Особенности усилителей постоянного тока

January 23, 2012 by admin Комментировать »

Схема усилителя

Узким местом в усилителях без разделительных конденсаторов являются допустимые значения напряжений в схеме. В частности, весьма желательно, чтобы в отсутствие сигнала потенциал как на входе, так и на выходе был равен потенциалу земли. Это означает, конечно, что выходное напряжение в режиме покоя больше не может равняться половине напряжения питания (Vcc) относительно земли (О В). Может показаться, что в связи с этим ограничением возникает проблема, ведь до сих пор мы предполагали, что начальное значение выходного напряжения должно равняться Vcc/2, чтобы были возможны отклонения сигнала как в положительную, так и в отрицательную сторону. Применительно к усилителям постоянного тока эта проблема решается путем применения двух симметричных источников питания: положительного и отрицательного (в этом случае говорят, что схема работает с раздельными источниками питания).

Простой двухтранзисторный усилитель постоянного тока показан на рис. 8.4. Он является модификацией усилителя переменного напряжения, приведенного на рис. 1.20, но здесь применены два источника питания и комплементарные транзисторы (п-р-п- и р-п-р-). С помощью делителя напряжения, состоящего из резисторов R4, Rs и R3, потенциал эмиттера Тх поддерживается слегка отрицательным по отношению к земле (—0,6 В). Таким образом, Т{ оказывается открытым, если его база привязана к земле входным резистором Rv

Что касается выхода, то, с одной стороны, мы знаем, что коллектор п-р-п-транзистора должен быть положительным по отношению к базе, а с другой стороны, в усилителе постоянного тока нам необходимо, чтобы потенциал коллектора был равен потенциалу земли; только тогда нулевой входной сигнал будет давать нулевой сигнал на выходе. Этот парадокс разрешается с помощью р-п-р-транзистора Т2, который введен для того, чтобы сдвинуть выходное напряжение в режиме покоя обратно к нулю, осуществляя в то же самое время дополнительное усиление.

На Т2 реализована простая схема стабилизированного по постоянному току каскада усилителя, работающая от двух источников питания +9 В и —9 В, в которой потенциал базы транзистора задается не делителем напряжения, а коллектором транзистора Т2. Начальные условия оптимальны, когда потенциал коллектора Т2 в режиме покоя равен потенциалу зем-

Рис. 8.4. Простой усилитель постоянного тока, иллюстрирующий использование двух источников питания.

ли (О В), в результате чего нулевой сигнал на входе Tt дает нулевое напряжение на выходе. Если нулевой сигнал на входе не приводит к нулевому постоянному напряжению на выходе, то говорят, что у этого усилителя есть напряжение смещения; назначение переменного резистора Rs состоит в том, чтобы с его помощью производить установку нулевого смещения для получения нуля на выходе при подаче нуля на вход, что, до некоторой степени, подобно установке нуля на аналоговом вольтметре, когда с помощью регулировочного винта стрелка устанавливается на начало шкалы в отсутствие сигнала.

Идя назад по схеме усилителя со стороны его выхода, видим, что требование нулевого потенциала коллектора Т2 подразумевает падение на резисторе R7 напряжения, точно равного 9 В. Следовательно, коллекторный ток транзистора Т2 должен равняться (9/4700) А или 1,9 мА. Эмит- терный ток величиной 1,9 мА дает падение напряжения 1,9 В на 1-кило- омном резисторе R6 в цепи эмиттера, так что потенциал эмиттера Т2 будет иметь значение (9 — 1,9) В, то есть 7,1 В. Выполнение этих условий обеспечивается только тогда, когда потенциал базы транзистора Т2, являющегося р-п-р-транзистором, на 0,6 В отрицательнее потенциала его эмиттера, то есть равен (7,1 — 0,6) В или 6,5 В. Это подходящее напряжение рабочей точки для коллектора Tv так что два каскада усилителя можно соединить непосредственно. Теперь мы знаем, что в результате задания с помощью Rs нулевого смещения режим покоя транзистора Тх автоматически устанавливается нужным. Это как раз одна из многих схем, для которых возможность применения комплементарных транзисторов является особенно ценной.

Легко рассчитать коэффициент усиления напряжения в схеме на рис. 8.4, так как в обоих каскадах транзисторы включены по схеме с общим эмиттером, без блокировочных конденсаторов в эмиттерах, применение которых в усилителе постоянного тока является, конечно, бессмысленным. Коэффициент усиления каждого каскада равен примерно отношению коллекторной нагрузки к сопротивлению в цепи эмиттера (см. разд. 4.7). Фактическим сопротивлением в эмиттере транзистора 7j является параллельное соединение резистора R3 и включенных последовательно R4 и R5, так что ее результирующее значение равно приблизительно 550 Ом.

Таким образом, коэффициент усиления напряжения первого каскада примерно равен

коэффициент усиления напряжения второго каскада примерно равен

Следовательно, полный коэффициент усиления напряжения двух каскадов примерно равен

Входной ток смещения

При работе с этим усилителем оказывается, что требуемое положение регулятора нулевого смещения Rs зависит от сопротивления источника, подключенного ко входу. Если первоначальная установка Rs была произведена в режиме холостого хода на входе (то есть только с 10-килоомным резистором Rx во входной цепи), а затем была подключена термопара с пренебрежимо малым сопротивлением, то потребуется устанавливать Rs заново.

Причина этого заключается в том, что входная цепь является базовой цепью транзистора Тх и по ней течет обычный базовый ток (с типичным значением 5 мкА). От протекания 5 мкА по сопротивлению 10 кОм на нем падает напряжение 50 мВ, и оно играет роль входного напряжения смещения, когда во входной цепи имеются только эти 10 кОм. Смещение исчезает, когда вход шунтируется накоротко или когда ко входу подключается источник с малым сопротивлением. Входной ток смещения и напряжение смещения еще будут рассматриваться позднее, когда в гл. 11 мы встретимся с интегральными усилителями.

Дрейф

Одно из затруднений, возникающих при работе с усилителями с непосредственной связью, состоит в том, что изменения режима схемы по постоянному току неотличимы от усиления сигнала. Такие изменения обычно происходят из-за колебаний температуры. Если, например, в схеме на рис. 8.4 температура возросла, то разность потенциалов на переходах база—эмиттер уменьшится, и это приведет к небольшому увеличению коллекторного тока в обоих транзисторах. Результирующее изменение напряжения смещения называют дрейфом. Обычно самым чувствительным является входной каскад, поскольку то, что в нем происходит, усиливается в наибольшей степени.

Дрейф в схеме на рис. 8.4 можно наблюдать, подключив к выходу чувствительный вольтметр постоянного тока или осциллограф, у которого усилитель вертикального канала переключен на режим работы по постоянному току. Не подавая никакого сигнала на вход, установите с помощью Rs нулевое напряжение на выходе, а затем возьмитесь пальцами за транзистор Тх и погрейте его. Вы увидите постепенный дрейф выходного напряжения; обратите внимание на то, в каком направлении изменяется выходное напряжение, и проверьте, согласуется ли оно с приведенным выше объяснением.

Поскольку обычно температура электронных схем не поддерживается постоянной, у усилителя постоянного тока непременно проявляется некоторый дрейф. Однако путем принятия соответствующих мер дрейф в схеме можно удержать на пренебрежимо низком уровне. Дрейф выходного напряжения зависит как от внутреннего дрейфа усилителя, так и от его коэффициента усиления. Чтобы выразить дрейф независимо от коэффициента усиления, в перечне параметров усилителя обычно бывает указан дрейф, «отнесенный ко входу», в микровольтах на градус; это величина, равная изменению напряжения входного сигнала, которое потребовалось бы, чтобы создать такое же изменение выходного напряжения, какое происходит из-за дрейфа. Например, в случае, когда коэффициент усиления равен 100, а выходное напряжение отклоняется из-за дрейфа на 0,2 В при увеличении температуры на 25 °С, отнесенный ко входу дрейф равен

Литература: М.Х.Джонс, Электроника — практический курс Москва: Техносфера, 2006. – 512с. ISBN 5-94836-086-5

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты