1.15. Підсилювачі постійного струму Основна відмінність підсилювачів постійного струму (ППС) полягає в тому, що нижня границя їх смуги пропускання частоти дорівнює . ППС використовуються для підсилення постійних або повільно змінних електричних сигналів. При побудові багатокаскадних ППС переважно застосовують гальванічний зв’язок між каскадами. Оскільки в колах зв’язку ППС відсутні реактивні елементи, то через підсилювач одночасно може проходити корисний сигнал і сигнал перешкод. Цей сигнал може появитися на вході під дією різних дестабілізуючих факторів, наприклад зміни напруги джерела живлення, температури і т.п. Корисний сигнал і сигнал перешкоди можуть мати однаковий або близький характер зміни в часі. На виході підсилювача такі сигнали додаються і розрізнити їх неможливо, що створює хибне представлення про дійсний підсилений корисний сигнал. Непрогнозована зміна пруги на виході підсилювача, яка не пов’язана із зміною корисного вихідного сигналу, а зумовлена внутрішніми процесами в підсилювачі, називається дрейфом нуля ППС. Значення абсолютного дрейфу оцінюють за зміною рівня вихідної напруги дрейфу від мінімального до максимального значення при незмінному значенні корисного сигналу на виході.
при Для якісної оцінки різних ППС за значенням дрейфу користуються поняттям зведеного дрейфу
де – коефіцієнт підсилення ППС за напругою. Основні способи зменшення дрейфу нуля ППС: 1.Стабілізація джерела живлення ППС. 2.Застосування від’ємного зворотного зв’язку. 3.Використання елементів з нелінійними залежностями параметрів від температури для температурної компенсації. 4.Схемотехнічні методи – застосування балансних компенсаційних схем. 5.Структурні методи – застосування ППС з перетворенням сигналу. Основні параметри ППС Коефіцієнт підсилення за напругою. Вхідний і вихідний опори. Динамічний діапазон сигналів. Верхня робоча частота. Зведений температурний дрейф вхідної напруги. Підсилювачі постійного струму поділяються на підсилювачі прямого підсилення і підсилювачі з модуляцією і демодуляцією сигналу. ППС прямого підсилення можуть бути одно і двотактними. ППС прямого підсилення називаються також паралельно-балансними або диференціальними. Підсилювачі постійного струму з безпосередніми зв’язками В таких підсилювачах основна проблема – це погодження каскадів між собою за постійним струмом. Один з варіантів такої схеми наведений на рис.1.47.
Рис.1.47. Схема підсилювача постійного струму з безпосередніми зв’язками Найпростіший спосіб погодження каскадів між собою за постійним струмом – це збільшення емітерного опору наступного каскаду і відповідно зменшення опору колектора наступного каскаду. Такий спосіб найбільш простий, але вимагає певних умов. Приймаючи струми колекторів усіх транзисторів однаковими, можна отримати такі умови роботи підсилювача і . Ці умови повинні виконуватися поки Ці нерівності вказують на те, що коефіцієнти підсилення від каскаду до каскаду зменшуються. Більш раціонально збільшувати потенціал емітерів не шляхом збільшення струму через , а шляхом збільшення струму через ці опори за допомогою баластних резисторів або за допомогою додаткових напруг від окремих стабілітронів. Напруга живлення повинна бути достатньо велика для встановлення нормального режиму останнього каскаду
Недолік такої схеми полягає в тому, що навантаження не можна заземляти. Для такої схеми характерний достатньо великий дрейф, особливо великий вплив має дрейф першого каскаду, оскільки він підсилюється всіма наступними каскадами. При наявності парної кількості каскадів можлива компенсація дрейфу. Диференціальний каскад підсилювача постійного струму Колекторні резистори і транзистори утворюють міст, в одну діагональ якого ввімкнена напруга живлення, а в другу – опір навантаження. Схема повинна бути симетричною: , а параметри транзисторів повинні мати ідентичні параметри і повинні бути виготовленими з одного матеріалу. В режимі спокою через транзистори протікають однакові струми колекторів , які створюють однакові спади напруг на колекторних резисторах. Напруги на колекторах транзисторів будуть однакові , а вихідна напруга в цьому випадку буде складати . Висока стабільність вихідної напруги в режимі спокою зумовлена тим, що при зміні напруги джерела живлення або зміні температури потенціали колекторів обох транзисторів отримують однакові за знаком і значенням прирости, тому вихідна напруга залишається незмінною
Рис.1.48. Схема диференціального каскаду підсилювача постійного струму Вхідний сигнал подається або між базами або на одну базу при фіксованому потенціалі на другій базі транзистора, що викликає зміну базових і колекторних струмів транзисторів. Зміна колекторного струму викликає в свою чергу протилежні за знаком зміни потенціалів обох колекторів транзисторів В цьому випадку вихідна напруга буде дорівнювати
Емітерні струми обох транзисторів, які протікають через резистор Rе отримують однакові за значенням і протилежні за знаком прирости струму , тому сумарний емітерний струм залишається незмінний
Незмінність струму емітера свідчить про те, що в схемі відсутній від’ємний зворотний зв’язок за струмом, що не викликає зменшення коефіцієнта підсилення каскаду за напругою для корисного сигналу. Якщо джерело вхідного сигналу ввімкнене між базами вхідних транзисторів, то це приводить до того, що на обох базах появляються сигнали, які рівні і протилежні за знаком і . Наявність спільного емітерного резистора підвищує стабільність схеми за постійним струмом, оскільки зміна емітерних струмів буде мати однаковий знак, тому додатковий сумарний приріст постійної складової емітерного струму який викликаний дестабілізуючими факторами створює сигнал від’ємного зворотного зв’язку за струмом . Стабілізуюча дія резистора в колі емітера Rе тим вища чим більше його значення. Якщо вхідний сигнал подати на одну базу (несиметричний вхід), то при фіксованому потенціалі другої бази, вихідна напруга за модулем буде такою ж, як і в попередній схемі. Схема такого каскаду може бути використана тільки при малих значеннях вхідних сигналах, оскільки при великих від’ємних сигналах може бути більша ніж напруга другого транзистора, тому він закривається і переходить в область відсічки. Для розширення діапазону вхідних сигналів в коло емітерів обох транзисторів і вмикають резистори R0, що в свою чергу зменшує приріст напруги між базою і емітером транзисторів, але одночасно знижує коефіцієнт підсилення за напругою за рахунок появи в схемі від’ємного зворотного зв’язку за струмом для вхідного сигналу. Для балансування схеми застосують потенціометр між емітрами транзисторів Rбал, який дозволяє встановлювати нульову напругу на виході схеми підсилювача при нульовій напрузі на його вході. Диференціальний коефіцієнт підсилення за напругою в режимі холостого ходу буде визначатися таким виразом . Коефіцієнт підсилення за напругою синфазного сигналу . Коефіцієнт ослаблення синфазної складової сигналу
Вхідний диференціальний опір - це опір між двома входами диференціального каскаду підсилення, який залежить від емітерного струму транзисторів і переважно складає сотні кілоом.
Синфазний вхідний опір диференціального підсилювача постійного струму це вхідний опір між двома об’єднаними входами і спільною точкою схеми
Схема заміщення диференціального каскаду зображена на рис. Вхідний диференціальний опір підсилювача ввімкнений між двома входами – інветуючим (Вх.1) і неінвертуючим (Вх.2). В цій схемі паралельно кожному входу ввімкнений подвійний вхідний синфазний опір , тому джерело синфазного сигналу навантажується на опір . Підсилювальні властивості каскаду в цій схемі заміщення відображені генераторами струму і , а його вихідний опір буде складати . Для збільшення синфазного вхідного опору замість резистора в колі емітера застосовують генератор струму на біполярному транзисторі. Застосування розглянутої диференціальної схеми дозволяє значно зменшити значення зведеного температурного дрейфу до рівня Варіант схеми диференціального підси
