Какие типы усилителей постоянного тока вы знаете?

Стр 1 из 2Следующая ⇒

ВВЕДЕНИЕ

Различают два основных типа УПТ: без преобразования сигнала (усилители прямого усиления) и с преобразованием сигнала, т.е. с модулятором и демодулятором (МДМ). Кроме того, они бывают однотактные и двухтактные.

В усилителях постоянного тока без преобразования сигнала усиливаются сигналы с частотами, близкими к нулю. При усилении таких медленно изменяющихся сигналов, ни трансформаторные связи между каскадами усилителя не в состоянии обеспечить сколь-нибудь удовлетворительную передачу усиливаемого через межкаскадные конденсаторы и трансформаторы в принципе не может проходить усиливаемый сигнал. Потому в УПТ без преобразования сигнала каскады соединяются непосредственно (гальванически) или иногда с помощью оптоэлектронных устройств (оптопар).

Непосредственная связь между каскадами УПТ осуществляется предельно просто. Выход предыдущего каскада через проводник или резистор соединяется с входом последующего каскада, т.е. развязывающие устройства между каскадами не используются. Однако при непосредственной связи между каскадами приходится согласовывать сравнительно большой (по модулю) потенциал на выходе предыдущего каскада с малым потенциалом на входе последующего. Иными словами, в каскадах УПТ происходит повышение постоянного потенциала от его входа к выходу, что создает проблему обеспечения режима питания УЭ по постоянному току. Кроме того, возникает более серьезная проблема – дрейф нуля (изменение начального уровня выходного напряжения).

Параметры УПТ такие же, что и RC–усилителя, но добавляется немаловажный параметр, определяющий качество усилителя – дрейф нуля (Uдр), – это изменение выходного напряжения при постоянстве входного. Входное сопротивление большое и определяется по формуле:

Rвх = rб + (1 + h21э)(rэ+Rэ)||Rк||Rэ ≈ rб + h21эRэ.

Среди методов согласования каскадов можно выделить четыре наиболее распространенных:

– с дополнительным источником напряжения в цепи связи;

– со стабилитроном в цепи связи;

– с делителем напряжения и дополнительным источником питания;

– с каскадом сдвига уровня (КСУ).

Схема каскада УПТ с дополнительным источником в цепи связи изображена на рис.1. Как видно из этой схемы, напряжение больше входного U₁ на величину U_кб1. С помощью дополнительного источника напряжения Е_см на сопротивлении нагрузки R_н можно уменьшить напряжение U₂ практически до нуля. Однако такой способ согласования весьма неудобен, так как напряжение на коллекторах транзисторов усилительных каскадов могут принимать различные значения и необходимо подбирать источники смещения для каждого отдельного случая. Кроме того, источник Е_см не имеет общих точек с шиной «земля» и может явиться «источником» нежелательных различных наводок.

Рисунок 1– Схема согласования каскадов усилителя постоянного тока

с источником напряжения в цепи связи .

ДРЕЙФ НУЛЯ УСИЛИТЕЛЯ

Применение усилительных каскадов в УПТ ограничивается дрейфом нуля. Дрейфом нуля нулевого уровня называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения.

Этот эффект наблюдается и при отсутствии сигнала на входе. Поскольку дрейф нуля проявляется таким образом, как будто он вызван входным сигналом УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала. Существует достаточно много физических причин, обусловливающих наличие дрейфа нуля в УПТ. К ним относятся нестабильности источников питания, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы, помехи и наводки. Среди перечисленных причин наибольшую нестабильность вносят изменения температуры, вызывающие дрейф.

Этот дрейф обусловлен теми же причинами, что и нестабильность тока коллектора усилителя в режиме покоя изменениями Iкбо, Uбэ0 и B. Поскольку температурные изменения этих параметров имеют закономерный характер, то в некоторой степени могут быть скомпенсированы. Так, для уменьшения абсолютного дрейфа нуля УПТ необходимо уменьшать коэффициент нестабильности Sнс. Абсолютным дрейфом нуля, называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени.

Качество УПТ обычно оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведенного ко входу усилителя едр. Приведенный ко входу усилителя дрейф нуля не зависит от коэффициента усиления по напряжению и. эквивалентен ложному входному сигналу. Величина едр ограничивает минимальный входной сигнал, т. е. определяет чувствительность усилителя.

В усилителях переменного тока, естественно, тоже имеет место дрейф нуля, но так как их каскады отделены друг от друга разделительными элементами например, конденсаторами, то этот низкочастотный дрейф не передается из предыдущего каскада в последующий и не усиливается им. Поэтому в таких усилителях рассмотренных в предыдущих главах дрейф нуля минимален и его обычно не учитывают.

В УПТ для уменьшения дрейфа нуля, прежде всего, следует заботиться о его снижении в первом каскаде. Приведенный ко входу усилителя температурный дрейф снижается при уменьшении номиналов резисторов, включенных в цепи базы и эмиттера.

В УПТ резистор RЭ большого номинала может создать глубокую ООС по постоянному току, что повысит стабильность и одновременно уменьшит KU для рабочих сигналов постоянного тока. Поскольку здесь KU пропорционален Sнс, то величина едр оказывается независимой от Sнс. Минимального значения едр можно достичь за счет снижения величин Rэ, Rб и Rr. При этом для кремниевых УПТ можно получить Кремниевые УПТ более пригодны для работы на повышенных температурах.

В зависимости от величины смещения на базе транзистора Uсм различают следующие режимы работы усилителя: A, B, AB, C, D.

Режим A характеризуется выбором рабочей точки на линейном участке входной характеристики. В исходном состоянии транзистор открыт напряжением смещения Uсм и в цепи коллектора протекает ток Iко. При поступлении входного сигнала на выходе усилителя появляется выходной сигнал в противофазе по отношению ко входному.

Режим А характерен тем, что форма выходного сигнала Uвых(t) повторяет форму входного сигнала Uвх(t) за счет работы транзистора в активной зоне без захода в область насыщения и отсечки.

Режим характеризуется минимальными нелинейными искажениями. В это же время работа усилителя в режиме А характеризуется низким КПД, который теоретически не может превышать 0,5, что объясняется постоянным током Iко вне зависимость от наличия или отсутствия входного сигнала. Поэтому такой режим используется только в маломощных каскадах, в которых необходимо иметь минимальные нелинейные искажения.

На основе характеристик, можно пояснить графико-аналитический метод расчета усилителя. По графикам можно определить: коэффициент усиления по току

;

коэффициент усиления по напряжению

;

коэффициент усиления по мощности

Режим В характеризуется тем, что напряжение смещения Uсм=0, а следовательно, рабочая точка выбирается в самом начале входной характеристики. Особенностью режима В является то, что при отсутствии входного сигнала отсутствуют базовые и коллекторные токи. При поступлении входного сигнала ток в коллекторе имеет пульсирующий характер и протекает в течении половины периода. Режим В характеризуется высоким КПД, который может достигать 70%, однако выходной сигнал сильно искажается. Поэтому такой режим применяется только в двухтактных усилителях.

Режим АВ занимает промежуточное положение между режимом А и В. Он характеризуется небольшим напряжением смещения Uсм меньшими нелинейными искажениями по сравнению с режимом А. Режим АВ используется в высококачественных двухтактных усилителях мощности.

Режим С характеризуется тем, что рабочая точка на входной характеристике сдвинута влево от начала координат. Следовательно, более половины периода транзистор находится в закрытом состоянии. Режим С характеризуется высоким КПД, большими нелинейными искажениями и применяется в генераторах частоты.

Режим D характеризуется тем, что усилительный элемент может находится в открытом (режим насыщения) либо в закрытом (режим отсечки) состояниях. Таким образом, ток в выходной цепи может принимать только два значения: I_K.max=Iнас. и I_K.min =0. Скорость перехода из одного состояния в другое характеризует быстродействие усилительного элемента. Обычно Uнас.<1B, поэтому КПД такого усилительного каскада близок к 1.

Режим работы D, который называют еще ключевым режимом, применяется в импульсных схемах.