Как отмечалось ранее, усилитель постоянного тока способен усиливать входной сигнал без нарушения соотношения в нем постоянной и переменной составляющих. Это достигается исключением из усилителя элементов, препятствующих передаче очень медленных изменений входного напряжения или тока, т. е. конденсаторов или трансформаторов связи. Между отдельными каскадами усилителя осуществляется так называемая гальваническая связь: связь посредством элементов, обеспечивающих двустороннюю передачу сколь угодно медленных изменений сигнала (напряжения или тока). В частном случае (при отсутствии каких-либо дополнительных элементов) гальваническая связь превращается в непосредственную.
Исключив из схемы усилителя, приведенной на рис. 6.41, все реактивные элементы, получим схему усилителя постоянного тока (рис. 6.42).
Рисунок 6 42 – Схема трехкаскадного усилителя постоянного тока
Очевидно, что полученная таким образом схема будет существенно проще исходной. К тому же она не содержит крупногабаритных элементов, плохо поддающихся миниатюризации современными технологическими средствами. Поэтому она может быть вы полнена в виде интегральной схемы, что повышает надежность ее работы.
Однако исключение разделительных конденсаторов значительно усложняет проектирование таких устройств. При проектировании необходимо решить две технически сложные задачи. Во-первых, необходимо согласовать режимы работы отдельных каскадов как по постоянному, так и переменному току, и, во-вторых, минимизировать дрейф нуля.
На первый взгляд согласование режимов по постоянному току в схеме, приведенной на рис. 6.42, выполнить достаточно просто. Для этого необходимо, чтобы напряжение на эмиттерном резисторе каждого последующего каскада компенсировало постоянную составляющую режима покоя предыдущего каскада, т. е. для каждого последующего каскада должно выполняться соотношение
URэi + UKЭi – UБЭi+1 = URэi+1 (6.61)
Однако такой метод согласования приводит к тому, что глубина местной последовательной ООС по току в каждом последующем каскаде будет больше, чем и предыдущем. Поэтому коэффициент усиления каждого последующего каскада будет меньше, чем предыдущего. На практике, если таких последовательно включенных каскадов больше трех, то коэффициент усиления после дующих каскадов стремится к единице.
Устранить данный недостаток можно, используя в эмиттерных цепях транзисторов нелинейные элементы, падение напряжения на которых не зависит от их сопротивления. В качестве таких элементов в усилителях постоянного тока часто используют стабилитроны (рис. 6.43).
Рисунок 6.43 – Схема двухкаскадного усилителя постоянного тока с согласованием режимов по постоянному току с помощью стабилитронов
Применение стабилитронов полностью не решает проблему согласования режимов как по постоянному, так и переменному току. Действительно, поскольку напряжение эмиттерного элемента (резистора или стабилитрона) в каждом последующем каскаде должно быть больше, чем в предыдущем, соответственно уменьшается возможное максимальное значение амплитуды выходного сигнала каскада. Однако по принципу работы амплитуда сигнала в каждом последующем каскаде усилителя должна быть больше, чем в предыдущем. Поэтому проектирование на этом принципе усилителей с числом каскадов большим трех, как правило, нецелесообразно. Следовательно, усилители постоянного тока, в которых использован этот метод согласования режимов, имеют вполне определенный предел по коэффициенту усиления. К тому жерассмотренные усилители обладают следующими недостатками.
1. На входе усилителя присутствует некоторое постоянное напряжение, необходимое для задания режима покоя транзистора первого каскада. Подключение источника входного напряжения с конечным выходным сопротивлением изменит режим работы этого каскада по постоянному току. Это изменение в случае постоянства выходного сопротивления источника входной информации можно компенсировать изменением резисторов Rб1 и Rб2. Однако, если выходное сопротивление источника сигнала в процессе работы не ос тается постоянным, его изменения будут восприниматься усилителем как входной сигнал. 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.
Частично устранить указанные недостатки можно введением во входную и выходную цепи усилителя дополнительных делителей напряжения (на рис. 6.42 показаны штриховой линией). Однако это усложняет схему усилителя и увеличивает рассеиваемую в нем мощность, что препятствует применению методов интегральной и гибридной технологий при его изготовлении. К тому же такое решение повышает выходное сопротивление усилителя.
Устранить постоянные составляющие на входе и выходе усилителя можно, используя в нем так называемые схемы сдвига. Пример такого решения показан на рис. 6.44.
Рисунок 6.44 – Схема усилителя постоянного тока с цепями сдвига уровня напряжения
Идея технического решения состоит в следующем. Если некоторый делитель напряжения подключен к двум последовательно соединенным источникам питания, то сопротивления его резисторов всегда можно подобрать так, что относительно средней точки источников питания напряжение на выходе делителя будет равно нулю. Применительно к усилителю постоянного тока реализация данной идеи требует введения в устройство дополнительного источника питания, полярность которого противоположна полярности основной источника питания, и использования для межкаскадной связи резистивных делителей напряжения.
Проиллюстрируем сказанное. Предположим, что параметры ре жима покоя для базовой цепи транзистора VT1заданы (UБЭ П, IБ П). Тогда сопротивления резисторов делителей связи могут быть рассчитаны по следующим выражениям:
Rсм1 = Uдоп/KIБ П;
Rдел1 = UБЭ П /KIБ П;
Rб = (Uп - UБЭ П)/ KIБ П.
где К ≥ 10 — коэффициент, определяющий превышение током делителя базового тока транзистора.
Данный метод позволяет выполнить согласование режимов каскадов усилителя как по постоянному, так и переменному току Однако введение во входную цепь усилителя и между его каскадами дополнительных делителей напряжения снижает суммарный коэффициент усиления устройства. Последнее (при прочих равных условиях) усложняет схему усилителя. Кроме того, в таком усилителе остается нерешенной проблема минимизации дрейфа нули выходного напряжения.
Абсолютное значение дрейфа нуля для каждого каскада усилителя может быть определено с использованием выражений, приведенных в § 6.1. Для этого изменение коллекторного тока покоя, вычисленное, например, по выражению (6.19), необходимо умножить на сопротивление коллекторного резистора
Uдр вых К = ΔIК П · Rк (6.63)
Выясним, как дрейф каждого отдельного каскада влияет на суммарный дрейф нуля усилителя. Для этого обратимся к рис. 6.45, где дрейф каждого каскада представлен в виде эквивалентной ЭДС, действующей на входе идеального усилителя с коэффициентом усиления Ki. Эту ЭДС обычно называют приведенным дрейфом.
Рисунок 6.45 – К определению суммарного дрейфа нуля УПТ
Под приведенным дрейфом нуля усилителя (каскада) понимают такое эквивалентное напряжение, действующее на его входе, которое создает такое же изменение его выходного напряжения, как и действие внешних дестабилизирующих факторов.
Величину приведенного дрейфа одиночного каскада можно определить следующим образом:
U’др = Uдр вых/Кi = ΔIК П · Rк/Ki (6.64)
При анализе будем полагать, что входное напряжение усилилителя равно нулю. Тогда для суммарного напряжения выходного дрейфа будет справедливо выражение
где К1, К2, К3 – коэффициенты усиления по напряжению соответственно 1-го, 2-го и 3-го каскадов.
Очевидно, что для приведенного выражения справедливо неравенство
К1·К2·К3 ≥К2·К3 ≥·К3 (6.66)
Тогда, полагая, что приведенное напряжение дрейфа U'др для всех каскадов одинаково, из выражения (6.65) можно сделать вывод, что максимальное влияние на дрейф выходного напряжения усилителя оказывает его первый каскад. Действительно, если в трехкаскадном усилителе коэффициенты усиления всех каскадов равны 20, то доля дрейфа второго каскада в выходном напряжении усилителя составит только 5%, а доля дрейфа третьего каскада— 0,25% от доли дрейфа первого каскада. При увеличении коэффициентов усиления доля дрейфа последующих каскадов будет еще меньше.
Физически это очевидно, так как дрейф первого каскада действует непосредственно на входе усилителя и воспринимается как изменение входного сигнала. Поэтому при проектировании усилителей постоянного тока в первую очередь необходимо заботиться о максимальном увеличении коэффициента усиления первого каскада и максимальном уменьшении его дрейфа.
Величина дрейфа одиночного каскада может быть уменьшена введением в него цепи ООС (эмиттерные резисторы, показанные на рис. 6.44 штриховой линией). Однако это приводит к уменьшению коэффициента усиления усилителя, что не всегда желательно.
Для оценки величины дрейфа нуля усилителя пользуются понятием приведенного дрейфа, определяемого по выражению (6.64). Следует отметить, что, так как напряжение приведенного дрейфа действует непосредственно на входе усилителя, то оно складывается с входным сигналом. Поэтому на выходе невозможно выяснить, какая часть сигнала обусловлена изменением входной ин формации, 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.
При проектировании усилителей постоянного тока используют два основных способа уменьшения приведенного дрейфа нуля усилителя:
· уменьшение величины влияющих на усилитель внешних дестабилизирующих факторов;
· снижение чувствительности усилителя к воздействию внешних дестабилизирующих факторов.
Уменьшить влияние внешних дестабилизирующих факторов на дрейф выходного напряжения усилителя можно либо компенсируя возникающий дрейф в каждом, особенно в первом, каскаде усилителя, либо исключая путь передачи возникшего напряжения дрейфа на выход усилителя.
Рассмотрим сначала второй из указанных способов. Ранее было показано, что проблема дрейфа нуля возникла при исключении из схемы усилителя на рис. 6.41 разделительных конденсаторов. Эти конденсаторы препятствовали передаче постоянной составляющей напряжения из предыдущего каскада в последующий, т. е. устраняли путь передачи дрейфовых составляющих со входа усилителя на его выход. Однако в усилителе постоянного тока входной, управляющий сигнал также содержит постоянную составляющую, которая после усиления должна присутствовать на выходе усилителя. Вследствие этого возникает задача разделения полезной и дрейфовой составляющих во входном напряжении усилителя.
Эта задача имеет достаточно простое решение. Предпосылками этого решения являются следующие положения. В усилителе переменного тока проблема дрейфа нуля отсутствует в силу самого принципа его работы. Входная постоянная составляющая подается на усилитель от внешнего источника, а дрейфовая появляется в самом усилителе. Таким образом, если на входе усилителя переменного тока постоянную составляющую входного сигнала преобразовать в переменную, а на выходе выполнить обратное преобразование, то в выходном напряжении дрейфовые составляющие усилители будут полностью отсутствовать.
Структурная схема усилителя постоянного тока, реализующая данный принцип, приведена на рис. 6.46, а, а временные диаграммы, поясняющие его работу, на рис. 6.46,б.
Рисунок 6.46 – УПТ с модулятором и демодулятором (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б).
Входной сигнал усилителя подается на устройство, называемое модулятором (М), предназначенное для преобразования постоянного напряжения в переменное. По своей сути это два переключателя, изменяющие полярность подключения выходного напряжения источника сигнала ко входу усилителя с частотой, задаваемой внешним задающим генератором. Переменное напряжение U1, с выхода модулятора подается на вход усилителя переменного тока с требуемым коэффициентом усиления К. Усиленное переменное напряжение U1, с выхода усилителя поступает на вход демодулятора (ДМ). Принцип работы демодулятора обратен работе модулятора. Он выполняет обратное преобразование переменного тока в постоянный. Для правильного восстановления исходного сигнала ДМ должен работать синхронно и синфазно с модулятором. С выхода демодулятора усиленное напряжение постоянного тока подается в нагрузку.
Таким образом, в рассматриваемой структуре дрейф, обусловленный изменением параметров усилителя, вследствие действия различных дестабилизирующих факторов полностью устранен. Погрешности, возникающие на выходе, обусловлены только точностью преобразования постоянного тока в переменный, т. е. они полностью определяются параметрами модулятора.
УПТ, построенные по этому принципу, называются М-ДМ усилителями постоянного тока или УПТ с двойным преобразованием.
К недостаткам данной структуры можно отнести:
· наличие в выходном напряжении усилителя составляющей переменного тока, частота которой равна частоте задающего генератора. Это обусловлено неидеальностью работы модулятора и демодулятора. Устранение этой составляющей требует постановки на выходе усилителя дополнительного фильтра;
· недостаточно широкая полоса пропускания усилителя. Причина этого, во-первых, в том, что для правильного восстановления исходного сигнала частота работы модулятора и демодулятора должна как минимум в 2 раза превышать максимальное значение частоты входного сигнала (подробнее об этом – при рассмотрении ЦАП и АЦП), во-вторых, в необходимости установки на выходе устройства фильтра, предназначенного для подавления составляющих с частотой работы задающего генератора.
Практической реализацией первого способа уменьшения дрейфа усилителя, а именно компенсации дрейфовой составляющей в каждом каскаде, является использование при его построении дифференциальных каскадов усиления. При правильном проектировании в дифференциальных каскадах дрейф нуля может быть существенно меньшим, чем в каскадах на одиночных транзисторах. К тому же дифференциальный каскад почти полностью лишен основных недостатков, свойственных УПТ по схеме на рис. 6.42.
При включении источника входного напряжения между базами его транзисторов, а нагрузки — между их коллекторами (см. рис. 6.29, а) постоянные составляющие входного и выходного напряжений усилителя, обусловленные обеспечением его режима работы, принципиально отсутствуют. Следовательно, в усилителе автоматически выполняется условие: если Uвх = 0, то Uвых=0. Поэтому подключение источника входного сигнала и нагрузки не из меняет режим работы каскада по постоянному току.
Входное и выходное напряжения дифференциального каскада могут изменять свою полярность.
Источник входного напряжения и нагрузка могут быть как симметричными, так и несимметричными (см. рис. 6.33).
Коэффициент усиления дифференциального каскада при прочих равных условиях всегда больше, чем у каскада на одиночном транзисторе (6.56).
При построении многокаскадного усилителя не возникает проблемы согласования режимов отдельных каскадов по постоянному току, причем в этом случае допускается непосредственная связь между отдельными каскадами. Это позволяет строить с использованиемдифференциальных каскадов многокаскадные усилители с очень большим собственным усилением.
На рис. 6.47 приведена схема двухкаскадного УПТ, выполненная с использованием двух дифференциальных каскадов усиления. Из схемы видно, что, хотя для напряжения на эмнттерных резисторах Rэ, и справедливо полученное ранее выражение (6.61), увеличение URэ не приводит к снижению коэффициента усиления последующих каскадов.
Рисунок 6.47 – Схема двухкаскадного УПТ на дифференциальных каскадах
Все это послужило причиной того, что дифференциальный усилитель является в настоящее время основой для проектирования многокаскадных УПТ, особенно при использовании гибридной и полупроводниковой технологии. Более детально построение УПТ на основе дифференциальных усилителей будет рассмотрено вгл. 7.
