2.6 Усилители постоянного тока

K_u

Часто при проведении измерений в электронных устройствах необходимо усиливать сигналы очень низкой частот-порядка долей Гц. Для этого требуется усилители, имеющие равномерную амплитудно-частотную характеристику до самых низких частот. Такие усилители называют усилителями постоянного тока (УПТ). Приведем для сравнения АЧХ УПТ и усилителя с RC-связью (рисунок 2.30).

f, Гц

10⁶

10⁴ f_в

f_н 10²

0

У_с RC

УПТ

Рисунок 2.30 – АЧХ УПТ

В области низких и средних частот АЧХ УПТ равномерна. В области высоких частот в УПТ, так же как и в усилителях с RC-связью, появляются фазовые сдвиги и частотные искажения на частотах, на которых начинают сказываться паразитные емкости самих усилительных каскадов.

В УПТ возникают трудности, связанные с отделением полезного сигнала от постоянных составляющих U и I, которые необходимы для работы транзисторов усилительных каскадов.

Как и в усилителях с RC-связью, характеристики УПТ должны отвечать ряду требований:

• в отсутствие входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал;

• при изменении знака входного сигнала должен изменять знак и выходной сигнал;

• напряжение на нагрузочном устройстве должно быть пропорционально входному напряжению.

В УПТ отделение const составляющих U, производится обычно компенсационным методом и такие усилители можно условно подразделить на усилители с одним и двумя источниками питания.

Упт с одним источником питания

Рассмотрим схему УПТ с одним источником питания (рисунок 2.31).

φ₁

R₂

I₁

U_вх

R_б''

φ₂

VT

R_э

I₂

R_н

i_к

i_н

+E_к

R₄

R₅

R₃

R_к

R_б'

R₁

Рисунок 2.31 – Схема УПТ с одним источником питания

Простейший УПТ с одним источником питания состоит из обычного усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенным по схеме с ОЭ (выделен штриховыми линиями), у которого отсутствует конденсатор С в цепях эмиттера, что приводит к снижению коэффициента усилителя из-за возникновения отрицательной обратной связи, но обеспечивает большую полосу пропускания.

Нагрузочный резистор R_н включен между коллектором транзистора и средней точкой делителя R₃ / R₄, а входное напряжение U_вх приложено между базой и средней точкой делителя R₁ / R₂. Для точной подстройки режима в выходной цепи ставится переменный резистор R₅. При подаче входного сигнала появляется ток во входной цепи, изменяются базовый и коллекторные токи, что приводит к изменению напряжения на коллекторе и появлению тока в нагрузке i_н.

U, i_к

Потенциальная диаграмма (рисунок 2.32) показывает, что при отсутствии входного напряжения U_вх = 0 (0 < = t < = t₁), U_вых = 0, в интервале времени t₁ < t < t₂ при U_вх < 0, U_вых > 0, а в интервале t > t₂, U_вх > 0, U_вых < 0. Таким образом, компенсируется const составляющая коллекторного тока.

φ_к

i_к

t₂

t₁

t

φ₂

φ₁

φ_б

E_к

U_вых

U_вх

φ, E_к

Рисунок 2.32 – Потенциальная диаграмма работы УПТ с одним источником питания

В УПТ с одним источником питания вместо усилительного каскада с коллекторной нагрузкой может применяться эмиттерный повторитель или усилительный каскад на полевом транзисторе.

Недостатки УПТ с одним источником питания:

• т. к. нагрузочные резисторы включаются между электродом транзистора и средней точкой делителя, то они не могут быть соединены с общей точкой усилителя (т. е. выведены на корпус, имеющим нулевой потенциал);

• источник входного напряжения тоже не соединен с общей точкой усилителя.