2), т.е. инверсии сигнала не произойдёт. Вход дифференциального усилителя, сигнал с которого воспроизводится на выходе с тем же знаком (или фазой, если сигнал переменный), называется неинвертирующим. Легко убедиться, что при изменении полярности Uвх.дф процессы в схеме будут зеркальными.

Возможен случай, когда на оба входа подаются одинаковые по величине и знаку (фазе) сигналы, например, в частном случае оба входа закорочены между собой и на объединенный таким образом вход подается входной сигнал. Сигнал, действующий одинаковым образом (по знаку и величине) одновременно на оба входа дифференциального усилителя, называется синфазным. Причиной появления синфазного сигнала могут быть внешние электромагнитные наводки (помехи), кроме того, синфазная составляющая может быть в составе входных сигналов, одновременно действующих на обеих входах усилителя. Например, если Uвх1=2В,Uвх2=1В,то очевидно , что синфазная составляющая будет равна Uвх.сф.=1В,при этом Uвх.дф также будет равно 1В. Опасность синфазного сигнала заключается в том, что при допустимой величине Uвх.дф, синфазная составляющая  может превышать допустимую (обычно нормируемую) величину и вывести усилитель из строя. Рассмотрим влияние синфазного сигнала на дрейф балансного УПТ. По определению синфазный сигнал вызывает одинаковые приращения токов и напряжений в обеих транзисторах,например, увеличиваются базовые, коллекторные и эмиттерные токи, следовательно уменьшаются почти одинаковым образом коллекторные напряжения, однако, их разность при этом (Uвых.др.) изменяется незначительно, кроме того, теперь приращения эмиттерных токов транзисторов одинаковы по знаку и общий эмиттерный ток увеличивается, создавая более глубокую ООС , эффективно подавляющую возникающие изменения коллекторных напряжений. Таким образом, балансный УПТ не усиливает, а подавляет синфазный сигнал благодаря симметричности схемы и действию ООС. Влияние синфазного сигнала в технической документации на конкретные усилители оценивается коэффициентом передачи:

Ксф=Uвых.сф./Uвх.сф.,(обычно меньше1).
Чаще используется коэффициент ослабления синфазного сигнала, измеряемый в децибелах:

Кдб = 20lgКu/Ксф, где Ku-коэффициент усиления усилителя.

Следует отметить, что изменения условий внешней среды (например, колебания температуры) приводят к точно таким же процессам в схеме дифференциального усилителя, что и синфазный сигнал, поэтому иногда эти влияния называют синфазной помехой.

В реальных дифференциальных каскадах вместо резистора обратной связи Rэ используют токостабилизирующий двухполюсник, рассмотренный выше. Этим достигается компромисс между необходимостью иметь относительно небольшую ООС и высокий коэффициент усиления по рабочему сигналу (обеспечивается относительно небольшим статическим сопротивлением двухполюсника) и глубокую ООС по синфазной помехе (обеспечивается большим динамическим сопротивлением двухполюсника).

В завершение раздела о балансном УПТ следует отметить, что для расчёта параметров усилителя может быть использована методика, приведенная выше для RС-усили-
теля .Расчёт выполняется для одного плеча с учётом отсутствия разделительных конденсаторов.

Наряду с УПТ  прямого усиления, получившим наибольшее распространение, в ряде случаев используют упомянутые выше усилители с преобразованием спектра входного сигнала, имеющие структуру : модулятор-демодулятор (МДМ). Их применение оправдано в случаях, когда входной сигнал является переменным с инфранизкой частотой –fвх. и даже малый дрейф выходного напряжения нежелателен. Для преобразования входного сигнала по частоте используют вспомогательное (опорное) напряжение более высокой частоты-fоп. В наиболее распространённом случае амплитуда опорного напряжения (Uоп) изменяется по закону изменения напряжения входного сигнала, так называемая амплитудная модуляция (АМ-модуляция). Эта функция выполняется модулятором (М). Высокочастотный  АМ-сигнал усиливается  до необходимой величины усилителем переменного напряжения, не имеющим как показано выше, дрейфа выходного сигнала из-за наличия разделительных конденсаторов. Далее  усиленный АМ-сигнал подвергается демодуляции (ДМ), в результате которой на выходе усилителя воспроизводится огибающая АМ-сигнала , повторяющая форму входного сигнала с усилением по величине в Кус раз. Воспроизведение без искажения формы входного сигнала возможно при соблюдении условия  fоп?2 fвх (теорема Котельникова), практически выбирается fоп = (10-20) fвх ,обычно в измерительной технике используются опорные частоты в диапазоне 50-1000 Гц.

Принцип спектрального преобразования поясняется  рис.60,на котором представлен частный случай, когда входной сигнал имеет синусоидальную форму. В результате модуляции АМ-сигнал содержит три частоты: опорную и две боковые ,отличающиеся от опорной на величину  частоты сигнала. Таким образом, в данном случае усилитель переменного напряжения должен иметь полосу пропускания достаточную для неискаженного усиления  АМ-сигнала с частотами   от fоп-fсигн. до fоп+ fсигн.

Рис.60. Спектральные диаграммы

входных сигналов  и АМ-
сигнала усилителя МДМ.

Упрощенная  структурная схема усилителя типа МДМ представлена на рис.61

Рис.61. Усилитель с преобразованием спектра входного сигнала

Применявшиеся ранее модуляторы на электромеханических вибропреобразователях  и позднее на транзисторах в настоящее время практически вытеснены интегральными элементами на базе операционных усилителей (525 ПС1,ПС3;К140МА1 и др.),интегральный операционный усилитель типа К140УД13 совмещает в себе функции модулятора и демодулятора, т.е.реализует полностью схему МДМ.

Известным недостатком усилителей МДМ является сравнительно узкая полоса пропускания по частоте входного сигнала. Лишены этого недостатка так называемые двухканальные усилители  с более сложной структурной схемой, сочетающей достоинства усилителей МДМ, переменного сигнала и прямого усиления (Рис.62).

Рис.62. Двухканальный усилитель

Из схемы видно, что разделение каналов по частоте позволяет усилить напряжение сигнала в каждом из них без погрешности, вносимой дрейфом, далее высоко и низко частотные составляющие поступают на вход усилителя прямого усиления с широкой полосой пропускания. Этот усилитель имеет дрейф выходного напряжения, однако, поскольку на его входе действует большой по напряжению сигнал, то коэффициент усиления может быть небольшим (близким к единице) и напряжение дрейфа оказывается пренебрежимо малым по сравнению с полезным выходным сигналом. В структуре двухканального усилителя присутствуют местные и общие отрицательные обратные связи, корректирующие его параметры.