Это усилители медленноменяющегося сигнала, у которого fн может быть равна нулю, а fв определяется назначением, его структурой, элементной базой.
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 УПТ 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).
Так, например, на первый взгляд согласование режимов по постоянному току в схеме, приведенной на рис. 2.22 выполнить достаточно просто. Для этого необходимо, чтобы напряжение на эмиттерном резисторе каждого последующего каскада компенсировало постоянную составляющую режима покоя предыдущего каскада.
Рисунок 2.22 – Схема трехкаскадного усилителя постоянного тока, где R1–R2
и R3–R4 схемы компенсации на входе и выходе
Однако такой метод согласования приводит к тому, что глубина местной последовательной ООС по току в каждом последующем каскаде будет больше, чем в предыдущем. Поэтому коэффициент усиления каждого последующего каскада будет меньше, чем предыдущего. На практике, если таких последовательно включенных каскадов больше трех, то коэффициент усиления последующих каскадов стремится к единице.
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:
Несмотря на отмеченные серьезные недостатки непосредственной межкаскадной связи, ее простота сыграла определенную роль при распространении в УПТ и других усилителях, изготовляемых по интегральной технологии.
При изложении вопросов, связанных с применением межкаскадных непосредственных связей в УПТ, которые по характеру отличаются друг от друга, целесообразно вначале рассмотреть методы согласования каскадов в УПТ, а потом проблему дрейфа.
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. 2.23. Как видно из этой схемы, напряжение больше входного U1 на величину Uкб1. С помощью дополнительного источника напряжения Есм на сопротивлении нагрузки Rн 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 Есм не имеет общих точек с шиной «земля» и может явиться «источником» нежелательных различных наводок.
Рисунок 2.23 – Схема согласования каскадов усилителя постоянного тока с источником напряжения в цепи связи (со стабилитроном при замещении источника напряжения Есм стабилитроном VD)
В реальных устройствах с непосредственной связью каскадов источник Есм обычно заменяется стабилитроном VD, как это показано штриховой линией на рис. 2.23, который, как и источник смещения, может уменьшать напряжение на сопротивление нагрузки Rн до нуля. В случае полной компенсации постоянного потенциала ток через источник Есм не течет, в то время как через стабилитрон обязательно должен протекать ток Iсм, обеспечивающий режим стабилизации и компенсации постоянного потенциала. В связи с этим схема согласования каскадов УПТ со стабилитроном менее экономична, но более удобна для практики.
Также стабилитроны включаются и в эмиттерные цепи транзисторов (рис. 2.24), однако, применение стабилитронов полностью не решает проблему согласования режимов, как по постоянному, так и переменному току. К тому же рассмотренные усилители обладают следующими недостатками.
1. На входе усилителя присутствуют некоторое постоянное напряжение, необходимое для задания режима покоя транзистора первого каскада. Кроме того, существуют источники информации (датчики), подача на которые постоянного напряжения недопустима.
2. При отсутствии входного сигнала на выходе усилителя присутствует некоторое постоянное напряжение, обусловленное режимом покоя выходного транзистора усилителя.
Рисунок 2.24 – Схема двухкаскадного усилителя постоянного тока
с согласованием режимов по постоянному току с помощью стабилитронов
Устранить постоянные составляющие на входе и выходе усилителя можно, используя в нем так называемые схемы сдвига, что требует введения в устройства дополнительного источника питания, полярность которого противоположна полярности основного источника питания, и использования для межкаскадной связи резистивных делителей напряжения.
Схемы же согласования каскадов УПТ с делителем напряжения и дополнительным источником питания широко использовались в ламповой технике, несмотря на некоторое ослабление усиливаемого сигнала, вносимое резисторным делителем. Эти схемы являются разновидностью способа компенсации с дополнительным источником.
На выходе невозможно выяснить, какая часть сигнала обусловлена изменением входной информации, а какая обусловлена дрейфом усилителя. Следовательно, с точки зрения уменьшения искажения входного сигнала необходимо стремиться к тому, чтобы полезная составляющая этого сигнала всегда была существенно больше составляющей приведенного дрейфа. Отсюда становится ясным, что при проектировании усилителей постоянного тока вопрос уменьшения их приведенного дрейфа является одним из наиболее важных.
Рисунок 2.22 – Схема трехкаскадного усилителя постоянного тока, где R1–R2
Схема каскада УПТ с дополнительным источником в цепи связи изображена на рис. 2.23. Как видно из этой схемы, напряжение больше входного U1 на величину Uкб1. С помощью дополнительного источника напряжения Есм на сопротивлении нагрузки Rн 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 Есм не имеет общих точек с шиной «земля» и может явиться «источником» нежелательных различных наводок.
2. При отсутствии входного сигнала на выходе усилителя присутствует некоторое постоянное напряжение, обусловленное режимом покоя выходного транзистора усилителя.